高压容器设计文献综述.doc

毕业设计(论文)综述报告题 目 DN1000整体多层包扎式高压容器设计 学院名称 机械工程学院 指导教师 冯小康 职 称 教 授 班 级 过控082班 学 号 20084420231 学生姓名 王 作 年 月 日1. 本设计（课题）研究的目的和意义高压容器可广泛适用于化工、化肥、能源及冶金的高压容器领域，如军事工业中炮筒和核动力装置的应用，化学和石油化工中合成氨、合成甲醇、合成尿素、油类加氢等合成反应的高压缓冲与存储容器，电力工业中核反应堆与水压机的蓄力器等，并且自20世纪50年代以来，压力容器出现了大型化、高参数和选用高强度材料的趋势。高压容器设计与制造技术发展的核心问题是：既要随着生产的发展能制造出大壁厚的容器，又要设法尽量减小壁厚以方便制造。层板包扎式筒体结构是目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式圆筒结构。多层包扎式圆筒制造工艺简单，不需要大型复杂的加工设备。该种结构形式的容器具有综合性能高、安全性高和只漏不爆等特点。近几年来，我国在氨合成塔上己经开始使用多层包扎式结构，并且由传统多层包扎结构工艺逐步向液压多层包扎工艺改进。针对传统多节筒体焊接工艺的特点，随着液压多层包扎技术的应用，使整体式预应力拉伸工艺技术得以实现，如图1.1所示。该多层包扎式高压容器是在一整体内筒上采用机械手逐层夹紧包扎层板，且层板纵环焊接接头相互错开而成的一种压力容器。 图1.1整体式预应力多层包扎式筒体结构 液压包扎机在整体内筒上将多层层板错位包扎，液压夹紧后焊接成型；与传统高压容器相比，筒体无深纵、环焊缝；操作时预紧程度高，夹紧力足够，满足不同层板壁厚的包扎要求；操作简便、自动化程度较高，筒体包扎层间贴合率高。多层包扎式高压容器由于在制造过程中就产生了一定的预应力，而在投入工作后又与工作压力进行了叠加，各层板间相互抵消，形成自增强结构。2. 本设计（课题）国内外研究历史与现状（总结国内外典型的研究成果、专利）从本世纪初德国化学家，工程师Nemct，Habe等人设计、制造了单层能耐压力的高压容器以来，高压容器的设计、制造及理论研究已有了很大的进展，已由单一铸造、锻造、厚板卷焊筒体，发展到组合式的多层结构，其主要结构型式有：传统多层包扎容器(图1.2)，多层热套容器(图1.3)，多层绕板容器(图1.4)，多层绕带容器(包括型槽钢带和扁平钢带)(图1.5)，多层螺旋绕板容器(图1.6)和新型整体多层包扎容器(图1.7)等等结构。他们主要解决了厚壁、超厚壁高压、超高压的制造。 图1.2传统多层包扎容器 图1.3多层热套容器图1.4多层绕板容器图1.5多层绕带容器图1.6多层螺旋绕板容器 图1.7整体多层包扎容器国外研究现状1931年美国AOSmith公司提出了用钢丝绳包扎层板筒节的多层结构，在这基础之上又发展出多层热套，多层绕板式等结构。这些结构型式虽然解决了厚壁制造的问题，但其共同的缺点都是存在筒节组焊的深厚环焊缝。它不但焊接工作量大、检验困难，而且质量难以保证，有人计算过，焊接这些焊缝的工作量占全部产品制造工作量的60%。因此，深厚环焊缝是这些结构型式中存在的隐患、致命的弱点。70年代末期，联邦德国Krupp公司研制了整体多层包扎式高压容器，它是对美国smith公司多层包扎容器的一个改进。这一技术首先在联邦德国获得专利，并于 1979年在英国获得专利，1981年又在美国获得专利。该结构最主要的特点是:利用液压钳（图1）(机械手)，在一内管或内筒上将层板逐层包上，纵、环焊缝错开。该结构型式制造工艺简单、质量易保证，制造设备与前述结构相比要简单得多，而且适用于现场组装，特别对不便于运输的大型容器更为有利。图1 液压钳机械手该高压容器的结构形式引起了国内外专家的高度重视。但是，Krupp公司采用整体多层夹紧式结构制造了工作温度可达500的加氢反应器。对于层间间隙的控制，ASM规范认为间隙小于0.25mm对筒体强度影响不大，可忽略不计，国内化工行业标准也对层板端部层间间隙及层板允许松动面积做了较为具体的规定。对间隙控制越严格，层板扎紧工艺越复杂。在保证容器强度不受影响的前提下，适当降低对间隙的控制标准可简化制造工艺，提高生产效率。国内研究现状 我国浙江大学朱国辉教授于1964年提出用倾角错绕代替槽扣合，用扁平钢带代替型槽钢带。于1965年分别在南京第二化机厂和杭州锅炉厂研制成功。我国长沙化工机械厂与华南理工大学自1984年开始研制该结构形式的高压容器，并于1990年试制成功整体多层夹紧式高压容器。1998年化工部颁布了整体多层夹紧式高压容器的行业标准，该标准规定了整体多层夹紧式高压容器适用的设计压力不大于35MPa，设计温度为-20350C。整体多层包扎式高压容器的优越性近年来得到广泛认可，应用领域不断扩大，如低温的氨分离器及中温(200)的尿素合成塔。自贡大业高压容器有限责任公司、安徽六方深冷股份有限公司、长沙威重化工机械有限公司、云南大为化工装备制造有限公司等根据HG3129-1998研制出整体多层夹紧式高压容器，华南理工大学陈国理教授带领的高压容器课题组做了一些理论研究。整体多层包扎式是一种错开环焊缝和采用液压钳逐层包扎的圆筒结构，它首先将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰、封头，然后在整个长度上逐层包扎层板，待全长度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。这种方法包扎时各层的环焊缝可以相互错开，另外，每层层板的纵焊缝也错开一个较大角度（45度），使整个圆筒上避免出现深环焊缝，圆筒与封头或法兰间的环焊缝改为一定斜度的斜面焊缝，承载面积增大，具有高的可靠性。制造设备较筒单，材料的选用有较大的灵活性。这种结构即使在某一层钢板中出现裂缝，裂缝也只能在该层层板中扩展，不会扩展到其他层板上，安全性高，它的缺点是生产工序多、劳动生产率低。因此，整体层板包扎式具有如下优点：（1）各层层板的纵焊缝相互错开，故没有深环焊缝，避免了大厚度的焊接，检测和热处理；（2）该径向包扎为切向夹紧，使层板的紧系更小，并利用层板间的摩擦力的特性，可降低对层板焊缝的要求，又提高了容器的安全裕度；3)具有只漏不爆的特点，有更可靠的安全性；（4）材料的利用率高，选材面广，同类产品质量最轻，制造成本低；（5）制造工艺先进，机械化程度高，层板夹紧装置操作灵活，夹紧力可控，尤其对大直径超长设备可做现场制作，解决了大型设备的运输困难的问题。总的来说，无深环焊缝层板包扎式高压容器具有结构设计合理，制造工艺先进，材料利用率高，安全可靠等特点，是目前国际上一种先进的主流结构形式。3. 目前存在的主要问题随着整体多层夹紧式高压容器应用领域的扩大，出现了许多新的课题，需要进一步加强理论研究工作，本文正是在此基础上进行的进一步深入研究。一些关键问题，如生产工序多、劳动生产率低，多层钢板包扎紧度技术、多层包扎壳体与封头(端部)连接结构设计、每层钢板纵向焊缝错位技术、无深环焊缝焊接技术和热处理技术等等，需要进一步研究，让这些关键技术更成熟 4. 本设计（课题）拟解决的关键问题和研究方法针对生产工序多、劳动生产率低的问题，可以在保证容器强度不受影响的前提下，适当降低对层板间间隙和层板允许松动面积的控制标准可简化制造工艺，提高生产效率。针对课题需要解决的关键技术，如多层钢板包扎紧度技术、多层包扎壳体与封头(端部)连接结构设计、每层钢板纵向焊缝错位技术、无深环焊缝焊接技术和热处理技术等。为此，我查阅了大量资料，较全面的了解了现在制造高压容器的技术，然后根据这些资料制定出一套较好的结构方案和制造工艺，来完成这个课题的设计。第一层层板纵缝、 环缝对接时会对内筒造成热影响 ,为了消除由于焊接对内筒的热影响 ,采用内筒与第一层层板之间加盲层的方法。层板与锻件端部的连接处 。如下图2所示，采用堆焊过渡层并预先热处理的方法后很好地解决焊后需要进行热处理的问题。这种方法在带有深环焊缝多层包扎结构中普遍采用 ,在 ASME及其它国外规范中也是允许使用的安全可靠的方法。筒体与封头的连接也采用台阶结构，如图3所示，封头与层板的连接处进行堆焊，其目的是层板与封头间的焊缝免做焊后热处理。 图2 筒体与端部连接结构 图3 筒体与封头连接结构5. 文献综述杨俊岭，赵斌义在大氮肥上发表的多层包扎压力容器设计探讨，其主要对多层包扎压力容器的壳体设计、开孔设计、壳体与封头的连接结构设计、支撑结构设计与吊耳的设计等进行了分析和探讨，指出了加工制作及安装时须注意的问题。整体多层包扎容器具有安全可靠、制造成本低、运行过程检验费用低等优点，地国内大型高参数化的压力容器得到了较为广泛的应用。文章对于本次的设计内容有一定参考意义，对设计思路大有帮助。王明峰、赵斌义大氮肥期刊上的一篇大型氨合成塔压力外壳结构设计优化的文章，其中对筒体、封头、端盖、密封形式等进行了详细的讲述，重点介绍了无深环焊缝多层包扎筒体的结构特点。筒体结构一般有 4 种形式可供选择:（1）锻焊式 ,即可由数个锻制筒节组焊制成 ,其结构优点是无纵缝 ,缺点是有深环焊缝 ,成本高 ,筒体厚度大 ,20世纪70年代以前使用较多; （2）单层板卷焊式 ,即由厚板卷制而成 ,其结构优点是制造工期短 ,缺点是带有深纵、 环焊缝。由于大型氨合成塔的筒体厚度一般很厚 ,国内会受到卷板机能力制约 ,国外机加工能力强而多采用此种结构形式; （3）带有深环焊缝的多层包扎式 ,即由多个多层包扎的筒节组焊而成。内筒材料选用 Cr2Mo 钢 ,层板材料用高强度低合金钢 ,可以做到筒体厚度较小 ,与锻焊式、 单层板卷焊式相比厚度减小约 20mm。其结构缺点是带有深环焊缝 ,加工周期较长。20世纪80年代以来国内氨合成塔外壳普遍采用该结构形式; （4） 无深环焊缝多层包扎式 ,即内筒先与上端部及下部过渡件、 下部封头等件组焊 ,并热处理后使用特殊工具将预制好的开口筒节一层层包扎上去 ,最后制成整体筒体 ,做到无深环焊缝。其结构优点是筒体厚度小 ,无深环焊缝 ,安全可靠性高 ,并可以做到只漏不爆。第一层层板纵缝、 环缝对接时会对内筒造成热影响 ,为了消除由于焊接对内筒的热影响 ,采用内筒与第一层层板之间加盲层的方法。 该文章对本次课题设计结构形式，设计思路，还有很多设计形式的理由都有很好的阐释，总结的很多要点对自己的设计课题更是很需要，有很大帮助作用。赵斌义发表在石油化工设备技术上的文章无深环焊缝多层包扎容器的结构特点。对有深环焊缝和无深环焊缝进行了对比，有深环焊缝结构如下图这种结构存在如下缺点（1） 筒节与筒节、筒节与封头相接的深环焊缝不进行热处理。虽然焊缝的总厚度均超过规范规定，需要进行焊后热处理，但由于条件所限及结构原因，在实际生产中均不进行焊后热处理。理由是：每层层板是厚度较小，无需热处理，另外，热处理会消除层板包扎预紧力；锻件或者厚板封头焊缝坡口表面堆焊了一层3mm的堆焊层，堆焊后进行热处理，因此与多层筒节焊接后可不进行热处理；深环焊缝的焊接普遍采用多焊道，每到焊层厚度不超过10mm，而且采用焊前预热，因此认为下一道焊缝接已对上一道焊缝接金属起到了一定的热处理作用。（2） 深环焊缝的无损检测困难。通过对比有深环焊缝和无深环焊缝的一些特点可以知道无深环焊缝结构的多层包扎容器更加安全可靠。为本次课题设计提供了