扁平绕带压力容器 浙大课件

1、扁平钢带倾角错绕式压力容器9/19/20221基本情况 又称扁平绕带压力容器；浙江大学化工机械研究所朱国辉教授发明；在20世纪70年代小化肥生产中发挥重要作用，全国生产7000多台。获国家发明三等奖1996年和1997年被列入ASME -1和ASME -2标准的规范案例CODE CASE，编号分别为2229和2269 9/19/20222基本结构9/19/20223基本结构（2）9/19/20224基本结构（2）9/19/20225基本特点内筒薄 薄内筒的厚度通常占容器总厚的1/61/4，可为单层或多层组合结构（对100mm厚容器其单层薄内筒厚度一般不超过30mm）。 薄钢板取材容易，易制作，

2、同时原材料、焊接和无损检测的质量易于保证；原始缺陷少，且可通过预应力缠绕，使内筒处于低应力水平，降低裂纹在使用中萌生和扩展的可能性。 9/19/20226基本特点（2）钢带窄，预应力交错缠绕 扁平钢带厚度一般为48mm，具有优良的金属纤维性能，其金相组织和力学性能都比较均匀，脆性转变温度比厚钢板低得多，即使万一发生断裂，也可根本避免产生碎片；同时，预应力交错错绕使内筒轴向、环向的强度同时得到加强。 9/19/20227基本特点（3）层数多，无深厚环焊缝，具有自我抑爆抗爆特性 容器大部分厚度由多层交错缠绕的钢带组成，且全长无深厚环焊缝，层间有止裂作用。绕带层既是承压强度层，也是保障容器安全使用的

3、非常可靠的抑爆保护层。因而在工作条件下，即使内筒存在原始裂纹或腐蚀与疲劳裂纹，绕带式容器也绝不会发生环向与轴向的突然断裂爆破事故。 9/19/20228基本特点（4）两端为斜面分散焊缝，可防止法兰或端盖断裂飞出引起严重事故 绕带结构将深厚环焊缝转化为斜面分散焊缝，不仅使焊缝受力面积增大，焊接工艺得到简化，而且还由于改变了焊缝结构，即使内筒环缝a处断裂，绕带层斜面焊缝b也不致立即引起扩展断裂而使封头飞出事故。 9/19/20229基本特点（5）最简化的制造技术 整个容器的制造过程基本上是内筒制作加钢带缠绕过程，钢带绕完，容器也就基本制造完成，工序少、周期短。 9/19/202210基本特点（6）

4、可实施功能全面可靠的在线安全监控保障技术 由于绕带层有天然“透气孔”，即使因意外因素内筒发生了裂纹扩展而泄漏，所泄漏出的气体可被外保护薄壳自然收集，实现泄漏介质自动排放（如返回生产工艺管线）和通过密闭循环系统对气体化学成份的检测，实现安全状态及腐蚀状态计算机在线自动监控。这种监控技术已在内径1000mm绕带式高压容器上试验成功，并被鉴定为国际首创技术。这样全面的在线安全保障技术是现有其他钢制压力容器和监控技术难以做到的，其成本不超过现有声发射监控技术的10%。 9/19/202211纳入ASME规范情况从1993年开始绕带式压力容器申请纳入美国ASME（美国机械工程师学会）锅炉压力容器规范（国

5、际上最早、最权威的压力容器标准），经两轮五个层次数百位同行专家审查，以免于在美国再作任何验证试验的优惠条件，先后于1996年和1997年全票通过列入ASME锅炉压力容器第八篇Division 1（按规则设计） 和 Division 2（分析设计）标准，编号分别为2229和2269号，成为唯一被列入ASME锅炉压力容器标准来自中国的重大技术，也是继日本和德国之后的ASME第三项重大外国技术。 9/19/202212纳入ASME规范情况（2） ASME规范明确绕带式压力容器的内径范围为1212(约300mm3600mm)，容器内筒厚度不低于总壁厚的1/6，容器长度由工艺要求决定，容器设计温度范围决

6、定于材料的许用温度。即允许在世界上推广制造内径达3.6m包括尿素合成塔、石油加氢反应器在内的各种高压、低温、高温、耐腐蚀等重大承压装备。这为扁平绕带式压力容器的应用提供了非常宽广的范围，而且尚可根据应用需要，今后逐步作出修改扩充。 9/19/202213使用情况1970S有大量使用，主要用于小化肥生产装置1980S在合成氨装置有使用生产企业仅剩12家21世纪，在高压储氢装置上得到突破GB/T26466-2011固定式高压储氢用钢带错绕式容器GB 150.3-2011压力容器 第3部分 设计附录B 钢带错绕筒体9/19/202214制造技术制造内筒体一般采用钢板卷焊组装（焊接）内筒体至规定长度焊

7、接端部封头或端盖内筒耐压试验钢带缠绕（双数层）耐压试验与气密性试验焊接外壳保护层9/19/202215制造技术绕带机床的工作原理图1-钢带； 2-小车； 3-支承托轮； 4-容器； 5-卡盘9/19/202216制造技术绕带机床结构示意图1-减速机构；2-打磨焊缝装置； 3-压紧辊轮； 4-焊接装置； 5-绕带容器；6-支承托轮； 7-扁平钢带； 8-机床导轨； 9-小车； 10- 小车传动装置；11-单独移动小车副电机； 12-电磁控制离合器9/19/202217制造技术绕带式高压容器绕制现场（已绕完） 9/19/202218制造技术堆放于加工车间的绕带容器实物照片 9/19/202219失

8、效方式扁平钢带倾角错绕式筒体可能发生的失效方式有：薄内筒发生环向或轴向破坏；钢带断裂；端部斜面焊接接头破坏；薄内筒和钢带层同时破坏爆破失效。工作压力下内筒的失效方式“只漏不爆”，不会发生整体脆性破坏；工作压力下钢带层的失效方式： 最外层钢带断裂； 钢带层内某根钢带断裂； 钢带层中钢带全部断裂。端部斜面焊接接头的安全性9/19/202220端面失效分析端部斜面焊接接头的受力面积大，焊接质量易于保证。即使内筒和端部法兰或底部封头相连的环向焊接接头断裂，也不会引起端部斜面焊接接头断裂而导致两端抛飞。其依据为： (1)进行过带人工裂纹的斜面焊接接头疲劳试验，研究表明：不会发生快速脆性破坏。 (2)由于

9、端部法兰和底部封头的加强作用，内筒与封头和法兰连接处的应力水平要比内筒中部低，其环向应力之比约为80%左右，轴向应力之比约为67%。 (3)一台内径1000mm的试验绕带容器，由于把18MnMoNb底盖误作20MnMo锻件。因而与内筒连接的焊接接头质量不好，打压至约49MPa时，内筒在该焊接接头处开裂而卸压，补焊后再打压至68.6MPa时又严重开裂而卸压，但斜面焊接接头依然完好无损。经检查，内筒在环向焊接接头处几乎已整圈断。提高预热温度进行补焊后，容器在90.2MPa下发生环向破坏。9/19/202221爆破性能对小型试验容器和一般性容器开展多个爆破实验。 实际爆破压力比同设计参数的单层筒体低

10、5%10%。所有爆破试验容器均未发生轴向断裂现象。容器缠绕时即使控制不当，钢带缠绕较松，在接近爆破压力时，内筒可能先行破裂，但其外部绕层仍可保持完整，容器内部高压介质通过绕层间的缝隙泄漏即可卸压只漏不爆。9/19/202222疲劳性能研究一绕带式氨合成塔，筒体内径450mm，工作压力15MPa，长度约6000mm，内筒体厚14mm，外面缠绕4层3.5mm厚的钢带，容器总厚28mm，材料均为16Mn，制造于1970年。 使用8年后，发现内筒第二筒节纵向焊缝中有长约45mm的夹渣，内筒内壁接近第2条环焊缝处有一块面积为5050mm2、深约3mm的打磨减薄区等缺陷，决定对其进行疲劳试验研究。并在容器

11、上另外再人为设置两个新的缺陷，分别是：在内筒接近第二条环焊缝处钻多个直径8mm、深约3.5mm的孔；外层钢带上钻一直径8mm、深4mm的孔。显然，上述原始和人为缺陷都是规范不允许的超标缺陷。9/19/202223疲劳性能研究（2） 疲劳试验压力32MPa，在疲劳试验机上进行。同时还在内筒体内壁和外层钢带上布置了若干应变片，以监测容器各部位的应力变化。 疲劳循环压力为0150 MPa，共经历了20天约270小时的疲劳试验，循环总次数达40670次；随后对容器再次进行20MPa的超压试验。超压试验时监测到的外层钢带应力数据与疲劳试验前相比，没有增大。同时对容器外部的检查发现，试验过程中钢带钻孔部位无任何异样变化，连涂在外层钢带上的防锈漆也未发现有任何细微裂痕，两端斜面焊缝更无任何变化。试验结束后，打开容器顶盖入内检查，在纵缝夹渣与补焊处，内筒钻孔与打磨减薄区等部位，也均未发现有任何肉眼可见的变化。 表明容器虽已使用八年之久，且存在超标缺陷，仍