高壓容器設計文獻綜述

1、<p>　　畢業(yè)設計(論文)綜述報告</p><p>　　題 目 DN1000整體多層包扎式高壓容器設計 </p><p>　　學院名稱 機械工程學院 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　職

2、 稱 </p><p>　　班 級 過控082班 </p><p>　　學 號 </p><p>　　學生姓名

3、 </p><p><b>　　年 月 日</b></p><p>　　1. 本設計（課題）研究的目的和意義</p><p>　　高壓容器可廣泛適用于化工、化肥、能源及冶金的高壓容器領域，如軍事工業(yè)中炮筒和核動力裝置的應用，化學和石油化工中合成氨、合成甲醇、合成尿素、油類加氫等合成反應的高壓緩沖與存儲容器，電力工業(yè)中核反應堆與水壓機的蓄

4、力器等，并且自20世紀50年代以來，壓力容器出現了大型化、高參數和選用高強度材料的趨勢。高壓容器設計與制造技術發(fā)展的核心問題是：既要隨著生產的發(fā)展能制造出大壁厚的容器，又要設法盡量減小壁厚以方便制造。</p><p>　　層板包扎式筒體結構是目前世界上使用最廣泛、制造和使用經驗最為豐富的組合式圓筒結構。多層包扎式圓筒制造工藝簡單，不需要大型復雜的加工設備。該種結構形式的容器具有綜合性能高、安全性高和只漏不爆等特點

5、。近幾年來，我國在氨合成塔上己經開始使用多層包扎式結構，并且由傳統(tǒng)多層包扎結構工藝逐步向液壓多層包扎工藝改進。針對傳統(tǒng)多節(jié)筒體焊接工藝的特點，隨著液壓多層包扎技術的應用，使整體式預應力拉伸工藝技術得以實現，如圖1.1所示。該多層包扎式高壓容器是在一整體內筒上采用機械手逐層夾緊包扎層板，且層板縱環(huán)焊接接頭相互錯開而成的一種壓力容器。</p><p>　　圖1.1整體式預應力多層包扎式筒體結構</p>

6、<p>　　液壓包扎機在整體內筒上將多層層板錯位包扎，液壓夾緊后焊接成型；與傳統(tǒng)高壓容器相比，筒體無深縱、環(huán)焊縫；操作時預緊程度高，夾緊力足夠，滿足不同層板壁厚的包扎要求；操作簡便、自動化程度較高，筒體包扎層間貼合率高。多層包扎式高壓容器由于在制造過程中就產生了一定的預應力，而在投入工作后又與工作壓力進行了疊加，各層板間相互抵消，形成自增強結構。</p><p>　　2. 本設計（課題）國內外研究歷史與

7、現狀（總結國內外典型的研究成果、專利）</p><p>　　從本世紀初德國化學家，工程師Nemct，Habe等人設計、制造了單層能耐壓力的高壓容器以來，高壓容器的設計、制造及理論研究已有了很大的進展，已由單一鑄造、鍛造、厚板卷焊筒體，發(fā)展到組合式的多層結構，其主要結構型式有：傳統(tǒng)多層包扎容器(圖1.2)，多層熱套容器(圖1.3)，多層繞板容器(圖1.4)，多層繞帶容器(包括型槽鋼帶和扁平鋼帶)(圖1.5)，多層螺

8、旋繞板容器(圖1.6)和新型整體多層包扎容器(圖1.7)等等結構。他們主要解決了厚壁、超厚壁高壓、超高壓的制造。</p><p>　　圖1.2傳統(tǒng)多層包扎容器 圖1.3多層熱套容器</p><p>　　圖1.4多層繞板容器</p><p>　　圖1.5多層繞帶容器</p><p>　　圖1.6多層螺旋繞板容器</

9、p><p>　　圖1.7整體多層包扎容器</p><p><b>　　國外研究現狀</b></p><p>　　1931年美國A·O·Smith公司提出了用鋼絲繩包扎層板筒節(jié)的多層結構，在這基礎之上又發(fā)展出多層熱套，多層繞板式等結構。這些結構型式雖然解決了厚壁制造的問題，但其共同的缺點都是存在筒節(jié)組焊的深厚環(huán)焊縫。它不但焊接工作

10、量大、檢驗困難，而且質量難以保證，有人計算過，焊接這些焊縫的工作量占全部產品制造工作量的60%。因此，深厚環(huán)焊縫是這些結構型式中存在的隱患、致命的弱點。70年代末期，聯邦德國Krupp公司研制了整體多層包扎式高壓容器，它是對美國smith公司多層包扎容器的一個改進。這一技術首先在聯邦德國獲得專利，并于 1979年在英國獲得專利，1981年又在美國獲得專利。該結構最主要的特點是:利用液壓鉗（圖1）(機械手)，在一內管或內筒上將層板逐層包上

11、，縱、環(huán)焊縫錯開。該結構型式制造工藝簡單、質量易保證，制造設備與前述結構相比要簡單得多，而且適用于現場組裝，特別對不便于運輸的大型容器更為有利。</p><p><b>　　圖1 液壓鉗機械手</b></p><p>　　該高壓容器的結構形式引起了國內外專家的高度重視。但是，Krupp公司采用整體多層夾緊式結構制造了工作溫度可達500℃的加氫反應器。對于層間間隙的控制

12、，ASM規(guī)范認為間隙小于0.25mm對筒體強度影響不大，可忽略不計，國內化工行業(yè)標準也對層板端部層間間隙及層板允許松動面積做了較為具體的規(guī)定。對間隙控制越嚴格，層板扎緊工藝越復雜。在保證容器強度不受影響的前提下，適當降低對間隙的控制標準可簡化制造工藝，提高生產效率。</p><p><b>　　國內研究現狀</b></p><p>　　我國浙江大學朱國輝教授于1964

13、年提出用傾角錯繞代替槽扣合，用扁平鋼帶代替型槽鋼帶。于1965年分別在南京第二化機廠和杭州鍋爐廠研制成功。我國長沙化工機械廠與華南理工大學自1984年開始研制該結構形式的高壓容器，并于1990年試制成功整體多層夾緊式高壓容器。1998年化工部頒布了整體多層夾緊式高壓容器的行業(yè)標準，該標準規(guī)定了整體多層夾緊式高壓容器適用的設計壓力不大于35MPa，設計溫度為-20~350ºC。</p><p>　　整體多

14、層包扎式高壓容器的優(yōu)越性近年來得到廣泛認可，應用領域不斷擴大，如低溫的氨分離器及中溫(200℃)的尿素合成塔。自貢大業(yè)高壓容器有限責任公司、安徽六方深冷股份有限公司、長沙威重化工機械有限公司、云南大為化工裝備制造有限公司等根據HG3129-1998研制出整體多層夾緊式高壓容器，華南理工大學陳國理教授帶領的高壓容器課題組做了一些理論研究。</p><p>　　整體多層包扎式是一種錯開環(huán)焊縫和采用液壓鉗逐層包扎的圓筒

15、結構，它首先將內筒拼接到所需的長度，兩端焊上法蘭、封頭，然后在整個長度上逐層包扎層板，待全長度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二層，直至所需厚度。這種方法包扎時各層的環(huán)焊縫可以相互錯開，另外，每層層板的縱焊縫也錯開一個較大角度（45度），使整個圓筒上避免出現深環(huán)焊縫，圓筒與封頭或法蘭間的環(huán)焊縫改為一定斜度的斜面焊縫，承載面積增大，具有高的可靠性。制造設備較筒單，材料的選用有較大的靈活性。這種結構即使在某一層鋼板中出現裂縫，裂縫也只能在該層層

16、板中擴展，不會擴展到其他層板上，安全性高，它的缺點是生產工序多、勞動生產率低。</p><p>　　因此，整體層板包扎式具有如下優(yōu)點：（1）各層層板的縱焊縫相互錯開，故沒有深環(huán)焊縫，避免了大厚度的焊接，檢測和熱處理；（2）該徑向包扎為切向夾緊，使層板的緊系更小，并利用層板間的摩擦力的特性，可降低對層板焊縫的要求，又提高了容器的安全裕度；3)具有只漏不爆的特點，有更可靠的安全性；（4）材料的利用率高，選材面廣，同類

17、產品質量最輕，制造成本低；（5）制造工藝先進，機械化程度高，層板夾緊裝置操作靈活，夾緊力可控，尤其對大直徑超長設備可做現場制作，解決了大型設備的運輸困難的問題。</p><p>　　總的來說，無深環(huán)焊縫層板包扎式高壓容器具有結構設計合理，制造工藝先進，材料利用率高，安全可靠等特點，是目前國際上一種先進的主流結構形式。</p><p>　　3. 目前存在的主要問題</p>&l

18、t;p>　　隨著整體多層夾緊式高壓容器應用領域的擴大，出現了許多新的課題，需要進一步加強理論研究工作，本文正是在此基礎上進行的進一步深入研究。</p><p>　　一些關鍵問題，如生產工序多、勞動生產率低，多層鋼板包扎緊度技術、多層包扎殼體與封頭(端部)連接結構設計、每層鋼板縱向焊縫錯位技術、無深環(huán)焊縫焊接技術和熱處理技術等等，需要進一步研究，讓這些關鍵技術更成熟</p><p>　

19、　4. 本設計（課題）擬解決的關鍵問題和研究方法</p><p>　　針對生產工序多、勞動生產率低的問題，可以在保證容器強度不受影響的前提下，適當降低對層板間間隙和層板允許松動面積的控制標準可簡化制造工藝，提高生產效率。</p><p>　　針對課題需要解決的關鍵技術，如多層鋼板包扎緊度技術、多層包扎殼體與封頭(端部)連接結構設計、每層鋼板縱向焊縫錯位技術、無深環(huán)焊縫焊接技術和熱處理技術等

20、。為此，我查閱了大量資料，較全面的了解了現在制造高壓容器的技術，然后根據這些資料制定出一套較好的結構方案和制造工藝，來完成這個課題的設計。</p><p>　　第一層層板縱縫、 環(huán)縫對接時會對內筒造成熱影響 ,為了消除由于焊接對內筒的熱影響 ,采用內筒與第一層層板之間加盲層的方法。</p><p>　　層板與鍛件端部的連接處 。如下圖2所示，采用堆焊過渡層并預先熱處理的方法后很好地解決焊后

21、需要進行熱處理的問題。這種方法在帶有深環(huán)焊縫多層包扎結構中普遍采用 ,在 ASME及其它國外規(guī)范中也是允許使用的安全可靠的方法。筒體與封頭的連接也采用臺階結構，如圖3所示，封頭與層板的連接處進行堆焊，其目的是層板與封頭間的焊縫免做焊后熱處理。</p><p>　　圖2 筒體與端部連接結構 圖3 筒體與封頭連接結構</p><p><b>　　文獻綜述</

22、b></p><p>　　楊俊嶺，趙斌義在《大氮肥》上發(fā)表的《多層包扎壓力容器設計探討》，其主要對多層包扎壓力容器的殼體設計、開孔設計、殼體與封頭的連接結構設計、支撐結構設計與吊耳的設計等進行了分析和探討，指出了加工制作及安裝時須注意的問題。整體多層包扎容器具有安全可靠、制造成本低、運行過程檢驗費用低等優(yōu)點，地國內大型高參數化的壓力容器得到了較為廣泛的應用。文章對于本次的設計內容有一定參考意義，對設計思路大

23、有幫助。</p><p>　　王明峰、趙斌義《大氮肥》期刊上的一篇《大型氨合成塔壓力外殼結構設計優(yōu)化》的文章，其中對筒體、封頭、端蓋、密封形式等進行了詳細的講述，重點介紹了無深環(huán)焊縫多層包扎筒體的結構特點。筒體結構一般有 4 種形式可供選擇:（1）鍛焊式 ,即可由數個鍛制筒節(jié)組焊制成 ,其結構優(yōu)點是無縱縫 ,缺點是有深環(huán)焊縫 ,成本高 ,筒體厚度大 ,20世紀70年代以前使用較多; （2）單層板卷焊式 ,即由厚板

24、卷制而成 ,其結構優(yōu)點是制造工期短 ,缺點是帶有深縱、 環(huán)焊縫。由于大型氨合成塔的筒體厚度一般很厚 ,國內會受到卷板機能力制約 ,國外機加工能力強而多采用此種結構形式; （3）帶有深環(huán)焊縫的多層包扎式 ,即由多個多層包扎的筒節(jié)組焊而成。內筒材料選用 Cr2Mo 鋼 ,層板材料用高強度低合金鋼 ,可以做到筒體厚度較小 ,與鍛焊式、 單層板卷焊式相比厚度減小約 20mm。其結構缺點是帶有深環(huán)焊縫 ,加工周期較長。20世紀80年代以來國內氨合

25、成塔外殼普遍采用該結構形式; （4） 無深環(huán)焊縫多層包扎式 ,即內筒先與上端部及下部過渡件、 下部封頭等件組焊 ,并熱處理后使用特殊工具將預制好的開口筒節(jié)一層層包扎上去 ,最</p><p>　　趙斌義發(fā)表在《石油化工設備技術》上的文章《無深環(huán)焊縫多層包扎容器的結構特點》。對有深環(huán)焊縫和無深環(huán)焊縫進行了對比，有深環(huán)焊縫結構如下圖</p><p>　　這種結構存在如下缺點</p>

26、<p>　　筒節(jié)與筒節(jié)、筒節(jié)與封頭相接的深環(huán)焊縫不進行熱處理。雖然焊縫的總厚度均超過規(guī)范規(guī)定，需要進行焊后熱處理，但由于條件所限及結構原因，在實際生產中均不進行焊后熱處理。理由是：每層層板是厚度較小，無需熱處理，另外，熱處理會消除層板包扎預緊力；鍛件或者厚板封頭焊縫坡口表面堆焊了一層3mm的堆焊層，堆焊后進行熱處理，因此與多層筒節(jié)焊接后可不進行熱處理；深環(huán)焊縫的焊接普遍采用多焊道，每到焊層厚度不超過10mm，而且采用焊前預

27、熱，因此認為下一道焊縫接已對上一道焊縫接金屬起到了一定的熱處理作用。</p><p>　　深環(huán)焊縫的無損檢測困難。</p><p>　　通過對比有深環(huán)焊縫和無深環(huán)焊縫的一些特點可以知道無深環(huán)焊縫結構的多層包扎容器更加安全可靠。為本次課題設計提供了充足的理論依據和選擇理由。</p><p>　　6. 參考文獻（參考文獻須15篇以上，其中外文文獻不少于3篇）</p

28、><p>　　[1] GB150—1998《鋼制壓力容器》</p><p>　　[2] HG3129-1998《整體多層夾緊式高壓容器》</p><p>　　[3]　趙斌義.《無深環(huán)焊縫多層包扎容器的結構特點.》石油化工設備技術,2008 ,29(2)</p><p>　　[4]　朱孝欽,吳京生,陳國理.《整體多層夾緊式高壓容器研制及應用》