大型高压容器的结构优化及发展趋势

陈誉欣

摘要：随着科技的快速发展，高压容器已普遍用于石油、化工、冶金、核站、宇航、医药和食品等领域，而且是这些领域的关键设备，它的应用范围越来越广，结构尺寸越来越大，结构型式和工作条件越来越复杂，操作压力和操作温度越来越高，从而对高压容器的设计要求越来越高。文章阐述了扁平绕带容器的特点，指出了大型高压容器的结构优化及其发展趋势。

关键词：大型高压容器；扁平绕带；结构优化；只漏抑爆

中图分类号：U418文献标识码：A文章编号：1009-2374(2009)13-0020-02

随着科技的快速发展，高压容器已普遍用于石油、化工、冶金、核站、宇航、医药和食品等领域，而且是这些领域的关键设备，它的应用范围越来越广，结构尺寸越来越大，结构型式和工作条件越来越复杂，操作压力和操作温度越来越高，从而对高压容器的设计要求越来越高。为此，世界各国对高压容器的研究历来极为重视，我国压力容器安全工程各个方面所取得的成就已为我国进入世界压力容器先进大国行列奠定了坚实的基础，但仍存在一些亟待解决的问题。

一、高压容器的结构优化

(一)结构优化问题的提出

高压容器工作条件苛刻，有时还伴有冲击载荷，有的工作介质具有强腐蚀性，加上设计、制造、使用和管理要求高，使用不当易发生破坏，造成巨大的经济损失。高压容器多为圆筒形结构，容器直径大、筒体长、器壁厚，结构笨重庞大、制造困难，需用多种昂贵的大型设备和专门技术。这样的高压厚壁容器，从强度设计、制造运输、到保证安全使用的整个过程必然存在着特殊的矛盾。高压容器必须经过设计才能满足工程需要，这些工程问题中最重要的是容器的安全性和经济陛。高压容器的制造在一定程度上反映了一个国家的科技水平，对于造价昂贵的高压容器引入优化设计思想，无论是提高安全性还是经济性，都有十分重要的意义。

(二)结构优化的基本要求

高压容器的优化设计需同时考虑多项优化目标，如投资少，能耗低，安全可靠，便于操作和维修等。优化设计方法可分为三个步骤；首先是基本结构的优化；其次是结构参数的优化，即在确定容器基本结构、材料、几何外形及载荷等参数的前提下，选择最合理的结构参数，使某项或几项设计指标取得最优值；第三是数学方法的优化，即对参数优化所采用的数学模型实现精确快捷的计算。在这三个步骤中应以基本结构优化为前提，如果基本结构本身不合理，则设计参数优化是没有工程意义的，所以，对于高压容器，只有建立在基本结构优化设计基础上的设计参数优化才更有工程意义。

(三)结构优化的标准

衡量一种高压容器结构型式优化的标准是在充分保证安全的前提下，最大限度地提高其经济性。筒体的安全性与材料的可靠性、制造工艺的成熟性、焊接技术、热处理、检验方法、简体的破坏特性等密切相关。而筒体结构的经济性与制造方法、总的材料利用率、生产效率、原材料的供应等有关。所以，设计简体结构时，既要考虑安全性，又要考虑经济性，还应兼顾各种因素的影响，以保证操作安全、技术先进、经济合理，只有两者兼优的结构才是大型高压容器的优化结构。

二、高压容器优化结构

(一)高压容器的分析

近百年来世界各国为了改善容器的不均匀受力，提高容器的承载能力和制造质量，保证容器安全性，降低制造成本等目的，研制了多种高压容器简体结构型式，它们围绕着安全性和经济性在不同程度、不同方面解决了一些问题。目前高压容器因制造方法和使用环境不同而多种结构并存，因此，大型容器的核心问题是容器的结构型式。高压厚壁容器内径可达3m，长度可达30m，壁厚可达300mm。对这类贵重设备，若采用锻焊、厚板卷焊、薄板包扎、多层热套或型槽绕带等结构型式，制造都很困难，质量不易保证，价格高昂，而扁平绕带式容器却是制造最简单、使用最安全的容器。

(二)新型扁平绕带式压力容器的突出特点

新型扁平绕带式压力容器由于安全性很高，在国内得到了广泛的应用，已制造了7000多台扁平绕带式压力容器，经济效益已超过十亿元。1996年扁平绕带式压力容器被列入美国ASME锅炉压力容器规范第Ⅷ篇第1分篇，该标准的制定对扁平绕带式压力容器的进一步发展具有重要的意义，为在世界范围内推广应用奠定了基础。

新型扁平绕带式压力容器具有“安全性能优良、制造简便经济、可实现在线监控”等优点，它充分考虑了容器的受力和失效特点，从根本上改变了压力容器的安全性能和失效方式，解决了深厚纵、环焊缝的焊接、厚板质量缺陷、安全性能不足等问题，而且具有安全可靠和制造经济性，其突出特点表现为：

1结构合理。容器全长均为多层绕带结构，扁平钢带逐层倾角相反缠绕，且为偶数层，使得钢带环向分力产生的扭矩可相互抵销。合理地解决了压力容器环向、轴向强度优化的问题，并可通过调节钢带上的缠绕预应力使简体在工作状态下的应力第一次实现了按意愿设计成所需的合理的应力状态。这种结构设计合理、灵活、极易通过改变内外层材料、钢带错绕倾角以及钢带预拉应力以适应各种场合，使材料得到合理应用。

2简体原材料：筒体由内筒和其外壁的扁平钢带组成，扁平钢带厚2～8mm，宽20～120mm，材料选取有很大的灵活性。

其内筒仅占总厚度的1／4～1／6，可用一般薄钢板卷焊制造，其材质比任何大型锻件和厚钢板好。大量原材料为轧制型式简单、精度要求不高、价格便宜、材质可靠、缺陷几率小、可成卷供应的扁平钢带。内筒可为单层或多层结构，对于内装腐蚀介质的容器，内外层可选用不同材料，仅容器内筒使用耐腐蚀材料，而绕带层可单纯从保证简体结构出发来选用材料，故可节省大量贵重金属材料，且可以较同样直径的单层筒体减薄10％以上。

3机加工。内筒制成后不必车削内外表面，仅内筒外壁焊缝需修磨，简单易行，大大地减少了加工量。

4焊接及热处理。钢带层仅是两端与封头或端盖的锥面相焊接，绕带容器全长无任何厚环焊缝，焊接容易，大大地减少了焊接量。仅内筒需热处理，不需大型热处理设施。

5质量检验。壁薄易焊、易检验，仅内筒需无损探伤。

6在线监测简便可靠。绕带容器筒体外部设有保护壳，既可防雨水侵蚀，又可装设介质泄漏自动报警和卸压的在线安全监控装置，以防易燃、易爆、有毒介质的泄漏，杜绝了二次爆炸和环境污染，其成本仅为声发射监控装置的3％。

7制造设备及工艺。制造所需的工艺装备简单，除了需要一台专用的大型绕带机床外，不需起吊整台大型容器的重型设备以及与之相配套的大型厂房和桥式行车，不需任何特殊技术，一般制造厂均能制造。绕带机床是一种不用床身而支承容器实现旋转与送带运动的简单缠绕装置，可设计成可拆结构，其成本约为大型卷板机或宽板缠绕设备的，总重量不超过80吨，运输方便，操作容易，钢带缠绕质量可靠，效率高，解决了设

备大型化及成本昂贵的问题，为大型绕带式高压容器的现场绕制提供了有力条件。制造时钢带在薄内筒外面全长范围内连续缠绕，绕带层只需贴合即可，不需要严格控制层间贴合面的过盈量，不存在带层“脱扣”的危险。绕制容器的内径、长短、壁厚、重量和材料均不受限制，只要改变内筒厚度和内筒与带层材料就可适应各种要求，制造和运输都无特殊要求，即使现场绕带也容易达到，尤其满足“大型化”的要求。

8内筒应力分布。可通过改变绕带倾角和调节预应力使容器的环向、轴向、内壁、外壁具有最合理的应力状态，实现包括热应力在内的最佳的等强度设计，而且可使内筒在工作状态下的应力有所减少，使其处于“低应力内筒”状态，使材料得到合理的应用，这是单层结构所不可比拟的。

9安全可靠性。这是高压容器最重要的要求。新型扁平绕带式压力容器采用预应力分层倾角错绕网状离散化结构，它保持了多层压力容器的优势。钢带层很小的层间间隙构成了自然通气网，使其具有突出的“止裂”和“排气卸压”作用，能承受高应力。内筒一旦泄漏，内部高压介质沿钢带层间曲折的间隙泄流出来时受到很大的阻力，气流速度大大降低，从而可抑制容器发生突然性脆断爆破。由于多层结构的不连续性和外部钢带的约束作用，使得绕层上的预应力对内筒土的裂纹具有抑制作用，使钢带上可能存在的本来就很少的各种缺陷在容器整个长度上因分层而被自然分散而趋近于零，从而大大降低了失效概率。

10经济性。绕带容器具有显著的直接效益和间接效益。由于外筒中少数的钢带层即可替代相同情况下单层容器较厚的外层简体，大大地降低了钢材的消耗量，有利于容器向大型化方向发展。加上钢带层的价格远低于内筒材料的价格，因而综合经济效益十分明显。直接效益表现为：绕制一台大型容器周期短(只需100～200小时)，工序少，避免了大量钢材弯卷、切割、焊接、无损检验和热处理等工作量，与厚板卷焊技术相比，生产效率可提高1倍，制造成本可降低30％～50％，机械加工、焊接、无损检测和热处理量约少80％，节省钢材20％，节省电能80％，而且这种容器越是大型化，绕带容器的优越性越显著，经济效益也越明显。特别对于大型不锈钢低温液氢、液氧高压容器和各种大型热壁加氢反应器以及尿素合成塔等特殊贵重容器更为显著，这种效果是当今世界上最为显著的。间接经济效益表现为：绕带容器具有“只漏抑爆”的安全特性，可减少事故发生率，尤其可避免灾难性事故的发生，可显著延长定期安全无损检测时间，大大减少因检修或事故停产所造成的经济损失。

三、发展趋势分析

经济的增长和科学技术的进步决定了生产规模的不断扩大和设备装置的日益大型化，新型扁平绕带式容器的上述特点决定了它具有大型化压力容器所要求的结构尺寸大、设计参数高、制造简单、使用安全、在役检测方便、适于现场安装等性能，它具有大型化的发展趋势。

新型扁平绕带式压力容器在的理论和实践上都已取得了重大的成就，已基本形成一套较为完整的设计、制造和检验技术，创造了巨大的经济效益，7000多台扁平绕带压力容器的安全运行、国内外规范以及不断完善发展的理论为其大型化提供了可靠的理论与实践依据，而且越是大型化、复杂化、高参数、严工况的情况，越能满足使用安全和制造经济的要求，越能显出其明显的优越性，它的失效率可小于10^-10台·车，这是目前世界其它型式容器难以达到的数量级，它毫不逊色于当今任何一种容器结构，国内外专家预言它将是一种“21世纪的压力容器”。随着科技的发展，它的发展潜力十分巨大，它将为国际高压容器技术的发展带来突破性的改革，从而证明新型扁平绕带式压力容器是高压容器的必然发展趋势。