扁平绕带式压力容器力学行为研究进展

何志萍 中油辽河工程有限公司 盘锦 124010

扁平绕带式压力容器力学行为研究进展

何志萍*中油辽河工程有限公司 盘锦 124010

介绍扁平绕带式压力容器结构特点、基本特性及发展优势，论述其力学行为的研究现状并展望其应用和发展。

扁平绕带式压力容器力学行为研究进展

压力容器技术在20世纪取得了重大进步，各种结构形式的压力容器被广泛应用于化工、炼油、冶金、食品、热电及核电站等行业［1］。在石油化工行业中，压力容器往往用于高温和高压条件，在突发故障下将可能引起爆炸，其次，目前广泛使用的整体式高压容器，其固有缺陷逐渐显露。采用各种缠绕方式提高容器的承压能力是一种有效途径，其中，扁平绕带式压力容器有望解决这类缺陷而被开发成为一类专门的高压容器。

1 结构与技术标准

焊接占压力容器制造工作量的50%～60%，特别是厚壁筒体的焊接是很困难的。因此，只有消除厚壁筒体纵焊缝和环焊缝才能改善压力容器的技术经济指标、提高生产率，而新型扁平绕带式压力容器有效解决了这个问题，其在满足工艺要求、减少设备购置费、降低工程造价等方面发挥重要的作用。扁平绕带式压力容器结构见图1［2］。

图1 扁平绕带式压力容器结构简图

扁平绕带式压力容器主要由薄内壳、扁平钢带绕层、封头、法兰、顶盖等组成。薄内壳与封头和法兰的变径段焊接，扁平钢带以相对容器环向一定倾角缠绕于内壳外侧，钢带始末两端斜边分别焊接于封头和法兰45°锥面上，钢带左右交错缠绕若干层，顶盖通过螺栓与法兰连接。

该结构压力容器技术要素有:

(1)薄内筒的厚度通常占容器总厚度的15%～30%，可为单层或多层组合结构。

(2)扁平钢带相对于容器环向倾角为15～30°，保证容器轴向强度略高于环向。

(3)钢带为厚2～8 mm、宽40～120 mm的热轧钢带，各层钢带绕向交错。

(4)每层钢带仅将其两端与顶部法兰或多层球底的35～45°锥面相焊，带间不需焊接，容器全长无贯穿焊缝，更无需厚环焊缝。

(5)绕层外部视容器直径设置厚3～6 mm满焊检漏的保护薄壳。

(6)容器端盖采用扁平抗剪螺钉小顶盖全自紧快速装拆高压密封装置。

扁平绕带式压力容器既能保证最有利的制造工艺条件，又能提高强度，而且失效方式将表现为“只漏抑爆”的安全特性，因此，它是一种结构优良、制造成本低、比已有其他类型压力容器有更高操作安全可靠性，为适应性较强的新型结构压力容器。

1995～1997 年，扁平绕带式压力容器以免于在美国再作任何验证试验的优惠条件，经美国机械工程师学会两轮5个层次数百位专家审查，一致同意正式批准列人美国ASME锅炉压力容器第8篇Divisions 1和2标准。其编号分别为2229和2269，成为唯一来自中国被列入ASME锅炉压力容器标准的重大技术，也是继日本和德国之后的ASME第3项重大外国技术。

该标准明确扁平绕带式压力容器的内径范围为0.3～3.6 m，容器长度由工艺要求决定，容器设计温度决定于材料的许用温度。即允许在世界上推广制造内径达3.6 m，包括尿素合成塔和石油加氢反应器在内的各种高压、低温、高温和耐腐蚀等承压装备。这为扁平绕带式压力容器的应用提供了非常宽广的领域，而且尚可根据应用需要，逐步修改扩充。

2 力学行为研究进展

2.1 静力学

扁平绕带式压力容器在静态压力作用下具有突出的安全性，其使用寿命比一般的同类其它结构如多层包扎式、单层式及瓦片式等都要长。目前许多学者对扁平绕带式压力容器的静态力学性能问题进行了大量的实验研究和理论分析，已取得了许多重要成果。

郑传祥通过对扁平绕带式压力容器的静态液压破裂试验研究和理论分析，指出该种容器的钢带缠绕倾角＜15°时，会有轴向断裂的危险;而＞30°时，则会使容器整体承载能力有所削弱［3］。为保证该容器安全、经济，并考虑到摩擦力的加强作用，钢带的缠绕倾角在15～30°最为合理，当内壳厚度占总壁厚的比例较小时，取较大倾角;反之，则取较小倾角。现在工程上应用的扁平绕带式压力容器的钢带缠绕倾角基本上是按这个原则设计的。

刘小宁应用数理统计方法分析扁平绕带式压力容器模糊静强度［4，5］。探讨了扁平绕带式压力容器静强度概率分布规律与分布参数。经实例计算验证，给出的公式精度较高，得出扁平绕带式压力容器模糊静强度实测值与预测值之比基本符合正态分布的结论，且在爆破与屈服失效准则下，得到随机变量分布参数取值。

郑津洋运用弹性理论，给出了钢带缠绕预拉应力与钢带径向应力、内壳轴向环向预压缩应力的关系式［6］，并引用多次工业规模试验研究时获得的数据，对该关系式进行了验证，表明了环向实测预应力值与理论值吻合较好，而轴向预应力的理论值偏于保守。根据扁平绕带式压力容器内壳和绕带层一起承压的原理以及层间摩擦机理，认为当绕带层随内筒一起膨胀时，绕带层轴向有缩短的趋势，这种缩短的趋势将受到内筒的阻碍;当绕带层随内筒轴向伸长时，绕带层内径有缩小的趋势，由于内筒的阻碍，将引起附加的径向应力，这两种相互影响、相互制约的作用，保证了绕带层可与内筒一起承压，建立了利用带宽方向有效正应力和剪应力的概念来描述层间摩擦力的模型。在此基础上，分别给出了绕带层全部屈服的极限承载压力计算式以及错绕式高压容器的静态爆破压力计算式。实验数据表明，该文提出的层间摩擦力模型是合理可行的。

2.2 动力学

对于动力学特性的研究，由于其结构的复杂性，到目前为止有关动力学性能的研究结果相对较少，但也取得了一些结果。

田锦邦首先通过实验研究比较了相同厚度及长度的扁平绕带式压力容器与整体式圆柱形容器的爆炸加载实验［7］，观察和分析不同钢带缠绕倾角和扁平绕带式压力容器的动力特性以及破坏方式，可知扁平绕带式压力容器能够吸收较多的能量，具有较大的变形能力，其在爆炸冲击载荷作用下具有良好的抗爆特性。作者同时分析“短”扁平绕带式压力容器受径向脉冲内压作用的刚塑性动力响应［8］，给出结构在中载和高载作用下的变形模态，得到了它的极限压力、响应时间和残余位移的表达式。通过算例与整体式压力容器进行分析比较，发现当绕带式压力容器受到较高载荷时，表现出优良的动力学特性，具有很强的自我抑爆抗爆能力。实验研究虽然揭示了一些现象和机理，但是由于实验研究受到场地条件、测试手段以及经费限制等原因，无法得到具有普遍性意义的结果。随后他们通过对其内部爆炸载荷作用下抗爆性能机理的动力学进行数值模拟，解决在理论分析和实验研究中难以克服的问题，根据实验用容器的几何尺寸和材料参数建立有限元模型，应用大型非线性动力分析有限元程序LSDYNA，模拟研究了扁平绕带式压力容器和整体式圆柱压力容器在内部爆炸载荷作用下的动态响应及其抗爆性能，得到了由实验和理论分析无法得到的更加全面的信息［9］。

宋延泽对缠绕角度为20°的多层扁平绕带式压力容器在承受内部中心爆炸冲击载荷下的动力响应进行了数值模拟分析［10］。作为比较，对相同尺寸的单层圆柱爆炸容器也做了响应的模拟。计算结果表明中心爆炸加载下，多层扁平绕带式压力容器的最大变形和最大应力都出现在爆心截面处，并由爆心截面向两端逐渐降低，其变形大于相同尺寸单层圆柱爆炸容器在同一位置的变形;钢带带长方向为拉应变，带宽方向为压应变。

丁伯民等人对扁平绕带式爆破压力试验结果、屈服压力、轴向强度、钢带受力、内筒应力状态等做了较详细说明［11］，由承力面积修正法，在内压作用下，得到内筒的环向应力、轴向应力和径向应力;在钢带缠绕倾角和壁厚比较小时，内筒的轴向应力有可能大于环向应力，应同时校核环向和轴向强度;根据修正的拉美公式，得到了内压引起的带层应力。

2.3 容器失效机制

对于压力容器的失效压力、方式及其安全性也是科研人员和生产使用单位极为关注的问题之一。

钱季平采用Rackwitz－Skov方法结合实例对扁平绕带式压力容器在静态内压下进行了可靠性分析［12］，指出钢带层具有良好的止裂功能:一方面内壳裂纹不可能向外层扩展，另一方面可以阻止钢带本身缺陷的穿层扩展。在静态或准静态的工作条件下，内壳可能因受存在缺陷和环境因素的影响而发生破裂，一旦内壳裂穿，绕带层将担负起报警、止裂和防爆的关键作用。

刘小宁基于信息熵中模糊性度量与随机性度量相等，可实现模糊不确定性等效随机不确定性的原理，把扁平绕带式压力容器的静强度和载荷视为模糊变量，将模糊静强度和模糊载荷等效为随机静强度和随机载荷，讨论了在最苛刻的压力试验条件下模糊静强度的可靠性［13］。

吴元祥应用可靠性设计方法，对压力试验时扁平绕带式压力容器初始静强度的可靠度进行定量分析，得到不同试验时的可靠度［14］。随后应用基于随机模糊概率模型的可靠性设计理论与方法，从控制扁平绕带式压力容器静强度在压力试验和正常操作时模糊可靠度范围的角度，探索其试验压力系数和安全系数。结果表明:基于模糊可靠度分析的抗拉安全系数应≮2.30;屈服安全系数应≮1.45;扁平绕带式压力容器试验压力系数，在气压试验时应≮1.08，但≯1.18，液压试验时应≮1.08，但≯1.33。从控制扁平式绕带式压力容器静强度(屈服强度与爆破强度)在压力试验和正常操作时模糊可靠度范围的角度，对其试验压力系数与安全系数的关系进行了定量的探索分析。

郑津洋则认为这种容器在静态工作压力下的失效方式有下列几种:①内壳发生环向或轴向破坏;②外部钢带断裂;③内壳与钢带绕层同时断裂破坏以及端部斜面焊接破坏导致两端抛飞，并认为轴向破裂失效的危害性最大［15］。进一步分析指出:内壳在静态工作压力下的最终失效方式将表现为“只漏不爆”，从而来得及采取措施，避免发生灾难性爆炸事故;钢带层在工作压力下的最终失效方式有最外层钢带断裂、内部某根钢带断裂和外层钢带因腐蚀或炸弹弹片飞击切入等原因而全部断裂等三种情况。

3 结语

(1)扁平绕带式容器具有结构合理、材质可靠、制造简便、只漏不爆、在线监测方便和适合现场组装等特点，能够满足大型化压力容器的基本要求，对其进行力学行为分析研究，可保证扁平绕带式高压容器在抗爆使用中的安全可靠。

(2)由于对压力容器使用条件越来越苛刻，且其结构复杂，对其动力学性能的分析目前也较少，所以仍是今后研究工作的一个重点。

(3)扁平绕带式压力容器的温度使用限制，特别是温度交变工况的使用等问题有待于进一步解决。

1 朱国辉，郑津洋．新型绕带式压力容器［M］．北京:机械工业出版社，1995．

2 施钢．新一代钢铁材料扁平绕带式压力容器初探［J］．厦门理工学院学报，2006，14(1):1822．

3 郑传祥，朱国辉．扁平绕带式压力容器合理缠绕倾角的研究［J］．化工机械，1996，23(4):18－20．

4 刘小宁．扁平绕带式压力容器模糊静强度的确定［J］．化工设计，2007，17(6):23－26．

5 刘小宁．扁平绕带式容器静强度的概率分布［J］．石油和化工设备，2008(1):9－11．

6 郑津洋，朱国辉，黄载生．扁平绕带容器预应力的研究［J］．石油化工设备，1992，21(1):6－8．

7 田锦邦．扁平绕带式压力容器的抗爆特性实验研究［J］．科技情报开发与经济，2008，18(9):110－111．

8 田锦邦，赵隆茂，郑津洋．扁平绕带式压力容器的刚塑性动力响应分析［J］．应用力学学报，2005，22(3):426－430．

9 田锦邦．扁平绕带式压力容器在爆炸载荷作用下的动力特性研究［D］．博士学位论文，太原理工大学，2007．

10 宋延泽，李志强，赵隆茂．爆炸载荷下扁平绕带式高压容器动力响应的数值模拟［J］．太原理工大学学报，2006，37(2):242－245．

11 丁伯民，黄正林．化工设备设计全书—高压容器［M］．北京:化学工业出版社，2002．

12 钱季平，蒋家羚，孙国有等．扁平绕带容器可靠性初探［J］．机械强度，1990，12(3):7－12．

13 刘小宁，胡成龙，李清．基于信息熵的扁平绕带式压力容器可靠度［J］．石油机械，2008，36(5):23－25．

14 吴元祥，刘小宁．扁平绕带式容器的可靠性研究［J］．武汉工程大学学报，2008，30(2):115－116．

15 郑津洋．扁平绕带式高压容器的失效方式［J］．化工装备技术，1993，14(5):19－22．

Introduce the structural characteristics，the basic characteristics and its development advantage of the flat steel ribbon wound pressure vessel．Discuss the present situation of research on its mechanical characteristics and prospect the application and development．

Research Development of Mechanical Characteristics for Flat Steel Ribbon Wound Pressure Vessel

He Zhiping
(PetroChina Liaohe Engineering Co.，Ltd.，Panjin 124010)

flat steel ribbon wound pressure vesselmechanical characteristicresearch development

*何志萍:经济师。2001年毕业于大庆石油学院机械制造及自动化专业。主要从事仪表、电气设备的技术经济研究及概预算工作。联系电话:(0427)7820988，E－mail:sun9881@vip.sina.com。

(修改回稿2011－07－29)