多层包扎压力容器设计分析

徐林　迟明高

摘 要：我国工业化进程不断深入，对压力容器需求日益提升。本文就多层包扎压力容器设计展开分析，对其壳体、开孔、壳体与封头连部位、支撑结构、吊耳等部位展开研究，提出这些部位在设计及加工中需注意问题，为后续相关容器设计奠定基础。

关键词：多层包扎；压力容器；设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.026

随着我国工业不断发展，压力容器逐渐呈现大型化、高参数化，当前压力容器已经发展出单层、多层不同结构。多层包扎容器不仅具备较高原材利用率，且具有较高安全性。上世纪70年代后期国内外均发生多层包扎容器安全事故，因此其设计及制造过程受到重视，本文就该类多层包扎压力容器设计展开分析。

1 多层包扎容器壳体设计

1.1 壳体内筒及层板厚度的确定与选择

結合国内在设计多层包扎容器相关标准，采用碳钢或低合金钢作为壳体材料时，其厚度一般设置为24mm，选用不锈钢材料或其他有色金属作为壳体材料时其厚度依据实际情况而定，原则上不得低于8mm。若壳体厚度较厚则会给制造及探伤控制、焊接工艺等造成不良影响。若厚度不足则会造成壳体刚性不足，易出现安全问题。层板一般选用厚度在8-20mm范围内的钢板。

1.2 壳体设计

壳体内筒采用钢板进行卷制，并结合无损检测技术及力学检验技术检验其结构性能及力学性能。焊接完成后检验合格需对其进行消应力热处理。钢板可采用拼接方式，但焊缝不得超过2条。焊接时层板环纵焊缝需错开，相邻焊缝间距不可小于100mm，错开角度450以上。层报包扎与内筒在进行焊接可能对内筒结构造成影响，则需在层板与内筒间设置盲板层。单个层板上至少设置2个φ6mm通气孔。若容器需用于盛装腐蚀性液体则需设置检漏系统。为有效控制层板层间间隙及松动面积，在进行容器实际制造中用过采用相对较大的包扎力，并针对性使用提高水压试验的压力值降低不良情况的出现。

2 多层包扎壳体开孔的设计

进行多层包扎壳体设计过程中原则上应尽量减少开孔数，尤其是大孔径孔开设应尽量杜绝。对于必须要进行开孔的部分应将其几种开设在上下封头处或法兰处。进行壳体开孔时避免在同一层板上开设超过2个以上的孔数，并采用锻管整体补强结构进行补强。对直径不超过50mm的接管孔，在设计中应采用内筒与层板直接焊接方式。对直径不超过50mm的接管孔采用内筒与层板分层焊接方式。

3 壳体与封头（端部）连接结构设计

本文设计的多层包扎压力容器虽然采用多层结构，但其结构上下端部位为单层球形结构或者法兰结构，由此可见其多层筒体及两端部分为整个结构的薄弱环节，因此在设计中应该重点考虑此薄弱环节。当前相关标准中对多层包扎压力容器壳体封头与连接部分推荐方式主要有2种。一种方式是具有深环焊缝直接相焊结构，另一种是具有阶梯焊结构。除此之外还具有一些设备配套结构采用斜向结构。在设计中通过应力分析和实践发现阶梯焊结构是设计多层包扎压力容器壳体与封头部分最佳方法（见图1）。从图1可知该种结构不存在深环焊缝，且该结构需要保证层板与内筒、层板与内筒焊缝相互错开，以此降低该结构在焊接过程中产生缺陷的可能性。及时在焊接过程中出现不良缺陷，也会将裂纹控制在一定区域，裂纹不会另一部扩展，对沿壁厚方向不造成影响，此结构中下层层板会对其上层层板或内筒等裂纹有止裂作用。对结构进行应力作用分析，发现该种结构具有较强抗疲劳特性。当结构内筒因为环境因素导致出现裂纹等缺陷时，结构盛装高压介质便会沿着层板检漏系统外漏，是一种安全防护措施，设备不会出现爆炸等不良情况，且会提醒管理人员及时对结构进行修复。该结构在设计过程中利用只检漏不爆炸设计方式，从根本上提升结构安全性能。

壳体与封头（端部）连接结构设计过程中需要对层板与上下封头部分进行焊接后热处理，在设计中通常在多层包扎压力容器部分通过堆焊过渡金属方式，例如通过堆焊INCONEL合金方式，使得结构层板通过INCONEL合金展开焊接，且使用该种方式无需在焊接过后对层板与上下封头部分进行焊接后热处理，由此可见通过该种方式可有效解决热处理工艺难题。

多层包扎压力容器设计过程中其封头部位一般采用球形封头，其厚度约为多层包扎压力容器筒体厚度的一半。为降低多层包扎压力容器筒体结构与球形封头受到的应力作用，同时满足其球形封头处阶梯焊缝布置满足实际要求，在确定封头实际尺寸后应对其进行一定程度加厚。

4 支撑结构和吊耳的设计

多层包扎压力容器重量较大，其内部结构层数较多，在进行其支撑部位以及吊耳附件结构设计过程中应过分注重其支座型式。在ASME以及GB150中推荐出一般支座型式，但在实际设计中一些多层包扎压力容器为立式结构，因此支撑件不适合设置与外侧层板，除非可采取有效措施将其负荷传递至其他部位。根据ASME规定进行多层包扎压力容器设计时其支撑形式宜选用裙座或环形支座，使得受力点位于单层结构封头处。基于现场设备布置要求，多层包扎压力容器一般支撑在壳体上时，一般将相关结构设置成倒挂式耳座结构。且容器吊耳结构不宜设置在外部层板，最佳部位是上部封头处，当上部具有较大开孔则利用专用吊盖进行吊装。

5 结束语

多层包扎压力容器具有较强安全性和可靠性，容器在工作过程中维护费用低，当前已经在国内大多数压力容器中得到广泛使用。实际设计过程中应该对其各个部分进行科学设计，结合实际需求在设计中对各个部分进行优化处理，在保证安全性基础上提升其结构性能。

参考文献：

[1]陈建存.多层包扎式高压容器的爆炸事故[J].化工设备与管道，2012（06）.

作者简介：徐林（1985-），男，山东安丘人，助理工程师，主要从事压力容器的设计及制造技术工作。