厚壁复合板压力容器的设计及制造

王 林

（广州广重企业集团有限公司，广东广州 511400）

0 引言

汽水分离器是海上采油平台油气处理系统中的关键设备，也是采油平台的基本配置，国内国外都有设计制造。本文中的汽水分离器，设计参数以及材料与以往都不同，具备设计压力高、材料特殊的特点，制造难度非常大。以下就某厂为海上采油平台设计、制造高压低温分离器的要点作一介绍。

1 设备介绍

高压低温分离器主要设计参数见表1，其结构示意图见图1。

表1 设计参数

图1 结构示意图

本设备属于III类高压低温复合板容器[1]，且按标准要求焊后进行整体热处理。其设计、制造重点如下：

（1）主体材料为不锈钢复合板结构，焊接接头坡口型式的设计；

（2）小管径厚壁补强碳钢管内衬不锈钢管材的结构设计及制造；

（3）基层材料属于低温钢，且厚度厚度较大（整体厚度达到90 mm），制造过程中的母材及焊缝质量难以保证，且成形组装过程中的错边量控制难度较大。

2 结构设计及制造

2.1 球形封头设计

压力容器中，球形封头与其他形式的封头相比，球形封头的受力最好，各向薄膜应力相等，在相同直径和压力下所需厚度最小，最节省材料，因而在压力较高的容器中常常使用球形封头。在实际应用中，比较球形封头和圆筒的计算公式可知，球形封头的计算厚度只有筒体壁厚的一半，即使加上工艺增厚，封头的厚度也要小于筒体壁厚很多。厚度计算公式[2]：

式中：δ—圆筒或封头的计算厚度；

Pc—计算压力；

[σ]t—设计温度下圆筒或封头的材料的许用应力；

φ—焊接接头系数。

由于壁厚的差异，筒体与球形封头的连接不可能实现直接对接，但是还要保证筒体与球壳连接的结构连续性。如果直接将筒体切削，则削弱部分筒体的厚度不满足设计要求，将会导致容器失效，如何保证封头和筒体连接处的强度问题成为高压容器设计为球形封头结构的关键。在连接处将半球形封头设计为缺少H长度的非完整半球形结构，将筒体端部H长度范围作为球形半球形封头缺少的端部考虑，参与球形封头的强度计算，将筒体端部H范围作为筒体与球形封头的过渡段，将筒体端部H范围内削边后与封头对接连接，可以作为是对封头端部加强处理，即可满足强度要求，又实现了封头与筒体的结构连续性[3]。见封头筒体连接结构图（图2）。

图2 封头与筒体连接结构图

2.2 筒体纵、环向对接焊接接头的设计及制造

由于设备为高压低温的操作工况，使用条件苛刻，而且封头、筒体材料为厚壁不锈钢复合板，设计时既要考虑避免焊接时产生较大的应力集中，同时还要考虑不锈钢复合层的耐腐蚀性能。为尽量避免产生较大的焊接应力，经过焊接试验评定确定合适的焊接工艺参数，并且将筒体材料的基层纵、环向焊接接头设计为双U型坡口，见筒体纵环向对接接头图（图3）。焊接时，先焊接基层内侧，清根后再焊接外侧，保证焊缝的致密性和全焊透，最后对基层内侧的焊缝打磨平滑，对基层内侧待堆焊面进行磁粉探伤检测，确认待堆焊表面无任何缺陷，在按过渡层和复层选用不同的焊材堆焊内壁不锈钢部分，以保证壳体焊缝内壁的耐腐蚀性能[4]。

图3 筒体纵环向对接接头图

2.3 壳体开孔处接管与壳体焊接接头设计及制造

压力容器的开孔补强型式有补强圈补强和整体补强等，补强圈补强仅用于壳体厚度小于等于38 mm的设备，因此在这类厚壁容器中，一般采用整体补强结构，用全截面焊透的结构型式将厚壁管或者整体补强锻件与壳体焊接。整体补强结构图见图4。

图4 整体补强结构图

在本低温设备中，对于公称直径大于DN80mm的接管，接管锻件基层材料选用09MnNiDIII和接管内壁堆焊不锈钢焊材组成。连接形式如采用常规的整体厚壁管插入式接管结构，接管与壳体连接处结构形状不连续，很容易引起焊后开孔边缘局部应力集中，容器使用期间，在接管开孔附近发生断裂失效。为了降低开孔处的应力水平，同时为了减少制造加工困难，将大于DN80mm的接管与壳体连接结构，设计为如图4所示嵌入式连接结构，将接管锻件与壳体连接处加工至圆滑过渡，凸缘对接连接处仅加工壳体部分的坡口即可，并对接管内径边缘处倒圆处理，在结构上大大降低接管开孔处的应力水平。在焊接时，先焊内侧基层部分，背部清根后焊外侧，最后对基层内侧的焊缝打磨平滑，对基层内侧待堆焊面进行磁粉探伤检测，确认待堆焊表面无任何缺陷，在按过渡层和复层选用不同的焊材堆焊内壁不锈钢部分，以保证壳体焊缝内壁的耐腐蚀性能。焊接需要注意进行焊前预热，焊中保持层间温度，焊后热处理等措施。通过以上结构和制造工艺措施，大大降低接管开孔处的应力集中及焊接残余应力[5]。

DN＜80 mm 的接管锻件接管锻件基层材料选用09MnNiDIII和接管内衬不锈钢管材的形式，与筒体的连接形式设计见安放式结构图（图5）。采用安放式结构时对壳体要求开孔处的钢板截面上应无夹层现象，要做到这一点需要在开孔直径两倍的范围内做超声检测（UT）。因为安放式接管焊在钢板的表面，任何接管在内压作用下都承受一个轴向力。如果下面有分层，轴向力作用以后钢板会发生撕裂。撕裂以后钢板的厚度不是原来的厚度，厚度减薄强度就满足不了要求。制造时，筒体或封头预留加工余量5 mm开孔，接管锻件与设备的安放式结构按图5校装、焊接，焊前预热，焊后按图精加工管口最终内径，清除了焊缝根部缺陷以及未焊透部分，确保根部焊缝无缺陷。设备整体热处理时应保护好管口内壁，防止内壁氧化和变形，待设备整体热处理后，按衬管焊接结构（图6）进行衬管工序，将不锈钢衬管外径加工与接管锻件的内孔直径过盈配合，以使其与接管锻件冷套后的内孔壁充分贴合，衬管采用冷套工艺，冷冻介质为液氮。冷套前不锈钢衬管应完全浸入液氮，液氮不足时应及时补充，待液氮平稳后方可取出进行冷套。

图5 安放式结构图

图6 衬管焊接结构

3 封头、筒体成形组装工艺

本设备材料为不锈钢复合板，而且壁厚较厚，因此筒体卷制以及封头成形难度较大。封头采用热冲压成形，冲压成形后，超声波复验封头复合板基层与复层的贴合率是否符合要求，并进行正火+回火热处理恢复材料热处理状态。复合板组装时，错边量的控制相对板材组装要求更为严格，封头冲压成形后，难以达到图纸要求的内径尺寸，必然存在一定的偏差。为保证封头与筒体组装的错边量，采取先将封头冲压成形，实测封头内径尺寸，根据成形后的封头实际内径尺寸对筒体展开下料，并根据实测的封头对接处尺寸实配加工筒体坡口，保证了封头与筒体对接处错边量的控制[6]。

4 热处理

容器焊后进行最终整体消除应力热处理，热处理曲线示意图（图7）。

图7 热处理曲线示意图

5 焊后检测

5.1 无损检测

（1）热处理前所有A、B类焊缝100%RT检测，技术等级AB级，Ⅱ级合格，100%UT复验，技术等级B级，Ⅰ级合格，并且焊缝基层外表面100%MT，Ⅰ级合格，复层内表面100%PT，Ⅰ级合格[7]。

（2）热处理及水压试验后A、B、D类焊接接头100%UT复验，技术等级B级，Ⅰ级合格，A、B、D、E类焊接接头的外表面进行100%MT检测，Ⅰ级合格；设备内内表面的焊接接头进行100%PT检测，Ⅰ级合格。

5.2 水压试验

试验时要求水温不低于15℃，水中氯离子含量不超过25 mg/L。

5.3 试件性能检验

封头的成形过程中经历热处理过程与筒体不同，封头的母材试板、封头的焊接试板代表封头的最终性能状态，分别制备封头母材及焊接试板、筒体焊接试板送检力学性能，经检验结果表明[8]，以上试板均符合要求。

6 结论

（1）厚壁复合板容器对接坡口设计为基层双”U”型坡口，复层堆焊的结构型式，采取可靠的焊接工艺和检测方法，解决了厚壁复合板的焊接难题，保证了焊接质量，对接焊缝按NB/T47013进行RT及UT检测合格。

（2）小管径厚壁补强碳钢管内衬不锈钢管材的结构，采用冷套工艺技术解决套入难题。免除了小直径接管内壁堆焊工序，解决了堆焊后小接管内壁复层表面堆焊层无法检测的技术难题。大接管与壳体的连接形式设计为嵌入式结构，降低了连接处的应力水平，并且保证了该处焊缝的质量，从实际使用情况得到了验证，所有冷套衬管处没有发现离层现象，并且耐腐蚀性能良好。

（3）封头与筒体的制定合理的制造工艺措施，保证封头与筒体对接组装的尺寸精度要求，对接处错边量检测偏差在1 mm以内，符合标准规范要求。

通过以上方法在厚壁低温容器的设计制造中，针对原材料、结构设计、无损检测、性能检测等方面提出的特殊要求，降低了制造难度，保证了设备质量，解决了厚壁复合板压力容器的设计、制造难题，目前已在笔者公司大力推广进行设计、制造，已完工的设备运行良好。

参考文献：

［1］TSG1-2016.固定式压力容器安全技术监察规程［S］.

［2］GB150.1～150.4-2011.压力容器［S］.

［3］朱秋尔.高压容器［M］.上海科学技术出版社，1986.

［4］李娟娟，张先龙.低合金耐热钢复合板筒体制造［J］.压力容器，2010，27（2）：56-58.

［5］齐淑改.厚壁复合钢板塔式容器的制造［J］.压力容器，2010，18（3）：54-57.

［6］曹洪飚.浅谈封头制作工艺及设备［J］.化工设备与管道，2011，48（5）：10-13.

［7］NB/T47013-2015.承压设备无损检测［S］.

［8］GB/T229-2007.金属材料夏比摆锤式冲击试验方法［S］.