风洞试验用大型高压气罐的设计

赵文学，王帆，黄卢太，杨益光，刘波

（重庆水泵厂有限责任公司，重庆 400033）

1 大型高压气罐的要求综述

在2019 年初，公司获得一个大型高压气罐（以下简称：气罐）的订单，体积23 m3，设计压力35 MPa，2 台，总体积为46 m3，用于风洞研究。该设备属于用户的关键部件，是研究中的“动力源”设备；设备的使用工况要求高，使用压力32.5 MPa，属于高压设备；设备体积大，质量重，单体设备就多达96 t，制造的难度极大。

2 气罐的工况介绍

风洞实验的主要项目有测力实验、测压实验、传热实验、动态模型实验和流态观测实验；测力和测压实验是测定作用于模型和模型部件的气动力。

该气罐主要是储存足够多的高压气体，在使用时，先通过电动减压阀转为中压空气，储存于中间管路上的中压储气罐，再减压到风洞实验所需要的压力，通过分气缸的多个接管来供气和提供需要的流 量。

高压气罐内部介质是压缩空气，立式安装，室内使用，属于间歇式使用，主要作为压缩空气的储存和缓冲，这个设备是串联在气体管路上，首先压缩机对高压气罐进行充气，当气罐内部压力升到32.5 MPa 时，停止供气；当后边试验时出气口对外输出，同时前边的压缩机还可不停地输入和补充，故这个设备属于储存和缓冲两种功效，单个体积为23 m3，总高度要求10.5 m 以内，正常存储压力为32.5 MPa。高压气罐的主要的设计参数见表1。

表1 高压气罐的设计输入参数Table 1 Design input parameters of high-pressure gas tank

3 气罐总体设计需要考虑的地方

设计上：对用户的设计使用寿命长（20 年）的一些严格要求，一直贯穿整个设计过程，从选材、强度计算、结构设计、制作工艺、吊耳设计、吊装方法、热处理、人孔设计等，把每一步都考虑清楚、周全。设计中主要考虑的位置和结果如表2 所示。

4 气罐总体结构尺寸设计

根据用户的设计要求，按照相关的法规和标准进行设计，设计压力35 MPa，按照专用软件SW6—2011，分别计算出主要受压元件的厚度，设计出来后的主要参数如表3 所示，高压气罐的主要结构尺寸如图1 所示。

表2 设计中主要考虑的位置和结果Table 2 Main positions & consequence considered in design

表3 设计后的主要参数Table 3 Main parameters after design

图1 高压气罐的主要结构尺寸Fig.1 Main structural dimensions of high-pressure gas tank

4.1 气罐的多层筒体与封头的焊接结构设计

筒体部分采用整体多层包扎结构，多层圆筒与封头的连接，见图2。没有深沟环焊缝，环焊缝相互错开，焊接应力分布均匀，总体焊接应力小。每个多层筒节的层板上两侧应加工检漏孔φ6 ～10 mm，即是焊接时的放气孔，同时也是设备使用时信号孔。

图2 高压气罐的层板与封头的焊接结构Fig.2 Welding structure for laminate & dish head of highpressure gas tank

4.2 气罐的人孔与封头的焊接结构设计

采用安放式接管结构[2]，焊接后内孔精加工镗出，可以去除根部的缺陷，保证没有未焊透，结构见图3。特别注意的是，球形封头成形和热处理回厂后，需要对封头这个焊接位置先进行100%的超声检查后再焊接，防止此处的材料分层。

图3 人孔与封头的焊接结构尺寸Fig.3 Dimensional welded structure of manhole & dish head

4.3 人孔盖采用不锈钢堆焊结构的设计

人孔为设备在使用中检修人员进出的通道，也是特种设备在用检查时的检查孔；人孔采用内压式的结构，压力越高，密封越可靠；在人孔盖和人孔内部配合的两处密封面，上下分别堆焊不锈钢，见图4，保证这个大型设备在设计使用寿命20 年中，不会因为主体是碳钢的原因而锈蚀，堆焊处保证精加工后的不锈钢层还有5 mm 的耐蚀层，并且在密封面上还加工了两道0.3 mm 深的水线，来帮助垫片的密封。另外在人孔盖的下边，还设计了一道O 型圈的密封，帮助最初充气低压时的密封。

图4 人孔盖堆焊不锈钢Fig.4 Built-up welding of stainless steel for manhole cover

5 气罐的材料选择和设计

主体材料采用国内最常见的低合金钢Q345R，力学性能好，焊接性好，价格适中，容易采购，综合的性价比高；材料的采购上，主要难点是封头材料的采购，厚度达到了140 mm，需要钢厂的专用定轧板，需要的要求高（热处理状态-正火，逐张进行超声检测，UT-Ⅱ级合格，标准NB/ T 47013.3—2015）。

人孔和接管的锻件选用NB/T 47008—2017 的Ⅲ级锻件；内筒体的材料热处理状态-正火，逐张进行超声检测，UT-Ⅰ级合格。主要的材料要求见表4。

表4 主要材料要求Table 4 Main requirements for material

6 气罐的无损检测设计

该设备的直径大、压力高，焊缝的无损检测能够保证焊缝的内在质量。焊缝有主体的A、B 和gB的对接接头，还有接管与封头的角接焊缝，对于各种焊缝采用不同的无损检测方法[3]，如表5 所示。该设备与常规的高压设备的不同点之处：因为外边有1个长进气管，用户为了现场易于安装，把进气管延伸到下部来，距离地面的高度是1.75 m。因为层板的焊接量大，焊每层时都需要旋转，进气管上边弯头与主体上封头的焊缝需要在最后来焊接和射线检测；则进气管的内部的焊缝可以先进行焊接，进气管的长度长，为φ194×36 mm，因为厚度厚，按照标准需要进行100%的射线检测。

7 气罐的热处理设计

内筒热处理：上封头与人孔焊接，堆焊人孔内密封面的不锈钢后，先做一次去应力热处理，再精加工人孔的密封面尺寸。与下段的筒体和下封头焊接，整体无损检测合格后，内筒和上下封头及裙座短节等组焊的所有焊缝做整体热处理，退火温度为（620±20） ℃。这样比HG 3129—1998《整体多层夹紧式高压容器》和GB/T 150—2011《压力容器》的规定（只是强调对纵焊缝需要热处理）效果还要好，内筒体上的所有的焊缝的焊接残余应力 小。

表5 主要无损检测要求Table 5 Main requirements for non-destructive test

8 气罐的水压试验压力设计

水压试验：为了整体检查设备的内部质量，让多层筒体的应力分布更均匀，需要对设备进行整体水压试验[3]，试验时的温度要求大于5 ℃，无异响、无泄漏、无变形、无压降、保压30 min 以上为合格，重点关注各个焊缝点和人孔内部的密封性。试验的压力按标准和法规要求，为1.25 倍的设计压力，则35×1.25 = 43.75 MPa。

9 气罐的完工交付和运输

这次超重高压气罐的产品，从设计、材料、工艺、焊接、吊转、无损检测、热处理、水压试验等的全过程精心策划下，保质保交期制作完成，实现了顺利交货，现在用户已经管路安装和安全使用。

10 结束语

因为设计初期就对该大型高压气罐的技术规格书进行仔细解读，对使用条件充分了解，对细则的充分考虑，从设备用途和工况，采用先进的整体多层包扎结构，主体材料选用低合金钢Q345R，人孔密封面堆焊不锈钢来提高使用寿命20 年，全部焊缝的无损检测，设备内筒和上下封头一起整体炉内热处理（最大限度的去消除内筒体的焊接残余应力）。从各个结构设计和制作工艺上都综合考虑，故该大型高压气罐的制造和水压试验都一次通过，顺利交付，用户已安全使用，质量可靠，为以后设计制造大型高压设备积累了宝贵的经验。