高壓容器設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)綜述報(bào)告</p><p>　　題 目 DN1000整體多層包扎式高壓容器設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)院名稱 機(jī)械工程學(xué)院 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　職

2、 稱 </p><p>　　班 級(jí) 過控082班 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　學(xué)生姓名

3、 </p><p><b>　　年 月 日</b></p><p>　　1. 本設(shè)計(jì)（課題）研究的目的和意義</p><p>　　高壓容器可廣泛適用于化工、化肥、能源及冶金的高壓容器領(lǐng)域，如軍事工業(yè)中炮筒和核動(dòng)力裝置的應(yīng)用，化學(xué)和石油化工中合成氨、合成甲醇、合成尿素、油類加氫等合成反應(yīng)的高壓緩沖與存儲(chǔ)容器，電力工業(yè)中核反應(yīng)堆與水壓機(jī)的蓄

4、力器等，并且自20世紀(jì)50年代以來，壓力容器出現(xiàn)了大型化、高參數(shù)和選用高強(qiáng)度材料的趨勢(shì)。高壓容器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)發(fā)展的核心問題是：既要隨著生產(chǎn)的發(fā)展能制造出大壁厚的容器，又要設(shè)法盡量減小壁厚以方便制造。</p><p>　　層板包扎式筒體結(jié)構(gòu)是目前世界上使用最廣泛、制造和使用經(jīng)驗(yàn)最為豐富的組合式圓筒結(jié)構(gòu)。多層包扎式圓筒制造工藝簡(jiǎn)單，不需要大型復(fù)雜的加工設(shè)備。該種結(jié)構(gòu)形式的容器具有綜合性能高、安全性高和只漏不爆等特點(diǎn)

5、。近幾年來，我國(guó)在氨合成塔上己經(jīng)開始使用多層包扎式結(jié)構(gòu)，并且由傳統(tǒng)多層包扎結(jié)構(gòu)工藝逐步向液壓多層包扎工藝改進(jìn)。針對(duì)傳統(tǒng)多節(jié)筒體焊接工藝的特點(diǎn)，隨著液壓多層包扎技術(shù)的應(yīng)用，使整體式預(yù)應(yīng)力拉伸工藝技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，如圖1.1所示。該多層包扎式高壓容器是在一整體內(nèi)筒上采用機(jī)械手逐層夾緊包扎層板，且層板縱環(huán)焊接接頭相互錯(cuò)開而成的一種壓力容器。</p><p>　　圖1.1整體式預(yù)應(yīng)力多層包扎式筒體結(jié)構(gòu)</p>

6、<p>　　液壓包扎機(jī)在整體內(nèi)筒上將多層層板錯(cuò)位包扎，液壓夾緊后焊接成型；與傳統(tǒng)高壓容器相比，筒體無深縱、環(huán)焊縫；操作時(shí)預(yù)緊程度高，夾緊力足夠，滿足不同層板壁厚的包扎要求；操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度較高，筒體包扎層間貼合率高。多層包扎式高壓容器由于在制造過程中就產(chǎn)生了一定的預(yù)應(yīng)力，而在投入工作后又與工作壓力進(jìn)行了疊加，各層板間相互抵消，形成自增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2. 本設(shè)計(jì)（課題）國(guó)內(nèi)外研究歷史與

7、現(xiàn)狀（總結(jié)國(guó)內(nèi)外典型的研究成果、專利）</p><p>　　從本世紀(jì)初德國(guó)化學(xué)家，工程師Nemct，Habe等人設(shè)計(jì)、制造了單層能耐壓力的高壓容器以來，高壓容器的設(shè)計(jì)、制造及理論研究已有了很大的進(jìn)展，已由單一鑄造、鍛造、厚板卷焊筒體，發(fā)展到組合式的多層結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)型式有：傳統(tǒng)多層包扎容器(圖1.2)，多層熱套容器(圖1.3)，多層繞板容器(圖1.4)，多層繞帶容器(包括型槽鋼帶和扁平鋼帶)(圖1.5)，多層螺

8、旋繞板容器(圖1.6)和新型整體多層包扎容器(圖1.7)等等結(jié)構(gòu)。他們主要解決了厚壁、超厚壁高壓、超高壓的制造。</p><p>　　圖1.2傳統(tǒng)多層包扎容器 圖1.3多層熱套容器</p><p>　　圖1.4多層繞板容器</p><p>　　圖1.5多層繞帶容器</p><p>　　圖1.6多層螺旋繞板容器</

9、p><p>　　圖1.7整體多層包扎容器</p><p><b>　　國(guó)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　1931年美國(guó)A·O·Smith公司提出了用鋼絲繩包扎層板筒節(jié)的多層結(jié)構(gòu)，在這基礎(chǔ)之上又發(fā)展出多層熱套，多層繞板式等結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)型式雖然解決了厚壁制造的問題，但其共同的缺點(diǎn)都是存在筒節(jié)組焊的深厚環(huán)焊縫。它不但焊接工作

10、量大、檢驗(yàn)困難，而且質(zhì)量難以保證，有人計(jì)算過，焊接這些焊縫的工作量占全部產(chǎn)品制造工作量的60%。因此，深厚環(huán)焊縫是這些結(jié)構(gòu)型式中存在的隱患、致命的弱點(diǎn)。70年代末期，聯(lián)邦德國(guó)Krupp公司研制了整體多層包扎式高壓容器，它是對(duì)美國(guó)smith公司多層包扎容器的一個(gè)改進(jìn)。這一技術(shù)首先在聯(lián)邦德國(guó)獲得專利，并于 1979年在英國(guó)獲得專利，1981年又在美國(guó)獲得專利。該結(jié)構(gòu)最主要的特點(diǎn)是:利用液壓鉗（圖1）(機(jī)械手)，在一內(nèi)管或內(nèi)筒上將層板逐層包上

11、，縱、環(huán)焊縫錯(cuò)開。該結(jié)構(gòu)型式制造工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量易保證，制造設(shè)備與前述結(jié)構(gòu)相比要簡(jiǎn)單得多，而且適用于現(xiàn)場(chǎng)組裝，特別對(duì)不便于運(yùn)輸?shù)拇笮腿萜鞲鼮橛欣?lt;/p><p><b>　　圖1 液壓鉗機(jī)械手</b></p><p>　　該高壓容器的結(jié)構(gòu)形式引起了國(guó)內(nèi)外專家的高度重視。但是，Krupp公司采用整體多層夾緊式結(jié)構(gòu)制造了工作溫度可達(dá)500℃的加氫反應(yīng)器。對(duì)于層間間隙的控制

12、，ASM規(guī)范認(rèn)為間隙小于0.25mm對(duì)筒體強(qiáng)度影響不大，可忽略不計(jì)，國(guó)內(nèi)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)層板端部層間間隙及層板允許松動(dòng)面積做了較為具體的規(guī)定。對(duì)間隙控制越嚴(yán)格，層板扎緊工藝越復(fù)雜。在保證容器強(qiáng)度不受影響的前提下，適當(dāng)降低對(duì)間隙的控制標(biāo)準(zhǔn)可簡(jiǎn)化制造工藝，提高生產(chǎn)效率。</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　我國(guó)浙江大學(xué)朱國(guó)輝教授于1964

13、年提出用傾角錯(cuò)繞代替槽扣合，用扁平鋼帶代替型槽鋼帶。于1965年分別在南京第二化機(jī)廠和杭州鍋爐廠研制成功。我國(guó)長(zhǎng)沙化工機(jī)械廠與華南理工大學(xué)自1984年開始研制該結(jié)構(gòu)形式的高壓容器，并于1990年試制成功整體多層夾緊式高壓容器。1998年化工部頒布了整體多層夾緊式高壓容器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了整體多層夾緊式高壓容器適用的設(shè)計(jì)壓力不大于35MPa，設(shè)計(jì)溫度為-20~350ºC。</p><p>　　整體多

14、層包扎式高壓容器的優(yōu)越性近年來得到廣泛認(rèn)可，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，如低溫的氨分離器及中溫(200℃)的尿素合成塔。自貢大業(yè)高壓容器有限責(zé)任公司、安徽六方深冷股份有限公司、長(zhǎng)沙威重化工機(jī)械有限公司、云南大為化工裝備制造有限公司等根據(jù)HG3129-1998研制出整體多層夾緊式高壓容器，華南理工大學(xué)陳國(guó)理教授帶領(lǐng)的高壓容器課題組做了一些理論研究。</p><p>　　整體多層包扎式是一種錯(cuò)開環(huán)焊縫和采用液壓鉗逐層包扎的圓筒

15、結(jié)構(gòu)，它首先將內(nèi)筒拼接到所需的長(zhǎng)度，兩端焊上法蘭、封頭，然后在整個(gè)長(zhǎng)度上逐層包扎層板，待全長(zhǎng)度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二層，直至所需厚度。這種方法包扎時(shí)各層的環(huán)焊縫可以相互錯(cuò)開，另外，每層層板的縱焊縫也錯(cuò)開一個(gè)較大角度（45度），使整個(gè)圓筒上避免出現(xiàn)深環(huán)焊縫，圓筒與封頭或法蘭間的環(huán)焊縫改為一定斜度的斜面焊縫，承載面積增大，具有高的可靠性。制造設(shè)備較筒單，材料的選用有較大的靈活性。這種結(jié)構(gòu)即使在某一層鋼板中出現(xiàn)裂縫，裂縫也只能在該層層

16、板中擴(kuò)展，不會(huì)擴(kuò)展到其他層板上，安全性高，它的缺點(diǎn)是生產(chǎn)工序多、勞動(dòng)生產(chǎn)率低。</p><p>　　因此，整體層板包扎式具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）各層層板的縱焊縫相互錯(cuò)開，故沒有深環(huán)焊縫，避免了大厚度的焊接，檢測(cè)和熱處理；（2）該徑向包扎為切向夾緊，使層板的緊系更小，并利用層板間的摩擦力的特性，可降低對(duì)層板焊縫的要求，又提高了容器的安全裕度；3)具有只漏不爆的特點(diǎn)，有更可靠的安全性；（4）材料的利用率高，選材面廣，同類

17、產(chǎn)品質(zhì)量最輕，制造成本低；（5）制造工藝先進(jìn)，機(jī)械化程度高，層板夾緊裝置操作靈活，夾緊力可控，尤其對(duì)大直徑超長(zhǎng)設(shè)備可做現(xiàn)場(chǎng)制作，解決了大型設(shè)備的運(yùn)輸困難的問題。</p><p>　　總的來說，無深環(huán)焊縫層板包扎式高壓容器具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，制造工藝先進(jìn)，材料利用率高，安全可靠等特點(diǎn)，是目前國(guó)際上一種先進(jìn)的主流結(jié)構(gòu)形式。</p><p>　　3. 目前存在的主要問題</p>&l

18、t;p>　　隨著整體多層夾緊式高壓容器應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，出現(xiàn)了許多新的課題，需要進(jìn)一步加強(qiáng)理論研究工作，本文正是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的進(jìn)一步深入研究。</p><p>　　一些關(guān)鍵問題，如生產(chǎn)工序多、勞動(dòng)生產(chǎn)率低，多層鋼板包扎緊度技術(shù)、多層包扎殼體與封頭(端部)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、每層鋼板縱向焊縫錯(cuò)位技術(shù)、無深環(huán)焊縫焊接技術(shù)和熱處理技術(shù)等等，需要進(jìn)一步研究，讓這些關(guān)鍵技術(shù)更成熟</p><p>　

19、　4. 本設(shè)計(jì)（課題）擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法</p><p>　　針對(duì)生產(chǎn)工序多、勞動(dòng)生產(chǎn)率低的問題，可以在保證容器強(qiáng)度不受影響的前提下，適當(dāng)降低對(duì)層板間間隙和層板允許松動(dòng)面積的控制標(biāo)準(zhǔn)可簡(jiǎn)化制造工藝，提高生產(chǎn)效率。</p><p>　　針對(duì)課題需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，如多層鋼板包扎緊度技術(shù)、多層包扎殼體與封頭(端部)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、每層鋼板縱向焊縫錯(cuò)位技術(shù)、無深環(huán)焊縫焊接技術(shù)和熱處理技術(shù)等

20、。為此，我查閱了大量資料，較全面的了解了現(xiàn)在制造高壓容器的技術(shù)，然后根據(jù)這些資料制定出一套較好的結(jié)構(gòu)方案和制造工藝，來完成這個(gè)課題的設(shè)計(jì)。</p><p>　　第一層層板縱縫、 環(huán)縫對(duì)接時(shí)會(huì)對(duì)內(nèi)筒造成熱影響 ,為了消除由于焊接對(duì)內(nèi)筒的熱影響 ,采用內(nèi)筒與第一層層板之間加盲層的方法。</p><p>　　層板與鍛件端部的連接處 。如下圖2所示，采用堆焊過渡層并預(yù)先熱處理的方法后很好地解決焊后

21、需要進(jìn)行熱處理的問題。這種方法在帶有深環(huán)焊縫多層包扎結(jié)構(gòu)中普遍采用 ,在 ASME及其它國(guó)外規(guī)范中也是允許使用的安全可靠的方法。筒體與封頭的連接也采用臺(tái)階結(jié)構(gòu)，如圖3所示，封頭與層板的連接處進(jìn)行堆焊，其目的是層板與封頭間的焊縫免做焊后熱處理。</p><p>　　圖2 筒體與端部連接結(jié)構(gòu) 圖3 筒體與封頭連接結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　文獻(xiàn)綜述</

22、b></p><p>　　楊俊嶺，趙斌義在《大氮肥》上發(fā)表的《多層包扎壓力容器設(shè)計(jì)探討》，其主要對(duì)多層包扎壓力容器的殼體設(shè)計(jì)、開孔設(shè)計(jì)、殼體與封頭的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與吊耳的設(shè)計(jì)等進(jìn)行了分析和探討，指出了加工制作及安裝時(shí)須注意的問題。整體多層包扎容器具有安全可靠、制造成本低、運(yùn)行過程檢驗(yàn)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，地國(guó)內(nèi)大型高參數(shù)化的壓力容器得到了較為廣泛的應(yīng)用。文章對(duì)于本次的設(shè)計(jì)內(nèi)容有一定參考意義，對(duì)設(shè)計(jì)思路大

23、有幫助。</p><p>　　王明峰、趙斌義《大氮肥》期刊上的一篇《大型氨合成塔壓力外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化》的文章，其中對(duì)筒體、封頭、端蓋、密封形式等進(jìn)行了詳細(xì)的講述，重點(diǎn)介紹了無深環(huán)焊縫多層包扎筒體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。筒體結(jié)構(gòu)一般有 4 種形式可供選擇:（1）鍛焊式 ,即可由數(shù)個(gè)鍛制筒節(jié)組焊制成 ,其結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是無縱縫 ,缺點(diǎn)是有深環(huán)焊縫 ,成本高 ,筒體厚度大 ,20世紀(jì)70年代以前使用較多; （2）單層板卷焊式 ,即由厚板

24、卷制而成 ,其結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是制造工期短 ,缺點(diǎn)是帶有深縱、 環(huán)焊縫。由于大型氨合成塔的筒體厚度一般很厚 ,國(guó)內(nèi)會(huì)受到卷板機(jī)能力制約 ,國(guó)外機(jī)加工能力強(qiáng)而多采用此種結(jié)構(gòu)形式; （3）帶有深環(huán)焊縫的多層包扎式 ,即由多個(gè)多層包扎的筒節(jié)組焊而成。內(nèi)筒材料選用 Cr2Mo 鋼 ,層板材料用高強(qiáng)度低合金鋼 ,可以做到筒體厚度較小 ,與鍛焊式、 單層板卷焊式相比厚度減小約 20mm。其結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是帶有深環(huán)焊縫 ,加工周期較長(zhǎng)。20世紀(jì)80年代以來國(guó)內(nèi)氨合

25、成塔外殼普遍采用該結(jié)構(gòu)形式; （4） 無深環(huán)焊縫多層包扎式 ,即內(nèi)筒先與上端部及下部過渡件、 下部封頭等件組焊 ,并熱處理后使用特殊工具將預(yù)制好的開口筒節(jié)一層層包扎上去 ,最</p><p>　　趙斌義發(fā)表在《石油化工設(shè)備技術(shù)》上的文章《無深環(huán)焊縫多層包扎容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)》。對(duì)有深環(huán)焊縫和無深環(huán)焊縫進(jìn)行了對(duì)比，有深環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)如下圖</p><p>　　這種結(jié)構(gòu)存在如下缺點(diǎn)</p>

26、<p>　　筒節(jié)與筒節(jié)、筒節(jié)與封頭相接的深環(huán)焊縫不進(jìn)行熱處理。雖然焊縫的總厚度均超過規(guī)范規(guī)定，需要進(jìn)行焊后熱處理，但由于條件所限及結(jié)構(gòu)原因，在實(shí)際生產(chǎn)中均不進(jìn)行焊后熱處理。理由是：每層層板是厚度較小，無需熱處理，另外，熱處理會(huì)消除層板包扎預(yù)緊力；鍛件或者厚板封頭焊縫坡口表面堆焊了一層3mm的堆焊層，堆焊后進(jìn)行熱處理，因此與多層筒節(jié)焊接后可不進(jìn)行熱處理；深環(huán)焊縫的焊接普遍采用多焊道，每到焊層厚度不超過10mm，而且采用焊前預(yù)

27、熱，因此認(rèn)為下一道焊縫接已對(duì)上一道焊縫接金屬起到了一定的熱處理作用。</p><p>　　深環(huán)焊縫的無損檢測(cè)困難。</p><p>　　通過對(duì)比有深環(huán)焊縫和無深環(huán)焊縫的一些特點(diǎn)可以知道無深環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)的多層包扎容器更加安全可靠。為本次課題設(shè)計(jì)提供了充足的理論依據(jù)和選擇理由。</p><p>　　6. 參考文獻(xiàn)（參考文獻(xiàn)須15篇以上，其中外文文獻(xiàn)不少于3篇）</p

28、><p>　　[1] GB150—1998《鋼制壓力容器》</p><p>　　[2] HG3129-1998《整體多層夾緊式高壓容器》</p><p>　　[3]　趙斌義.《無深環(huán)焊縫多層包扎容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn).》石油化工設(shè)備技術(shù),2008 ,29(2)</p><p>　　[4]　朱孝欽,吳京生,陳國(guó)理.《整體多層夾緊式高壓容器研制及應(yīng)用》