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高压筒体结构及特点

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　　筒体结构设计

　　高压筒体一般具有较大的壁厚，因而出现了许多筒体结构形式。筒体的组成结构可分为单层式和组合式两类。由于制造形式的不同，单层式筒体中有整体锻造式、锻焊式、铸-锻-焊式，单层卷焊式，电渣重焊式等。组合式筒体还可分为多层式和缠绕式两种。多层式筒体包括多层包扎式、多层螺旋包扎式、多层热套式。而多层卷焊式就其以缠绕方法构成筒体而言可作为缠绕式筒体，但其他特点则接近于多层式容器。缠绕式容器，包括以各种形状的钢材连续缠绕的筒体。

　　设计选择筒体结构，既要考虑其安全性亦要考虑它的经济性。一般地说，筒体的安全性与使用材料的可靠性、制造工艺的成熟性、焊接技术、热处理、检验方法、筒体的破坏特性密切相关，而筒体结构的经济性更与制造方法、总的材料利用率、生产效率、原材料的供应等有关。因此设计选用筒体结构时，应对各种筒体结构的特点有所了解，然后根据容器的工作条件进行合理选择，以保证操作安全、技术先进、经济合理。

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　　筒体类型的选用及特点

　　筒体包括单层圆筒和多层圆筒两种基本类型，具体介绍如下：

　　单层圆筒包括以下几种形式。

　　（1）锻造式：整个筒体没有焊缝，如果筒身要求很长，则采用法兰连接。

　　由于受到锻造能力以及钢锭重量的限制，整体锻造容器一般为内径1.5m以下，随着焊接水平的发展，出现了将若干锻造筒节焊接起来的锻-焊式容器 。

　　（2）单层卷焊式：单层卷焊式高压容器是制造和使用较多的一种容器结构，用单层卷板制造高压容器是最简单的一种方法。单层卷焊式容器有以下一些优点：

　　结构成熟，理论较完善。

　　制造工艺简单，生产效率高。

　　可以利用调制等热处理方法，提高材料性能。

　　开孔及内件的装设容易处理。

　　零件少，生产及管理方便。

　　但是单层卷焊式容器缺点也是突出的。首先是厚板的性能总没有薄板好。厚度的方向性能差异大。在压延方向和垂直方向上的延性和韧性都存在着相当大的差值，板厚方向的性能更差。由于偏析、夹杂物含量、分布及其形状的影响，或表面和内部淬火的效果不同等，加上断面内部材质的不均一致，成为焊接剥离裂纹的原因。

　　另外，厚板的转变温度较高，脆性破坏的可能性加大，而有时单层结构，一旦发生事故，可能导致重大损失。

　　（3）电渣重熔式： 电渣焊成型或电渣重熔式的高压换热器的主要特点是，整个高压容器筒壁是借助连续不断的对焊熔化的金属构成的，熔化的金属形成一连续的螺圈条，相邻两个螺圈连接，新堆焊的金属和前一圈易固化的金属接触时，立即被强制冷却，使之固化。此螺圈不断形成，直到所需要的筒体长度为止。在堆焊时，螺圈的内外表面不断进行机械加工，已得到所需要的内径及外径尺寸。

　　这种容器有下列优点：

　　操作工程自动化水平较高。

　　操作方法简单，制作集中在一台专用的电渣焊机上操作。

　　工时消耗少，造价低。

　　壁厚内各部分材质比较均匀，无夹渣与分层等缺陷。

　　但是，这种容器目前尚未有大量生产和应用。

　　多层筒体结构包括两种基本形式，多层包扎式和多层卷板式。本文主要讨论多层包扎式的特点。

　　多层包扎式有如下特点：

　　这是目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式圆筒结构。筒节由厚度为12~25mm的内筒和厚度为4~12mm的多层层板两部分组成，筒节通过深环焊接组焊成完整的圆筒，为了避免裂纹现象向厚度方向扩展，各层板之间的纵焊缝应相互错开75°。筒节的长度视钢板的宽度而定，层数则随所需的厚度而定。制造时，通过专用装置将层板逐层、同心的包扎在内筒上，并借纵焊缝的焊接收缩力使层板和内筒、层板与层板之间互相贴紧，产生一定的预紧力。每个筒节上均有安全孔，这种小孔可使层间空隙中的气体在工作是因温度升高而排出；当内筒出现泄漏时，泄漏介质可通过小孔排出，起到报警作用。多层包扎式圆筒旨在工艺简单，不需要大型复杂的加工设备；与单层式圆筒相比安全可靠，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力，减少了脆性破坏的可能性，同时包扎预紧力可有效改善圆筒的应力分布；对介质适应性强，可根据介质的特性选择合适的内筒材料。

　　多层包扎式容器使用的是薄板或中厚板（内筒为12～25mm，层板为6～12mm），因此各层板的材质、强度等都是均匀的。

　　（1）制造、焊接

　　由于多层容器是用薄板层层相迭使其具有所需的壁厚的，所以其制造过程所需的仅是专用拉紧包扎装置。这种装置的优点是自动化程度较高，并易于包紧。多层环焊缝较容易出现的焊接缺陷是多层交界处产生咬边或夹渣缺陷。为了解决这一问题，常采用预先堆焊端面的办法。

　　（2）焊后热处理

　　容器壁厚越厚，焊接坡口形状就越要开成深槽形。多层容器焊接收缩产生的应变分散到纵轴方向，不会产生如厚壁圆筒那样大的残余应力。为此，多层圆筒与多层圆筒或单层筒体的焊接，对于碳钢和普通低合金钢一般可不进行热处理。但是对于高温高压设备，大多数要求采用Cr-M o低合金钢，这类钢有焊后硬化性，所以极有必要进行焊后热处理。

　　（3）耐腐蚀性和抗氢性

　　当容器内部介质有腐蚀性时，在容器内表面施加耐腐蚀金属材料不外乎三种方法：复合钢板、堆焊和衬里层。复合钢板在制造上有尺寸限制，而多层容器内筒为中等以下厚度，这种厚度的复合钢板可以在最佳条件下制造，其耐腐蚀性与剥离强度都很好。不论复合或衬里，由于操作压力的波动，可能引起复合层的剥离和鼓泡。这是由于氢气渗透积聚引起的，而多层容器由于筒节上设有排气孔，因此氢气可由排气孔泄出，是复合层与母材间的氢分压降低而避免鼓泡和剥离现象的产生。

　　（4）强度

　　（a）耐压强度：多层包扎容器在制造过程中难免在层与层间出现间隙，由于间隙的存在，在升压过程中内壁应变显然要大于理论值，外壁应变则小于理论值。但是，如果再卸压以后重新升压至第一次升压数值以下，则仍然和单层容器一样呈现出弹性特性来。由于多层容器制造完成后，必须进行1.25倍工作压力的水压试验。因此，在正常操作压力下，多层容器具有单层容器相同的特征。

　　（b）破坏特性：多层容器由于采用较薄的钢板制造，所以就是总壁厚增大，在厚度方向也可防止产生应力，因而避免了三项应力状态。且由于多层材料的韧性好，具有不易引起脆性破坏的特性。多层容器爆破时，由于内压使容器产生很大的塑性变形后，达到很大内压并由外层至内层依次开列，形成缓慢的塑性破坏。

　　（c）热应力和热疲劳：多层容器在高温使用时，由于层间热阻的影响，其导热系数比单层容器低，因此可能产生较大的热应力。一般高温容器外壁均有良好的保温，因而其热应力的影响是很小的。

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