高压容器的结构特点及设计制造问题研究

黄婧 包世成 冯超 孙晓超 徐丰 郭永胜

摘 要：随着我国经济的发展，对石油的需求越来越多。高压容器设备在石油行业的生产中占有十分重要的地位，在很多石油石化企业中被广泛使用。高压容器的主要特点是其能够承受巨大压力，同时也能够在恶劣的环境中使用。同时，高压容器能适用于高温、易爆且环境中具有强腐蚀性的介质中。基于此，文章针对高压容器的结构特点与设计特点，对其参数化模型与数据进行分析，同时对其制造要点进行归纳总结，从而为高压容器在实际工程中的应用提供一定的参考。

关键词：高压容器;结构特点;设计要点;模型;制造要点

中图分类号：TQ051.3       文献标志码：A       文章编号：2095-2945（2019）15-0091-02

Abstract： With the development of China's economy， there is more and more demand for oil. High pressure vessel equipment plays a very important role in the production of petroleum industry and is widely used in many petroleum and petrochemical enterprises. The main characteristic of high pressure vessel is that it can withstand great pressure， but also can be used in harsh environment. At the same time， high pressure vessels can be applied to high temperature， explosive and highly corrosive media in the environment. Based on this， according to the structural and design characteristics of high-pressure vessels， this paper analyzes its parametric model and data， and summarizes the key points of its manufacture， so as to provide a certain reference for the application of high-pressure vessels in practical engineering.

Keywords： high pressure vessel; structural characteristics; key points of design; model; key points of manufacture

引言

随着我国石油化工的高速发展，生产石油过程中用到的装置逐渐大型化，在恶劣环境中对高压容器装置的使用频率越来越高，对高压容器的设计也提出了新的要求。设计人员在进行高压容器的设计时，需要结合高压容器的工作环境，考虑环境中的各种影响因素，根据实际情况综合考虑高压容器的设计要点，从而保证高压容器在复杂的环境中具有高性能与高稳定性;进行高压容器设计时，还需要严格执行国家的法律法规和相关的设计规范，减小设计失误的发生。

1 高压容器的结构特点

高压容器结构细长，其高压容器筒身不能开孔，其筒身采用平盖或者球形的封头方式，同时高压容器的密封结构较为特殊。

首先，高压容器的结构较长，主要体现在高压容器的应力水平较高，整个高压容器的直径较大，整个容器的壁面较厚。另外，在对高压容器进行加工时，需要使用大型的加工设备，同时在加工过程中需要注意焊接问题，严格控制焊接成本。此外，高压容器的直径越大，在使用过程中对其进行密封就越难，因此在设计中对高压容器的容积有一定的要求，需保证其整体的长度。

其次，高压容器壁本身应力水平较高，如果在高压容器的筒壁开孔则会造成孔附近的压力增大2-3倍，给高压容器的施工带来严重困难。所以为了保证高压容器满足设计要求及技术强度要求，在设计时需要尽量避开在高压容器的壁面开孔，可以将孔洞设计在端盖上，同时需要保证孔径尽可能小。

第三，在设计高压容器的端盖时，需要保证其有足够的厚度，由于高压容器的密封结构较复杂，如果端盖的直径较小，可以选择直接拆掉端蓋，在选择端盖的形状时尽量选择圆形的平盖。这是因为平型端盖受力十分有限，同时平盖的加工材料较多，造成整个平盖显得十分笨重。而球形端盖的受力较好，在直径较大的高压容器中应用广泛。

第四，高压容器的密封形式对整个加工过程十分重要，对加工技术的要求也比较高，一般在进行加工时选择金属密封圈，同时对高压容器尽可能使用介质来确保其密封紧密。在设计高压容器时尽量少使用拆卸结构，在实际的设计中，一般高压容器的密封采用可拆卸方式，而高压容器的另一端为固定结构。

第五，由于高压容器筒壁具有很强的应力，而高压容器本身具有一定重力，如果将高压容器的支座焊接在筒壁上，会在支座附近产生很大的应力，当高压容器中含有层板时就会增大筒壁层间的间隙。在设计时应尽量避免将高压支座设计在高压壁上，可以选择将支座放置在底部的封头上。一般小型的高压容器选择环形支座，大型高压容器选择裙式支座。

2 高压容器的设计要点

2.1 筒体厚度的计算

高压容器筒体厚度的计算公式如下：

在公式中有对压力进行限定，也就是对高压容器设备内径与外径的大小进行限定，当高压容器的壁是薄壁时，其强度设计的理论基础是薄膜应力公式推导出来的旋转薄壳应力无力矩理论;而高压容器的壁是厚容器壁时，其强度设计理论基础是弹性应力推导出来的拉美计算公式。设计者在进行高压容器的强度计算时，需要考虑设计值与实际值之间的应力误差。

2.2 开孔补强计算接管实际外伸高度的确定

设计的高压容器通常采用的是厚壁管对补其强度，筒管中实际外延伸的部分为能提供等厚补强强度的接管的外伸高度，同时需要舍去承担密封功能的那部分筒体高度。在实际进行开孔补强计算接管时，外伸长度如果考虑了长颈法兰，会导致计算结果的错误，并且会使高压容器在工作过程中存在很大的安全隐患，最简单的计算方法是将h1作为接管时实际外伸高度h，如图1所示。

2.3 筒体与球形封头的对接接头形式

确定了筒体的封头厚度后要对筒体进行焊接，在焊接时发现筒体厚度比球形封头要大，这是因为球形的封头其环向应力与径向应力要大。高压容器的圆筒中，其环向应力比轴向应力大很多，而当圆筒的直径相同时，球壳的厚度仅仅只有筒体厚度的一半，当两者的厚度相差太多时，需要对圆筒的边缘进行削薄处理。在设计时，筒体坡口形式常常被设计者所忽视，造成严重的设计错误，如图2所示。

2.4 密封形式的选择

高压容器的密封形式主要有三种，即：强制式密封、自紧式密封和半自紧式密封。高压容器密封的好坏对整个容器安全稳定运行具有十分重要的影响，是设计中一个至关重要的环节。在设计过程中，具体选用何种密封形式需要根据高压容器的介质、温度及高压容器运行的具体工艺条件进行选择。

3 高压容器参数化模型与数据分析

整个高压容器的设计压力是26MPa，根据设计参数在三维软件中进行建模，利用ICEM对整个模型进行自动分配网格，对高压容器容易受到应力大的区域进行网格加密，这样保证计算的结果具有足够的精度，且计算结果更加与实际值相接近，通过对该模型进行网格划分，得到该模型的网格总的结点数197860，单元数是43678。在进行数值模拟参数设置时，需要正确地施加均匀地分布载荷和模型约束，才能使数值模拟的结果与实际情况相符。将数值模拟的结构进行分析，得到该高压容器的应力等效图（如图3所示），从图中可以看到该高压容器的封头内外应力分布均匀，没有出现很大的应力突变，也没有超出该高压容器的最大许用应力，所示满足设计需求。

4 高压容器的制造要点分析

4.1 受压元件成形减薄

高压容器的钢板材料厚度不同，其许用应力的承载范围也是不一样的，当高压容器的钢板越厚时，其钢板的许用应力就越低，需要注意钢板的厚度极限。当钢板厚度接近该钢板的厚度极限值时，许应力会存在跳档的现象，在实际的设计时需要给制造单位留足加工的裕量，以保证钢板具有足够的厚度。

4.2 材料代用

在实际的生产过程中会存在材料紧缺的现象，材料供应不上的问题，这时产品制造商会使用其他材料代替原来元件的制造材料，当采用厚板代替薄板时需要实时查看该厚板材料是否满足高压容器的应力需求，新用材料的许用应力是否会因为板的厚度变化而产生变化，如果新用材料的许用应力降低，则需要重新计算新用材料的厚度，核算该元件的计算厚度，以保证应力满足需求。

4.3 凸形封头成形母材试板

高压容器的封头板材厚度比较大，根据板材的使用要求，当板材厚度超过厚度极限时需要对板材的使用状态进行调整，厚壁状态的封头通常需要对其进行热压成形，在对其加热过程中由于加热的温度很高，很容易破坏原材料的供货状态。如果加热过程破坏了原材料的供货状态，需要进行相应的热处理使加热材料恢复原材料的状态，同时需要附上与原材料相同批次的母版试件，以备在高压头封头完工后进行相应的力学性能試验检验。

5 结束语

高压容器在制造及使用过程中会涉及很多的技术领域，高压容器的操作过程十分复杂，需要在设计及操作阶段尽量保证零失误。因此需要在设计阶段全面分析高压容器可能出现的失效模式，并且对其进行针对性的设计以保证高压容器能够安全稳定地生产。在生产阶段需要对高压容器的材料成型及焊接无损检测提出合理的技术性要求，才能保证高压容器的质量。

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