多层整体包扎冷交换器外壳的设计与制造

孙 丽*

（中国机械工业第五建设有限公司）

压力容器的用途较为广泛，在工业、民用、军工等许多部门以及科学研究的许多领域都具有重要的作用。其在化学工业与石油化学工业中应用最多，仅在石油化学工业中应用的压力容器约占压力容器总数的55 %。

1 冷交换器设计参数及结构

高压容器外壳一般由筒体、球形封头、平盖、端部法兰、密封结构及高压管件、紧固件等组成。DN 1 200 mm 冷交换器外壳的主要参数可见表1，其结构可见图1。

根据条件图采用 SW6 软件经计算，确定筒体、封头材料为 Q345R，筒体厚度为 64 mm，封头厚度为 55 mm； 平盖材料为20MnMo Ⅳ，端部法兰材料为16Mn Ⅳ。

2 冷交换器设计与制造要点

2.1 封头

从受力分析来看，半球形封头是理想的承压结构形式，因此半球形封头在高压容器中经常被使用，封头部件在制造过程中应注意以下几点：

表1 冷交换器主要技术参数

图1 冷交换器结构图（单位：mm）

（1）制造和检验过程应按 GB 150—2011《压力容器》及GB/T 25198—2010 《压力容器封头》标准中的有关规定。

（2）材料的化学成份和力学性能（正火）应符合GB/T 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》标准中的规定，钢板须经100%超声波（UT）探伤检查，结果符合NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》 中的Ⅱ级，并应逐张进行拉伸夏比（V 型缺口）冲击（0°）试验。

（3）球底封头冲压成型后，其内外表面应去除氧化皮，外表面须按NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测 第4 部分：磁粉：磁粉检测》进行磁粉（MT）探伤检查。

（4）底部锻件与球封头D 类环焊缝应进行100% UT 检测，合格后进行100% MT 检测，应分别符合NB/T 47013.3—2015 中规定的Ⅰ级为合格和NB/T 47013.4—2015 中规定的Ⅰ为合格。球形封头与接管，环板、支撑环的角焊缝应按NB/T 47013.4—2015 进行100%MT 检测,不允许有表面裂纹。

（5）球形封头组焊后应进行消除应力热处理，热处理时应对与封头焊接的接管螺纹加以保护。

2.2 筒体

该设备筒体采用整体多层包扎结构，筒体由内筒和多层层板组成，内筒采用厚为24 mm 的Q345R正火钢板制造，按GB/T 713—2014 标准中的规定Q345R，材料力学性能（正火）如下： Rm=500～630 MPa，ReL≥325 MPa，A=21%，KV2≥41 J(0°)。钢板须经100%UT 探伤检查，结果符合NB/T 47013.3—2015 标准中的Ⅰ级，并应逐张进行拉伸的夏比（V型缺口）冲击（0°）试验。焊缝须经100%射线探伤检查，结果符合NB/T 47013.2—2015 标准中的Ⅱ级要求。筒节与筒节组焊时，应将相邻两内筒A 类焊缝错开90°。每节筒体卷焊后须整体消除应力热处理。内筒A，B 类焊缝须经100%射线检测，符合NB/T 47013.2—2015《承压设备无损检测 第2 部分：射线检测》中规定的Ⅱ级为合格。

2.2.1 层板的制造要点

（1）层板采用两层厚为14 mm 和两层厚8 mm 的Q345R 热轧钢板制造，层板采用的工艺装备为多层整体包扎夹紧机械手。

（2）每层层板的纵、环焊缝需相互错开，以内筒纵缝为基准各层层板纵焊缝依次错开78°，焊完后须打磨至母材齐平，再包扎第2 层层板，直至层板达到设计需要的厚度。

（3）各层层板与端部法兰、球形封头连接的焊接接头应进行100%UT 检测和100%的MT 探伤检测，层板与层板间搭接接头进行100%的MT 探伤检测， UT 探伤前应将焊缝磨平。然后端部法兰与内筒焊接，环缝应进行100%射线探伤，NB/T 47013.2—2015 标准中Ⅱ级为合格，内筒与端部法兰、球封头的环焊缝需进行消除焊接残余应力的热处理，再包扎最后1节或几节层板。

（4）除了最外层层板，其余各层层板的纵向焊接接头进行10%MT 探伤检测。层板的拼接接头应进行100%UT 检测，按NB/T 47013.3—2015 标准中Ⅱ级为合格。

（5）层板包扎后应进行松动面积检查，每个松动部位，沿环向长度不得超过300 mm，沿轴向长度不得超过600 mm。

（6）层板通气孔按下述技术要求开设。

a）层板筒长≤600 mm 时，在层板两端距端面100 mm 处各钻一个直径为8 mm 的通气孔，其与本层层板焊缝错开90°,相互之间错开180°。

b）层板筒长＞600 mm 时，在层板两端100 mm处各钻2 个直径为8 mm 的通气孔，并第1 个孔与本层层板焊缝错开90°，相互之间错开90°。

2.3 密封结构

2.3.1 高压密封的基本特点

一般采用金属密封元件来达到所需的密封比压。该设备采用双锥密封环密封，粗加工后应进行100% UT 检查，合格等级按NB/T 47008—2017《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》标准中对环形锻件的要求。

2.3.2 主螺栓、螺母

主螺栓数应为偶数，最好为4 的倍数，更便于对称上紧，保证密封性能。普遍采用液压上紧装置进行螺栓紧固。主螺栓、螺母的选择可按 HG/T 21573—1995 《高压螺栓和螺栓液压上紧装置》标准进行选择和加工。HI、HR 型螺母与球面垫圈配合使用可以一定降低因螺栓紧固不均带来的附加弯矩，螺母的硬度应略低于主螺栓的硬度。 因主螺栓的大小直接决定端部外缘的尺寸，故在保证紧固 效果、满足上紧空间的前提下优先选择小直径螺栓。螺栓材料的强度应尽量与端部强度接近，保证螺纹连接的可靠性。主螺栓的质量直接关系到设备的密封效果和设备的安全，该设备使用 M80X4 型螺栓，材料为 35CrMoVA。

2.4 筒体端部

当端部法兰上开孔较大时，还应考虑开孔对端部强度的削弱影响，必要时应加大端部外径，由此可见双锥环的尺寸及主螺栓的尺寸直接决定端部的尺寸，因此在满足要求的前提下，双锥环、主螺栓应尽量选择小尺寸。

2.5 平盖

平盖的外径、 主螺栓孔中心圆直径与筒体端部一致，平盖的计算厚度可参照 GB 150—2011 标准，当开孔直径较大或温度对应力影响明显时，平盖的计算厚度由设计强度决定。平盖名义厚度是由计算厚度向上圆整得到的。

2.6 高压容器的压力试验及安全装置

高压设备的结构一般比较简单，压力试验一般采用液压试验，如需要进行气压或气密性试验时，应选择可靠安全的场所并制定周密的安全防范措施和应急预案。

3 结论

整体多层包扎式压力容器的结构由于没有深的纵向焊缝，层板筒节的泄放孔可对内筒的泄漏起报警作用，层板包扎时产生的预应力，改善了圆筒体内的应力分布情况，受压后，沿筒体厚度方向的应力趋于均匀，比单层壁厚式安全性更强，在生产设备加工性能和原材料的采购上限制更小，在经济效益和制造成本上也具有较大的优势，随着高压容器在更多行业的不断发展，多层包扎式结构的运用将越来越广泛。