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超高压力容器筒体锻件结构型式

        超高压容器锻件的发展趋势是操作压力越来越高、容器尺寸越来越大,因此对结构、材料和制造提出了更严格的要求。常用的结构有:整体锻造或整体锻造经自增强处理的单层厚壁筒体;双层缩套双层套箍、双层缩套经自增强处理及多层缩套、硬质合金内衬双层筒体;绕丝式筒体;剖分式、层间冲压式筒体等。

        一、单层厚壁筒体

       (一)整体锻造筒体

        整体筒体锻件是厚壁容器中最为常见的型式,容器顶、底部可以与筒体一起锻造,也可以采用锻件经机械加工后以螺纹连接为一体。单层整体锻造容器使用范围存在较大的局限性,因为相当高的内压力使筒体内壁产生很大的应力,以至有可能发生屈服或塑性流动,而外壁的应力却很低,在非弹性范围内工作时会使容器寿命大大降低。而对于高应力的内壁部位,很容易出现应力腐蚀和疲劳破坏。设计中,为了保证筒体材料在弹性范围内工作,一般选用高强度钢制造筒休,但这类钢的塑性、韧性较低,使用中也存在一定安全隐患。

        单层整体锻造超高压容器设备为高压聚乙烯装置超高压反应釜,设计压力和设计温度为225.6MPa 和300℃,壳体材质为34CrNi3 MoA。

       (二)整体锻造自增强筒体

        整体锻造自增强筒体是利用结构本身的预应力抵消一部分工作应力,以提高容器材料的弹性工作范围具体做法是在容器使用前,先在圆筒内壁施加一个内压,使内壁发生屈服,屈服层材料产生径向扩张的残余变形,然后卸除内压,由于外层材料的弹性收缩。使已塑性变形的屈服层材料在弹性恢复后受到外层的弹性压缩而产生压缩应力,外层材料产生拉伸应力。

        与整体锻造筒体比较,整体锻造自增强筒体具有可提高耐压程度,减小容器壁厚和质量,筒壁的平均应力较低等优点,且容器自增强处理过程对筒体是次耐压试验。进步保证容器使用的安全性。

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        二、多层厚壁筒体

        多层厚壁筒体结构是将2个以上的同心圆筒,采用加热外层、套入内层后冷却或深冷内层、套入外层的方法将各层筒缩套紧密结合在一起,使内筒产生压缩预应力,从而可部分抵消操作工况下筒体壁上产生的拉应力。缩套容器不仅可以均化筒体壁上的应力分布,而且可以有效抑制裂纹在层间扩展;另外可以采用不同的结构和不同的内筒材质以满足不同的工况要求,例如可用特殊耐磨的高强钢材料或耐腐蚀材料制成薄的衬筒作为双层或多层筒体的内筒,以防止磨损或腐蚀,也可用这些材料制成厚壁筒体作为缩套结构的内筒,承受部分由内压引起的筒壁上的拉应力和防止磨损与腐蚀。

        多层厚壁筒体有双层缩套式、双层套箍式、双层缩套+自增强处理式、多层缩套及硬质合金内衬的双套筒体等结构型式。

         三、绕丝式筒体

        绕丝式容器筒体为组合式筒体,它是在内筒外壁缠绕许多层高强度钢丝而制成,钢丝的截面有矩形、圆形和蛋形等多种,制造中通过控制预紧缠绕拉力来实现筒壁中的应力均匀分布,从而提高筒体的强度。绕丝式筒体也可采用高强钢扁平钢带绕制,钢带截面尺寸一般为4mm×1mm或6mm×1.5mm。

        绕丝式筒体结构安全可靠,取材容易,但钢丝(或钢带)仅能承受周向应力和径向应力,不能承受轴向应力,所以内筒必须有足够的厚度,使之承受由内压引起的轴向载荷,并保证缠绕时有足够的刚度,防止内筒失效或丧失稳定。设计时,也可在缠绕层外增加一外筒或框架,用以全部或部分承受轴向力,从而减小内筒壁厚。

        四、扇形块( 剖分块)式筒体

        扇形块式筒体外层可以是单层或双层的整体筒体、内筒制作成几块互不相的扇形块(亦称径向块),为防止介质渗入剖分块之间般在最里层设置一层由良好塑性材料制成的薄壁内扇形块是分开的,只承受径向应力作用,不承受周向应力,于内压很高,扇形块一般采用抗压强度高的材料制成(如碳化钨硬质合金),这种结构对扇形块的加工尺寸和精度要求很高。 工作状态下,向形其之间以及扇形块与外筒内壁之间必须紧密接触,介局压力通过扇形块传给外筒,产生接触应力,由于外管直径较大,因此周向应力与径向应力相应减少我下已应用部分块式筒体结构制成能耐3000MPa的实验容器,剖分圆筒的极限压力为 5000MPa即为所使用剖分块材料碳化钨的抗压强度 根据分可知,当材料相同、径比相等时,扇形块式组合筒体的承载能力远比热套式、自增强式筒体强得多。

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         综合所述,在进行超高压容器选型和结构设计时应注意到:当整体筒体的径比(外径与内径之比)达到3.5~4.0时,若在继续增大,对提高弹性承载能力的收效不大;对自增强容器,当径比达5.6~6.0时,宜选用多层套的结构或采用自增强处理。

        在实际设计中,要根据工作条件、制造水平和经验以及制造能力及材料等情况,合理选用结构。


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