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第1章高压容器1形状特点厚壁容器一般采用轴对称结构，考虑到高压容器应力水平高、制造的方便（直径大壁厚就比较大，增加了制造难度）以及操作时密封的容易，其直径不宜太大，但是在实际的生产过程中，根据其工艺要求需要有相当的容积，因此将其长度做长些，一般高压容器的长径比L/D=12~15，甚至可以达到28，但随着技术的发展，大型厚壁容器的长径比已经降至6左右而中低压容器的长径比一般只有2~5。因此相对于中低压容器来说，高压容器具有外形细长的特点。2结构特点高压容器的端盖一般都比较厚，同时其密封结构也比较复杂。中低压容器这些薄壁容器一般采用凸形盖，而高压容器采用的是平板盖，但由于平板盖受力不好，因而需要更大的厚度，有些氨合成塔的平盖厚度达到0.5~0.8m。但还可以用锻造制成，采用平垫片密封结构，不过，这样使端盖笨重，安装检修不方便，也比较浪费材料。高压容器开孔直径较小，若需要工艺性或其他必要的开孔，为不削弱筒壁的强度，一般开在端盖上。厚壁容器广泛采用具有良好塑性和韧性的高强度钢，随着技术的发展，相对于200~300级别的高延性低碳钢，300~500Mpa级的低合金强度钢已经广泛应用。高压容器由于密封结构比较复杂，密封面加工的要求比较高，而且多做的密封面增加了泄露的机会。因此，高压容器如没有必要两端开口的，一般一段做成不可拆的，另一端是可拆的。为减少密封的周边，在不影响内件吊装的原则下，应该尽量减少开口直径。高压容器由于器内直径小，器内安装内件不方便，因此，内件均在器外组装好，称为芯子，将整个芯子吊装入塔。3结构型式高压容器的型式主要是圆筒式，也有少数是圆球式。圆筒式制造与安装内件都比较方便，特别是增大容器体积不必增大其直径。圆球式器壁的应力比较均匀，受载情况较好，同样的载荷与内径，其壁厚较薄，无大厚度、笨重的端盖。但其安装内件不方便，而且增加容积必须增大直径，使其器壁应力水平提高，给制造与结构都带来了许多复杂的问题。因此，除了较小型的高压容器外，一般不用圆球式。厚壁圆筒容器筒体的结构样式多种多样，大致可分为单层式与多层式两类。单层式包括整体锻造式、锻焊式、卷焊式、单层瓦片式、无缝钢管式。多层式包括多层包扎式、多层绕板式、多层绕带式、多层热套式和多层焊缝错开式。3.1单层式3.1.1整体锻造式整体锻造式是高压容器制造中最早采用的一种型式。其制造方法是先将铸造好的钢锭放到万吨的水压机锻成圆柱形，加热后用棒形冲头把钢锭通心，把钢锭套在心轴上锻内壁，是内径大致达到需要尺寸。其优点是结构简单，机械强度较高，筒壁上没有薄弱环节，缺点是加工过程中会产生刀痕、台阶，会引起应力集中，产生疲劳裂纹。并且其锻造过程工作量大，生产周期长，成本较高。这种结构型式一般适用于直径较小，或者压力较高的超高压容器，直径300~800mm的高压聚乙烯釜式反应器便采用这种结构。3.1.2锻焊式其优点是直径可适当加大，总长度不受限制；缺点是由于分段制造，工作量加大，且深环焊缝焊接工艺要求较高并对筒体强度有所削弱。3.1.3单层卷焊式其制造方法是将厚钢板（达120mm厚度）加热至700~900℃后，在大型卷板机上卷成圆筒，然后焊接纵缝即得筒节。再通过焊接环缝，将筒节连接成需要长度的筒体，然后将预先锻造好的法兰或半球端盖焊上，即得整个容器。其优点是制造工艺简单、生产率高、周期短、成本较低。缺点是由于采用大型卷板机，若圆筒直径过小则无法卷筒，一般直径400mm才可使用此种结构；可卷制的厚度也受到卷板机能力的限制。（直径大于1000mm目前最大为δ=110mm）；厚钢板的综合性能不如薄钢板，冲击韧性较差。当壁厚较大时要注意材料的韧性指标，以防容器低应力下发生脆性破坏。这种结构型式的适用范围是：容器内径400~3200mm，压力10~100Mpa，壁厚达120mm。3.1.4单层瓦片式其缺点是只能用水压机设备进行制造，还有当两条纵焊缝和瓦片的成型与组对都要十分准确，否则纵缝焊接产生错边，使筒节在工作时产生附加弯矩与应力。单层式厚壁容器不存在壁厚层间松动面问题车，也不存在组合结构上的薄弱环节，但单层式厚壁容器由于其壁厚，一次成型对工具的要求较高，需要万吨水压机，或大型卷板机。另外，它只能用一种材料，贵金属消耗多，再一个缺点就是从断裂力学的角度看，壁上产生缺陷时，可能扩展整个器壁而断裂。3.2多层式3.2.1多层包扎式先用14~34mm的优质钢板或者8~13mm的不锈钢板卷焊成内筒，把厚度4~8mm的薄钢板卷成半圆（瓦片）形做成外表面再焊上。之后用同样的方法包下一层，但纵缝互相错开75°左右，直到层数满足厚度的需要。其优点是制造工艺简单，不需大型复杂加工设备；安全可靠性高，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；包扎预应力改善筒体的应力分布；对介质适应性强，可选择合适的内筒材料。其缺点是筒体制造工序多、周期长、效率低、钢材利用率低（仅60%左右）；深环焊缝对制造质量和安全有显著影响。①无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法用超声检测，只能射线检测；②焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降；③环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。这种结构型式一般用在直径在500~3200mm，压力≤50Mpa，温度≤500℃的场合。3.2.2多层绕板式为克服多层包扎中焊缝多、生产周期长的缺点，发展了多层绕板式。绕板的方法有两种，一种是平绕，另一种是螺旋绕。平绕的优点是纵焊缝少；机械化程度高，绕制快；使用设备简单，操作简便。缺点是钢板厚度误差产生椭圆度大；不容易绕的很紧，层间存在间隙；两头楔形板点焊处强度不够，是薄弱环节。螺旋绕的优点是绕制快；无筒节对焊的深厚环缝焊接；生产周期大大缩短。缺点是不容易绕得很紧，绕时需要较大的拉紧力。3.2.3多层热套式内筒（厚度30mm）卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节，将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。相对于以前的方法做了许多改进：（1）各层之间的配合过盈量不必严格加以控制；（2）配合表面要求的表面粗糙度不高；（3）用自增强处理可使层间贴紧并产生适量的残余应力。4器壁的应力状况对于旋转薄壳，通常认为壳的厚度与壳的曲率半径相比为小量，而且研究的范围为弹性小变形，即壳体受力后其各点的位移都有远小于壁厚。由于薄壁圆筒壁厚较薄，在它承受压力和温度载荷时，薄壁圆筒只产生经向应力和周向应力，为二向应力状态。而厚壁圆筒则不同，由于厚壁圆筒壁厚较厚，可视为由许多同心的薄壁圆筒组成，薄壁圆筒在承受压力和温度载荷时变形是自由的，而组成厚壁圆筒的每一个薄壁圆筒，它的变形即收到内层圆筒的约束，又收到外层圆筒的限制，变形不再是自由的了。由于各层圆筒的变形受到约束和限制是不一样的，因此每一个薄圆筒所受的内外侧压力也是不相同的，造成应力在沿壁厚的分布也是不均匀的，就会出现应力梯度，因此在考虑受力时还要考虑径向应力，厚壁圆筒为三向应力状态。此外，随着壁厚的增加，内外壁间的温差加大，由此产生的热应力相应增大，因此厚壁容器还要考虑其热应力，而薄壁容器则不需要。当有内压与温差同时作用引起的弹性应力为两者应力的叠加。国内超高第二章高压容器和超高压容器的比较2.1超高压容器的结构型式不同结构形式的发展过程实际上也就是超高压容器的设计理论和方法的不断完善过程。为了改善圆筒的应力分布，提高圆筒的承载能力，首先采用的办法是预应力法（预应力圆筒）。即容器在操作以前先给圆筒产生一定的预应力，利用和工作应力方向相反的预应力来消除工作应力。其具体的结构型式有多层缩套、绕丝、绕带、套箍以及自增强等。多层热套是最早采用的结构，它利用套合时层间的过盈来产生预应力，最初用于炮筒的制造，后来应用到化工容器，如高压釜、超高压压缩机的气缸及储气缸以及静液压挤压筒等。这种带过盈的套合，根据所需界面压力，按理论计算套合过盈量。为确保过盈量，往往需要对圆筒界面进行精确加工，这对直径比较小的容器还可以，而对直径较大的容器便难做到。同时，这种带过盈的套合结构，在套合过程中往往容易产生“咬死”，特别是对于较长容器。为了克服这一问题，而提出了绕卷式的超高压容器。绕卷式超高压容器是在内筒的外壁以一定的拉力缠绕多层的钢丝或钢带，或者绕卷钢板，利用外层钢丝或钢带、钢板的弹性收缩，使内筒产生压缩预应力。这种容器内筒界面不需精加工，制造比较灵活与简便。国外还用有预应力的绕带管来输送石油、天然气。另一种预应力结构是自增强容器。这种容器预应力的产生是通过对圆筒施加足以使内壁发生屈服的压力，使圆筒部分屈服，卸压后而产生的。由于筒壁材料的部分屈服塑性胀大，和缩套的原理类似，能产生需要的预应力，并且避免了圆筒的加工与加热套合等复杂的工艺。自增强技术早在1906年提出，第二次世界大战中广泛用于枪筒的制造，至上世纪50年代德国便应用到高压聚乙烯320MPa管式反应器的制造。自增强容器的主要优点是通过预应力可以使器壁应力分布比较均匀，平均应力降低，又可使疲劳寿命提高。但单层容器的自增强，应力分布还是不够均匀。上世纪70年代以来又有人提出自增强与多层容器相结合、自增强与缠绕容器相结合的论点与设计方法，前者的优点是对一定的强度要求可以更好地利用材料，减少层数。后者通过内筒的塑性变形与外层缠绕层胀紧，可以使内筒及外层材料均有预应力。上世纪60年代，自增强技术随着理论研究与实验研究的配合，发展得很快，到20世纪70年代，自增强技术已成为超高压容器设计的主要方面。套箍式容器也是有预应力的超高压容器，即在单层或多层圆筒的外壁表面套上许多套箍，利用箍环本身的弹性收缩箍紧，或者通过对圆筒施加内压来胀紧；两种情况都可以使筒壁产生预应力。法国B.V.S.公司用液压使内筒产生有限塑性膨胀使与外箍贴紧并提高强度，并以此来制造超高压管道，以输送石油与天然气。我国近年来也在超高压、石油化工、原子能等方面采用套箍式容器。我国超高压容器的发展也和国外的情况一样，也是按上述过程发展的。工作压力在100～300MPa者利用超高强度钢进行单层锻造或双层热套。比较早的时候，多用锻造，最近则多用热套，特别是工作压力在300～800MPa，多采用双层或三层的热套。在压力不很高的场合，也有采用绕丝的结构。在800～1000MPa压力的场合，则采用三层热套加自增强。在1000MPa以上压力，则有采用内层剖分扇块的结构。2.2超高压容器材料的选择:超高压容器由于其承受很高的压力，筒体或者端盖多数采用整体锻造式，并且要通过热处理来提高其强度，因此对材料可锻性好，淬透性好。选择超高压容器的材料时，往往容易只从强度方面考虑，认为材料强度越高越好，因此目前有选用抗拉强度10Mpa以上的材料，或者通过热处理调质，把屈服极限、抗拉强度提得很高，但要注意，抗拉强度提高后，往往塑性和韧性降低，导致产生脆断的危险。提高强度要有个极限，是屈强比0.9~0.8的范围内，有时甚至要降低强度的要求，满足塑性韧性的要求，使有足够的韧性储备，以便于吸收局部的高峰值应力和抵抗冲击载荷。2.2.1断裂韧度容器在制造和使用过程中，不可避免会存在一些缺陷。由于缺陷的存在，难以预测的低应力脆断倾向便会增加，为避免产生低应力脆断的产生，必须要求材料有较高的断裂韧度。材料不同的冶炼方法对强度的影响较小，而对断裂韧度的影响较大。在空气中冶炼的钢其断裂韧性最差，真空中熔炼的钢其断裂韧度最好，因此选择材料时必须注意冶炼方法。2.2.2疲劳强度反复载荷会使容器在低于静态实验测得的破坏压力发生破坏。若应力在弹性范围内，则导致破坏的压力循环次数总在高压容器的使用期限内所遇到的压力循环次数之上，因此，在超高压容器设计中，选择疲劳强度高的材料十分重要，钢材中非金属夹杂物的含量及磷、硫的含量，都会大幅度降低其疲劳强度，因此选用的钢材，必须尽可能减少这些含量。目前国内使用的超高压容器结构材料有：AISI4340、34CrNi3Mo、42CrNi2Mo1V(CHG125)、37SiMnCrMoV、00Ni18Co8Mo5TiAl等，也采用碳化钨材料的。2.3高压容器的材料选择由于高压