低温压力容器的设计说明
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摘 要：本文详细介绍了低温压力容器设计进展及制造特色说明，并与传统的压力容器进行了比较分析。结合实际制造经验及文献介绍钢板压力容器的一些制造工艺及要求，指出利用现代压力容器用钢生产大型部件的技术，是压力容器设计结构改进、制造工艺发展的关键。
关键词：压力容器 大型锻件 焊接结构 支撑结构材料
早期制造的传统压力容器，一般采用板焊结构，即主要采用板材热成形，然后焊成一个整体，顶盖法兰、筒体法兰及冷却剂接管通常采用锻件。新型低温压力容器以其独特的技术特点和使用便利性，符合现代工业的要求。本文仅就碳钢、低合金钢,按常规设计的压力容器壳体,在小于-20℃的工况条件下对低温压力容器的设计做以介绍。
一、低温压力容器的低温设计特色
低温压力容器的设计应从设备在设定低温下的工作状况、介质的状态是否受环境影响及有无保温或保冷措施等方面，去做具体的问题分析。
一般情况下，压力容器所发生的破裂，总体上可分为两类:一类为塑性破裂，另一类为脆性破裂，而传统低温压力容器的破坏属于后一类，即受压元件在拉应力的作用下，其应力水平在低于材料的屈服强度，或低于许用应力的情况下突然发生破裂，这一现象被称为低应力脆断。传统压力器均受这种因素的影响容易造成损坏。因此，基于这一破裂现象发生的前后，均没有或只有局部极小的塑性变形，而没有整体屈服迹象，目前世界各国对于新型低温压力器的设计过程中，凡按常规设计的压力容器规范,对受压元件的低应力脆断，都做出了相应的规定和给出了各自的低温界限。因为设计温度的确定是低温压力容器设计中一项至关重要的因素，设计温度大于-20℃，和设计温度小于-20℃，在设计、选材、制造等方面是截然不同的。而根据以往实践经验来看，压力器的小于-20℃这一低温界限，对实际的韧-脆性的转变只是在一定的温度范围内发生而言的，有着一定的宽松尺度，但就其工程设计来讲，还是较为极端的。所以按常温进行选材、设计、制造还是不具有足够安全性的。
在低温压力器的设计制造过程中，工程上采用了以下几种方法来确定处于低温下工作的压力容器的设计温度。
1.数据计算确定低温限度 首先制造低温压力器的样品，当受压元件两侧有热量传递过程时，根据传热计算求得在相应的温度下，沿受压元件厚度方向的平均金属温度，再由国家标准计算公式得出压力器的低温极限。并且根据经验多次测算，做到准确无误。
2.压力器的受压元件可能受环境温度控制,所以将压力器放置在寒冷地区,受压容器置于露天或无采暖的厂房内，保证受压元件与工作介质直接接触，并无外保冷或保温设施，此时可取介质的最低温度或介质的工作温度减去5~10℃做为该受压元件的设计温度。
最后，根据以上实验结果和工程经验，低温压力容器设计规则的最新规定仍把低温压力容器低温界限规定为小于等于-20℃。
二、压力容器整体法兰的设计说明
过去，压力容器筒体采用两个独立的锻件，这必然给制造等带来很多困难。并且随着压力器使用量日益增加，以及运行经验的不断积累，对压力容器的设计提出了如下要求:(1)减少压力容器焊接缝隙数量，便于在使用中检查设备情况；(2)使压力容器部件大型化、一体化，便于制造。因而，随着科学技术的发展和制造工业的繁盛，利用现代科技用钢生产大型部件的技术，是压力容器设计结构改进、制造工艺发展的关键。而压力容器的这一发展趋势引起了工程人员的重视，开始将整体法兰设计用于压力容器的制造。
整体法兰设计是在锻焊结构的基础上发展而来的，其基本宗旨是采用较大尺寸的锻件代替原来的几个小型锻件，尽可能减少压力容器焊缝的数量。整体法兰设计要求将压力容器的筒体法兰、接管区筒体、支撑凸缘锻制成一个整体，采用结构简单的大壁厚筒体锻件。近年来，通过采用整体法兰锻焊结构，避免了中子辐照区域冷却剂接管筒体段和筒体法兰向所必须进行的厚截面焊接，给压力容器的使用带来许多益处。并且压力容器用钢的冶炼技术和锻件的加工工艺有了较大的改进和发展，能够生产出大型锻件，取代了以往使用若计的干个小型锻件的状况，所以，采用整体法兰设计的新型低温压力容器在结构上与传统的压力容器有如下几点不同:
1.避免了容器主筒体与接管区筒体的焊接；
2.消除了靠近堆芯的支撑凸起部位的焊缝，避免了筒体法兰受螺栓载荷、内压载荷和温度载荷作用后产生转角和径向位移；
3.接管区筒体和堆芯筒体的焊缝设置在堆芯活性区之上，消除或减轻了这些载荷对筒体法兰的影响，减少螺栓的弯曲应力和法兰变形，并且降低法兰间冷却剂的泄漏几率；
当然，新型的采用整体法兰的压力容器，给压力容器的制造带来很多方便。首先，筒体法兰和接管区筒体锻造成一个整体，避免了筒体法兰和接管区筒体之间的焊接，消除了一条厚截面环焊缝，并且整体法兰上的接管短管与接管主要段间的焊接，应力强度水平比传统的要求高，这样整体压力容器采用六个大型锻件，仅有四条主环焊缝，从而改善了压力容器的总体结构，缩短了制造周期。
三、压力容器的支撑材料特点
压力容器发展的初期，大多采用裙座式支撑结构，将支撑裙焊在压力容器的底封头处，在各接管口处设置支柱，利用支撑裙或支柱将压力容器定位，但这种方式中制作材料的稳定性具有很大的弊端。目前，多数设计是利用高强度钢制接管作为压力容器支撑，使压力容器的重量全部作用在接管上，另外，支撑接管内侧转角处的峰值应力最大，应力过于集中仍容易出现问题，工程中为增强支撑接管所受载荷的能力，极力选择最优质的钢材料制造，以增强结构的稳定性。
四、结语
低温压力容器在结构上由最初的板焊结构已改进成锻焊结构，进而发展成一体化的整体法兰锻焊结构，在功能上严格控制了最低温度极限，在设计、制造和在役检查方面有很大的优越性，大大降低了制造过程中焊接和无损检测的工作量，同时，也减少了在役检查和材料辐照监督的工作量，进一步满足了工程的需求。此外，由于这种结构的压力容器与传统的压力容器成本比较接近，因此整体法兰焊接构的压力容器更有吸引力和竞争力，未来必将广泛应用。
参考资料
[1]徐林颖,毛立东《浅谈道低温压力器技术问题》[J].中小企业管理与科技(上旬刊).2009（6）.
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