新一代钢铁材料扁平绕带式压力容器初探

?必威动态 ????|???? ?2019-08-08 12:14


  厦门理工学院学报新一代钢铁材料扁平绕带式压力容器初探施钢扁平绕带式压力容器筒体绕层采用薄钢带倾角错绕,在应用新一代钢铁材料上具有独特竞争优势。采用新一代钢铁材料钢带绕制扁平绕带式压力容器,可使筒体壁厚降低约40%,制造成本进!步降低。同时提出了新一代钢铁材料扁平绕带式压力容器研究中有待解决的几个问题,对其它高强度新钢种在大型压力容器上的应用亦有一定的借鉴作用。
  超级钢;超细晶粒钢;焊接;扁平绕带式;压力容器新一代钢铁材料在不添加任何合金(alloy)元素或添加微量合金元素的前提下,通过纯净化、控轧控冷获得超细晶粒组织,实现细晶强化与相变强化,使低碳钢和低合金钢长型材与热连轧薄板带在保持原有塑性水平的基础上,强度提高一倍,且疲劳强度和韧性提高、韧-脆转变温度降低,获得优良的综合性能。继日本、韩国开展超级钢的研究之后,我国于1998年启动了国家973项目一新一代钢铁材料重大基础研究。我国的新一代钢铁材料研究取得了重大进展,400MPa级超细晶碳素钢板和钢筋己批量生产并用于汽车、建筑行业,800MPa级低合金钢己通过工业试制,以现有的200MPa级的碳素钢为基础,宝钢、本钢、鞍钢、珠钢及武钢分别实现了400MP和500MPa带钢的批量生产。
  新一轮超级钢研究的竞争,正围绕超级钢的各应用领域展开,尤其是大尺寸超级钢的轧制和超细晶粒钢在大型结构件中的应用。日、韩将生产大尺寸的超级钢及在大型结构件中应用超细晶粒钢的研笔者认为,在世界各国寻求大厚度超级钢板的轧制和焊接技术、探索大型结构件中应用超细晶粒钢的同时,利用国产新一代钢铁材料热连轧薄钢带,制造大型压力容器,具有特别的意义。
  本文简要分析了扁平绕带式压力容器的结构特点,及其在新一代钢铁材料应用上的优势,提出了新一代钢铁材料扁平绕带式压力容器研究中有待解决的几个问题。
  1扁平绕带式压力容器的结构特点新型薄内筒扁平钢带/倾角错绕“压力容器,是我国拥有完全自主常识产权的国际压力容器工程重大自主创新科技一/多功能壳钢复合”压力容器工程技术的重要发明之一,由于主体结构采用了薄内筒、扁平钢带/倾角错绕“技术,结构离散、分层成型、最大化减少焊接、成本降低,安全可靠性好,易于实施在线安全状态自动监控,”钢复合“结构设计灵活。不锈钢储罐密封性好;密封式设计彻底杜绝了空气飘尘中有害物质和蚊虫入侵罐内,确保水质不受外界污染和滋生红虫。
  典型的扁平绕带式高压容器如所示,由薄内筒、钢带绕层、两端部法兰或球形封头结构、1960-),男,福建晋江人,高级讲师,博士,从事冶金与材料工程、结构强度的研宄。
  ①参见郑津洋,徐铭泽,朱国辉共同撰写的《国际压力容器工程重大自主创新科技/多功能壳钢复合“压力容器工程技术》外保护层组成,各部分材料可根据需要选用不同材料。薄内筒厚度通常占容器筒体总厚的15%~30%,必要时可选用不锈钢内筒。
  钢带绕层由截面规格为2~ 120mm宽的热轧钢带绕制而成,钢带仅在始末两端分别与球形封头或端部法兰相焊接,钢带相对于容器环向缠绕倾角为15°~ 30b保证容器轴向强度略高于环向,且各相邻钢带层绕向交错。不锈钢储罐密封性好;密封式设计彻底杜绝了空气飘尘中有害物质和蚊虫入侵罐内,确保水质不受外界污染和滋生红虫。
  制造扁平绕带式高压容器,无需制造厚板卷制高压容器所需的大厚度钢板,也不存在多层包扎、多层卷焊等其它型式高压容器制造过程中的深厚环焊缝的焊接问题,可采用国产新一代钢铁材料热连轧薄钢带,构造大型压力容器,在应用新一代钢铁材料上具有独特(释义:特有的、特别的)竞争优势。不锈钢储罐有较强的耐腐性,它不受外界空气及水中余氯腐蚀。每个球罐出厂前均经受超强的压力测试和检验,在常压下使用寿命可达100 年以上。
  经30多年来多方面的理论研究、破坏性试验研究及工业生产应用,扁平绕带式压力容器的设计与制造技术成熟,我国现行压力容器规范GB150- 1998〈钢制压力容器》和《JB1149―80扁平钢带压力容器技术条件》,为扁平绕带式压力容器的设计与制造提供了标准依据。己有7000多台扁平绕带式压力容器,包括氨合成塔、水压机蓄能器及高压氢气压力贮罐等成功地应用于工业生产中。1997年,扁平绕带式压力容器被正式批准列入美国ASME锅炉压力容器规范第W篇第1分篇和第2分篇,该标准明确扁平绕带式压力容器的内径范围为直径12〃~ 1之,容器长度由工艺要求决定,容器设计温度范围决定于材料的许用温度,即允许在世界上推广制造内径达3160mm,包括尿素合成塔、石油加氢反应器在内的各种高压、低温、高温、耐腐化侵蚀 等重大承压装备。
  2新一代钢铁材料扁平绕带式压力容器的经济性分析以新一代钢铁材料钢带替代碳素钢、低合金钢带绕层,其经济效益是显而易见的。根据我国现行压力容器规范,扁平绕带式压力容器的当量许用应力为:如果替代前内筒与钢带材料的强度相同,即:近似估算,可忽略分母中的设计压力P和腐蚀裕量C,则重复上述步8*pD,/2,采用新一代钢铁材料钢带扁平绕带式压力容器,可节约大量钢材、缩短制造周期、减少对国外进口厚钢板的依赖,经济效益和社会效益更加显著。
  屈强比,/,即屈服极限与强度极限之比,表示了材料从屈服到最后断裂过程中材料的强度和变形能力。在我国现行规范中,对钢制压力容器选材要求屈强比不得大于0.8目前,我国新一代钢铁材料的屈强比约0.74~0.83,可能大于0.8解决此问题,是通过钢材轧制、改变材料的屈强比以满足现行规范的要求,还是根据屈强比要求的依据、压力容器的结构特点、设计水平的具体情况改变规范对屈强比的要求,可能涉及现行规范、规范中安全系统数选取等一系列问题,尚有待进一步的探讨。
  值得一提,西气东输工程实施过程中,曾考虑了以往天然气管线钢管技术条件中较低的屈强比要求与高强度钢管的发展所产生的矛盾,将西气东输管线钢的屈强比要求从以往的不低于0.85提高到0.914.新一代钢铁材料通过控轧控冷获得/超细晶粒“组织,在焊接热作用下,晶粒长大的驱动力很大,将使焊接热影响区易因晶粒粗化而降低强度与韧性,出现软化现象。因此,超细晶粒钢的焊接性问题成为超级钢研究的最重要问题之一。
  国内己对超细晶粒钢的焊接性进行了大量研究,超细晶粒薄钢板焊接技术日趋成熟。文对新一代钢铁材料焊接HAZ奥氏体晶粒长大规律及组织变化进行了研究,文研究了不同焊接方法和焊接工艺及其对焊接接头的组织性能的影响,文研究了焊接热影响区的精细结构,文分别研究了焊接热影响区的冲击韧性和抗断性能。其它超级钢连接技术、新焊接填充材料的开发也在进行。
  扁平绕带式压力容器的钢带绕层制造过程中,钢带逐层逐根进行缠绕,且仅在钢带两端与封头或端部法兰焊接,焊缝分散在45*的斜面上。由于其结构的特殊性,每根钢带焊接时,薄钢带处于大基体上,焊接热循环与一般薄板对接焊有所不同,而且钢带材料也可能与封头或端部法兰的材料不同,外层钢带焊接时也可能对内层钢带的组织和性能产生影响。另一方面,无论采用焊接热模拟技术,还是采用实际焊接结构研究焊接工艺、热影响区的组织和性能变化,都与材料的原始组织和焊接热循环有关。因此,应在现有的有关新一代钢铁材料焊接性研究基础之上,针对新一代钢铁材料扁平绕带式压力容器具体结构开展焊接结构与工艺、焊接热影响区的组织和性能方面的研究工作。
  3焊接热影响区及焊缝连接处局部结构对容器整体强度的影响新一代钢铁材料扁平绕带式压力容器上,钢带仅在两端与封头或端部法兰焊接,而端部法兰结构往往具有较大的强度裕量,钢带焊接热影响区引起的软化现象对容器整体强度的影响将与其它结构的压力容器焊缝的影响有所不同。
  此外,由于钢带材料(Material)与两端封头或端部法兰材料不同,在两端焊缝连接处局部结构的设计上将有所考虑。一种可能的情况是筒体采用新一代钢铁材料钢带,端部法兰仍采用传统材料。由于筒体的厚度大大减薄,端部法兰厚度仍保持不变,法兰和筒体的厚度差大。对于不等厚筒体连接,初步可考虑肝斜度的过渡段“a!虑到压力容器筒体的轴向气环向平均应力系,ts由于筒体厚度仍厚i.net度的二分一,端部法兰通常为锻件,连接处轴向强度一般可以满足。连接处具体结构设计时,应着重考虑环向强度。钢带焊缝、焊接热影响区、两端焊缝连接处局部结构对容器整体强度的影响,有待于利用有限元分析和容器超压爆破试验进行评估。
  3.4长时间高温性能研究各种压力容器可能在不同的设计温度下工作。国产新一代钢铁材料各钢种在扁平绕带式压力容器上应用的允许设计温度范围及高温设计数据缺乏。因此,需要开展国产新一代钢铁材料长时间较高工作温下组织形态变化与稳定性、相变和晶粒长大动力学、及高温性能等方面的基础研究。
  扁平绕带式压力容器在应用新一代钢铁材料上具有独特竞争优势。采用新一代钢铁材料钢带绕制的扁平绕带式压力容器,可使容器筒体壁厚降低(reduce)35% ~43.5%,制造成本进一步降低,具有较好的经济效益和社会效益。
  本文提出了新一代钢铁材料扁平绕带式压力容器的研究设想,建议进行新一代钢铁材料扁平绕带式压力容器特殊结构的焊接热影响区及其对容器整体强度影响等方面的研究,以推动新一代钢铁材料在大型压力容器上的应用。
  目前,新一代钢铁材料(Material)尚未列入我国压力容器标准规范,但我国压力容器安全技术监察规程》
  ①对未列入GB150等标准的材料的压力容器的设计、审核、批准,试制、试用作了有关规定。
  近年来,国内外钢铁科技突飞猛进,高强度新钢种不断涌现,我国的新一代钢铁材料研究取得了重大进展。同时,我国拥有完全自主常识产权(intellectual property)的国际压力容器工程重大自主创新科技一/多功能壳钢复合“压力容器工程技术己经形成。两者的结合,将可能孕育我国压力容器的选材、设计与制造的重大变革,需要各方的支撑与共同努力。
  笔者诚挚地感谢浙江大学化学化工学院化工机械研究所朱国辉教授和郑津洋教授所给予的支撑。