超高壓容器鍛件的發(fā)展趨勢是操作壓力越來越高、容器尺寸越來越大，因此對(duì)結(jié)構(gòu)、材料和制造提出了更嚴(yán)格的要求。常用的結(jié)構(gòu)有：整體鍛造或整體鍛造經(jīng)自增強(qiáng)處理的單層厚壁筒體；雙層縮套雙層套箍、雙層縮套經(jīng)自增強(qiáng)處理及多層縮套、硬質(zhì)合金內(nèi)襯雙層筒體；繞絲式筒體；剖分式、層間沖壓式筒體等。

        一、單層厚壁筒體

       （一）整體鍛造筒體

        整體筒體鍛件是厚壁容器中最為常見的型式，容器頂、底部可以與筒體一起鍛造，也可以采用鍛件經(jīng)機(jī)械加工后以螺紋連接為一體。單層整體鍛造容器使用范圍存在較大的局限性，因?yàn)橄喈?dāng)高的內(nèi)壓力使筒體內(nèi)壁產(chǎn)生很大的應(yīng)力，以至有可能發(fā)生屈服或塑性流動(dòng)，而外壁的應(yīng)力卻很低，在非彈性范圍內(nèi)工作時(shí)會(huì)使容器壽命大大降低。而對(duì)于高應(yīng)力的內(nèi)壁部位，很容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕和疲勞破壞。設(shè)計(jì)中，為了保證筒體材料在彈性范圍內(nèi)工作，一般選用高強(qiáng)度鋼制造筒休，但這類鋼的塑性、韌性較低，使用中也存在一定安全隱患。

        單層整體鍛造超高壓容器設(shè)備為高壓聚乙烯裝置超高壓反應(yīng)釜，設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度為225.6MPa 和300℃，殼體材質(zhì)為34CrNi3 MoA。

       （二）整體鍛造自增強(qiáng)筒體

        整體鍛造自增強(qiáng)筒體是利用結(jié)構(gòu)本身的預(yù)應(yīng)力抵消一部分工作應(yīng)力，以提高容器材料的彈性工作范圍具體做法是在容器使用前，先在圓筒內(nèi)壁施加一個(gè)內(nèi)壓，使內(nèi)壁發(fā)生屈服，屈服層材料產(chǎn)生徑向擴(kuò)張的殘余變形，然后卸除內(nèi)壓，由于外層材料的彈性收縮。使已塑性變形的屈服層材料在彈性恢復(fù)后受到外層的彈性壓縮而產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，外層材料產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。

        與整體鍛造筒體比較，整體鍛造自增強(qiáng)筒體具有可提高耐壓程度，減小容器壁厚和質(zhì)量，筒壁的平均應(yīng)力較低等優(yōu)點(diǎn)，且容器自增強(qiáng)處理過程對(duì)筒體是次耐壓試驗(yàn)。進(jìn)步保證容器使用的安全性。

        二、多層厚壁筒體

        多層厚壁筒體結(jié)構(gòu)是將2個(gè)以上的同心圓筒，采用加熱外層、套入內(nèi)層后冷卻或深冷內(nèi)層、套入外層的方法將各層筒縮套緊密結(jié)合在一起，使內(nèi)筒產(chǎn)生壓縮預(yù)應(yīng)力，從而可部分抵消操作工況下筒體壁上產(chǎn)生的拉應(yīng)力。縮套容器不僅可以均化筒體壁上的應(yīng)力分布，而且可以有效抑制裂紋在層間擴(kuò)展；另外可以采用不同的結(jié)構(gòu)和不同的內(nèi)筒材質(zhì)以滿足不同的工況要求，例如可用特殊耐磨的高強(qiáng)鋼材料或耐腐蝕材料制成薄的襯筒作為雙層或多層筒體的內(nèi)筒，以防止磨損或腐蝕，也可用這些材料制成厚壁筒體作為縮套結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒，承受部分由內(nèi)壓引起的筒壁上的拉應(yīng)力和防止磨損與腐蝕。

        多層厚壁筒體有雙層縮套式、雙層套箍式、雙層縮套+自增強(qiáng)處理式、多層縮套及硬質(zhì)合金內(nèi)襯的雙套筒體等結(jié)構(gòu)型式。

         三、繞絲式筒體

        繞絲式容器筒體為組合式筒體，它是在內(nèi)筒外壁纏繞許多層高強(qiáng)度鋼絲而制成，鋼絲的截面有矩形、圓形和蛋形等多種，制造中通過控制預(yù)緊纏繞拉力來實(shí)現(xiàn)筒壁中的應(yīng)力均勻分布，從而提高筒體的強(qiáng)度。繞絲式筒體也可采用高強(qiáng)鋼扁平鋼帶繞制，鋼帶截面尺寸一般為4mm×1mm或6mm×1.5mm。

        繞絲式筒體結(jié)構(gòu)安全可靠，取材容易，但鋼絲(或鋼帶)僅能承受周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，不能承受軸向應(yīng)力，所以內(nèi)筒必須有足夠的厚度，使之承受由內(nèi)壓引起的軸向載荷，并保證纏繞時(shí)有足夠的剛度，防止內(nèi)筒失效或喪失穩(wěn)定。設(shè)計(jì)時(shí)，也可在纏繞層外增加一外筒或框架，用以全部或部分承受軸向力，從而減小內(nèi)筒壁厚。

        四、扇形塊( 剖分塊)式筒體

        扇形塊式筒體外層可以是單層或雙層的整體筒體、內(nèi)筒制作成幾塊互不相的扇形塊(亦稱徑向塊)，為防止介質(zhì)滲入剖分塊之間般在最里層設(shè)置一層由良好塑性材料制成的薄壁內(nèi)扇形塊是分開的，只承受徑向應(yīng)力作用，不承受周向應(yīng)力，于內(nèi)壓很高，扇形塊一般采用抗壓強(qiáng)度高的材料制成(如碳化鎢硬質(zhì)合金)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)扇形塊的加工尺寸和精度要求很高。 工作狀態(tài)下，向形其之間以及扇形塊與外筒內(nèi)壁之間必須緊密接觸，介局壓力通過扇形塊傳給外筒，產(chǎn)生接觸應(yīng)力，由于外管直徑較大，因此周向應(yīng)力與徑向應(yīng)力相應(yīng)減少我下已應(yīng)用部分塊式筒體結(jié)構(gòu)制成能耐3000MPa的實(shí)驗(yàn)容器，剖分圓筒的極限壓力為 5000MPa即為所使用剖分塊材料碳化鎢的抗壓強(qiáng)度 根據(jù)分可知，當(dāng)材料相同、徑比相等時(shí)，扇形塊式組合筒體的承載能力遠(yuǎn)比熱套式、自增強(qiáng)式筒體強(qiáng)得多。

         綜合所述，在進(jìn)行超高壓容器選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意到:當(dāng)整體筒體的徑比(外徑與內(nèi)徑之比）達(dá)到3.5~4.0時(shí)，若在繼續(xù)增大，對(duì)提高彈性承載能力的收效不大；對(duì)自增強(qiáng)容器，當(dāng)徑比達(dá)5.6~6.0時(shí)，宜選用多層套的結(jié)構(gòu)或采用自增強(qiáng)處理。

        在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要根據(jù)工作條件、制造水平和經(jīng)驗(yàn)以及制造能力及材料等情況，合理選用結(jié)構(gòu)。

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