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第四章压力容器设计CHAPTERⅣPressureVesselDesign4.3常规设计4.3.6支座和检查孔4.3.7安全泄放装置4.3.8焊接结构设计4.3.9压力试验4.1概述4.2设计准则4.3常规设计4.4分析设计4.5疲劳分析4.6压力容器设计技术进展4.3.3封头设计4.3.4密封装置设计4.3.5开孔和开孔补强设计4.3.6支座和检查孔4.3.7安全泄放装置4.3.2圆筒设计4.3.1概述4.3.8焊接结构设计4.3.9压力试验4.3.6支座和检查孔支座是用来支承容器及设备重量，并使其固定在某一位置的压力容器附件。在某些场合还受到风载荷、地震载荷等动载荷的作用。一、支座支座耳式支座支撑式支座腿式支座裙式支座立式支座鞍式支座圈式支座支腿支座卧式支座1.立式容器支座（1）耳式支座（悬挂式支座）结构：由筋板和支脚板组成，广泛用于反应釜及立式换热器等直立设备上。特点：简单、轻便，但对器壁会产生较大的局部应力。因此，当容器较大或器壁较薄时，应在支座与器壁间加一垫板，垫板的材料最好与筒体材料相同。例如：不锈钢容器用碳素钢作支座时，为防止器壁与支座在焊接过程中合金元素的流失，应在支座与器壁间加一不锈钢垫板。标准：JB/T4725《耳式支座》，它将耳式支座分为A型（短臂）和B型（长臂）两类，每类又有带垫板和不带垫板两种，不带垫板的分别以AN和BN表示。B型耳式支座有较大的安装尺寸，当容器外面包有保温层，或者将容器直接放置在楼板上时，宜选用B型。4.3.6支座和检查孔1-垫板；2-筋板；3-支脚板图4-39耳式支座4.3.6支座和检查孔（2）支承式支座结构：在容器封头底部焊上数根支柱，直接支承在基础地面上。应用：高度不大、安装位置距基础面较近且具有凸形封头的立式容器。特点：简单方便，但它对容器封头会产生较大的局部应力，因此当容器较大或壳体较薄时，必须在支座和封头间加垫板，以改善壳体局部受力情况。标准：JB/T4724《支承式座》。它将支承式支座分为A型和B型，A型支座由钢板焊制而成；B型支座采用钢管作支柱。支座与封头连接处是否加垫板，应根据容器材料和容器与支座焊接部位的强度及稳定性决定。4.3.6支座和检查孔4.3.6支座和检查孔Dδ图4-40支承式支座标准：JB/T4713《腿式支座》。A型：角钢支柱，易与容器圆筒相吻合、焊接安装较为容易；B型：钢管支柱，所有方向上具有相同截面系数、较高抗受压失稳能力，又有带垫板与不带垫板。（3）腿式支座（支腿）特点：结构简单、轻巧、安装方便，在容器下面有较大的操作维修空间。但当容器上的管线直接与产生脉动载荷的机器设备刚性连接时，不宜选用腿式支座。应用：多用于高度较小的中小型立式容器中。4.3.6支座和检查孔选用：1）根据容器公称直径DN和总质量选取相应的支座号和支座数量，2）计算支座承受的实际载荷，使其不大于支座允许载荷。除容器总质量外，实际载荷还应综合考虑风载荷、地震载荷和偏心载荷。与支承式支座的区别：腿式支座是支承在容器的圆柱体部分，而支承式支座是支承在容器的底封头上。（4）裙式支座应用：高大的立式容器，特别是塔器。形式：圆筒形裙座和圆锥形裙座。第7章详细介绍。4.3.6支座和检查孔2．卧式容器支座形式：鞍座、圈座及支腿三种。其它：圈座：用于大直径薄壁容器和真空容器，增加局部刚度。支腿：重量较轻的小型容器。详见第5章。应用：常见的大型卧式储罐、换热器等多采用鞍座。是应用最为广泛的一种卧式容器支座。4.3.6支座和检查孔二、检查孔目的：检查容器在使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等缺陷产生。包括：人孔、手孔等，其位置应便于观察或清理容器内部。规定：检查孔最少数量与最小尺寸应符合有关规范的要求。不必开设检查孔：（符合下列条件之一）筒体内径小于等于300mm的压力容器；容器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的盖子，其封头、盖板或盖子的尺寸不小于所规定检查孔的尺寸；4.3.6支座和检查孔换热器。无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器；制冷装置用压力容器；应在设计时采取相关措施，如对所有对接焊缝进行100%的射线或超声检测；在设计图样上注明计算厚度，且在压力容器在用期间或检验时重点进行测厚检查；相应缩短检验周期。不能开设检查孔时：4.3.6支座和检查孔保证压力容器安全运行，超压时能自动卸压，防止发生超压爆炸的附属机构。包括安全阀、爆破片，以及两者的组合装置。4.3.7安全泄放装置目的：一、安全泄放原理2.自动报警作用。因为排放气体时，介质是以高速喷出，常常发出较大的响声，相当于报警音响讯号。作用：1.正常工作压力下运行时，保持严密不漏；超过限定值时，能自动、迅速地排泄出容器内介质，使容器内的压力始终保持在许用压力范围以内。1.安全泄放装置的额定泄放量应不小于容器的安全泄放量。2.有超压可能的容器，才单独配备安全泄放装置，并非每台容器都必须直接配置。要求：指它在全开状态时，在排放压力下单位时间内所能排出的气量。安全泄放装置的额定泄放量：指容器超压时为保证它的压力不会再升高而在单位时间内所必须泄放的气量。容器的安全泄放量：对于不同的压力容器应按不同的方法取其值4.3.7安全泄放装置二、安全阀作用：通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。优点：仅排放容器内高于规定值的部分压力，当容器内的压力降至稍低于正常操作压力时，能自动关闭，避免一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产；可重复使用多次，安装调整也比较容易。缺点：密封性能较差，阀的开启有滞后现象，泄压反应较慢。4.3.7安全泄放装置1.结构与类型结构：主要由阀座、阀瓣和加载机构组成。阀瓣与阀座紧扣在一起，形成一密封面，阀瓣上面是加载机构。工作原理：（1）安全阀通过作用在阀瓣上的两个力的不平衡作用，使其关闭或开启，达到自动控制压力容器超压的目的。（2）正常工作压力时，容器内介质作用于阀瓣上的力小于加载机构施加在它上面的力，两力之差在阀瓣与阀座之间构成密封比压，使阀瓣紧压着阀座，容器内的气体无法排出；4.3.7安全泄放装置（3）容器内压力超过额定的压力并达到安全阀的开启压力时，介质作用于阀瓣上的力大于加载机构加在它上面的力，于是阀瓣离开阀座，安全阀开启，容器内的气体通过阀座排出。如果容器的安全泄放量小于安全阀的额定排放量，经一段时间泄放后，容器内压力会降到正常工作压力以下（即回座压力），此时介质作用于阀瓣上的力已低于加载机构施加在它上面的力，阀瓣又回落到阀座上，安全阀停止排气，容器可继续工作。工作原理：4.3.7安全泄放装置安全阀分类：重锤杠杆式弹簧式加载机构微启式全启式阀瓣开启高度全封闭式半封闭式开放式气体排放方式直接作用式非直接作用式作用原理分类方式4.3.7安全泄放装置举例：图4-42原理：利用弹簧压缩力来平衡作用在阀瓣上的力。调节螺旋弹簧的压缩量，就可以调整安全阀的开启（整定）压力。图中所示为带上、下调节圈的弹簧全启式安全阀。装在阀瓣外面的上调节圈和装在阀座上的下调节圈在密封面周围形成一个很窄的缝隙，当开启高度不大时，气流两次冲击阀瓣，使它继续升高，开启高度增大后，上调节圈又迫使气流弯转向下，反作用力使阀瓣进一步开启。因此改变调节圈的位置，可以调整安全阀开启压力和回座压力。特点：结构紧凑、灵敏度高、安装方位不受限制及对振动不敏感等优点，随着结构的不断改进和完善，其使用范围越来越广。4.3.7安全泄放装置图4-42弹簧式安全阀（a）有提升把手及上下调节圈（b）无提升把手，有反冲盘及下调节圈(a)(b)4.3.7安全泄放装置2．安全阀的选用选用原则：综合考虑压力容器的操作条件、介质特性、载荷特点、容器的安全泄放量，防超压动作的要求（动作特点、灵敏性、可靠性、密闭性）、生产运行特点、安全技术要求，以及维修更换等因素。具体：①易燃、毒性程度为中度以上危害的介质，必须选用封闭式安全阀，如需带有手动提升机构，须采用封闭式带扳手的安全阀；对空气或其它不会污染环境的非易燃气体，可选用敞开式安全阀。②高压容器及安全泄放量较大而壳体的强度裕度又不太大的容器，应选用全启式安全阀；微启式安全阀宜用于排量不大，要求不高的场合。③高温容器宜选用重锤杠杆式安全阀或带散热器的安全阀，不宜选用弹簧式安全阀。4.3.7安全泄放装置三、爆破片定义：是一种断裂型安全泄放装置。利用爆破片在标定爆破压力下即发生断裂来达到泄压目的，泄压后爆破片不能继续有效使用，容器也被迫停止运行。(1)密闭性能好，能做到完全密封；(2)破裂速度快，泄压反应迅速。特点：因此，当安全阀不能起到有效保护作用时，必须使用爆破片或爆破片与安全阀的组合装置。4.3.7安全泄放装置由爆破片元件和夹持器等组成。爆破片元件是关键的压力敏感元件，要求在标定的爆破压力和爆破温度下能够迅速断裂或脱落。夹持器是固定爆破片元件位置的辅助部件，具有额定的泄放口径。1.结构与类型结构：4.3.7安全泄放装置爆破片分类：拉伸型压缩型剪切型弯曲型受力形式正拱型反拱型平板型产品外观爆破型触破型脱落型破坏动作分类方式4.3.7安全泄放装置图4-43正拱开缝型爆破片及夹持器4.3.7安全泄放装置举例：图4-43结构：拱型爆破片的压力敏感元件是一完整的膜片，事先经液压预拱成凸型（a）与（b），装在一副螺栓紧固的夹持器内（c），其中膜片按周边夹持方式分为锥面夹持（a）和平面夹持（b）。工作：爆破片安装在压力容器上时，其凹面朝被保护的容器一侧。当系统超压达到爆破片的最低标定爆破压力时，爆破片在双向等轴拉应力作用下爆破，使系统的压力得到泄放。另外，夹持器的内圈与平面应有圆角，以免爆破片元件变形时周边受剪切，影响动作压力的稳定。4.3.7安全泄放装置①介质为不洁净气体的压力容器，这些介质易堵塞安全阀通道，或使安全阀开启失灵；②物料的化学反应使压力可能迅速上升的压力容器，这类容器内的压力可能会急剧增加，而安全阀动作滞后，不能有效地起到安全泄放作用；③毒性程度为极度、高度危害的气体介质或盛装贵重介质的压力容器，由于对安全阀来说，微量泄漏是难免的，故为防止污染环境或不允许存在微量泄漏，宜选用爆破片。④介质为强腐蚀性气体的压力容器，腐蚀性大的介质，用耐腐蚀的贵重材料制造安全阀成本高，而用其制造爆破片，成本非常低廉。2．爆破片的选用（1）多数压力容器都使用安全阀，然而安全阀存在“关不严、打不开”的隐患。（2）某些场合应优先选用爆破片作为安全泄放装置。4.3.7安全泄放装置4.3.8焊接结构设计一、焊接接头形式对接接头角接接头及T字形接头搭接接头焊接接头形式（a）对接接头；（b）角接接头；（c）搭接接头图4-44焊接接头的三种形式受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得到保证。1．对接接头结构：两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头。特点：应用：最常用的焊接结构形式。4.3.8焊接结构设计结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力集中比较严重，且焊接质量也不易得到保证。2．角接接头和T型接头结构：两个相互连接零件在接头处的中面相互垂直或相交成某一角度进行焊接的接头。两构件成T字形焊接在一起的接头，叫T型接头。角接接头和T字接头都形成角焊缝。特点：某些特殊部位：接管、法兰、夹套、管板和凸缘的焊接等。应用：4.3.8焊接结构设计3．搭接接头主要用于加强圈与壳体、支座垫板与器壁以及凸缘与容器的焊接。结构：两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中面相互平行，进行焊接的接头。特点：属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不连续，承载后接头部位受力情况较差。应用：4.3.8焊接结构设计焊接坡口——为保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般将焊件连接处预先加工成各种形状。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。二、坡口形式Ⅰ形V型单边V形U形J形基本坡口形状组合形状坡口形状4.3.8焊接结构设计图4-45坡口的基本形式特例：一般接头应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。4.3.8焊接结构设计双V形坡口由两个V形坡口和一个I形坡口组合而成图4-46双V形坡口4