第二章.压力容器基本结构

第二章压力容器基本结构第一节压力容器的结构形式一、球形容器球形容器的本体是一个球壳，通常采用焊接结构，由于球形容器一般直径都较大，难以整体成形，大多由许多块预先按一定尺寸压制成型的球面板拼焊而成。球形容器受力时其应力分布均匀，在相同的压力载荷下，球壳体的应力仅为直径相同的圆筒形壳体的1／2，即如果容器的直径、工作压力、制造材料相同时，球形容器所需的计算壁厚仅为圆筒形容器的1／2，另外，相同的容积，球形的表面积最小。综合面积及厚度的因素，故球形容器与相同容积、工作压力、材料的圆筒形容器相比，可节省材料30%～40%。球形容器制造复杂、拼焊要求高，而且作为传质、传热或反应的容器时，因工艺附件难以安装，介质流动困难，故广泛用作大型贮罐；也可用作蒸汽直接加热的容器，可以节省隔热材料，减少热量损失，如造纸行业用于蒸煮纸浆的蒸球。二、圆筒形容器圆筒形容器的几何形状特点是轴对称，外观没有形状突变，因而受载应力分布也较均匀，承载能力较高，与球形容器相比，受力状态虽不如球形容器，但制造方便，质量易得到保证，工艺内件易于安排装拆，可用作任何用途的容器。与其他形式容器相比，受力状态要理想得多。故圆筒形容器是目前使用最广泛的一种压力容器。三、箱形容器箱形结构容器分为正方形结构及长方形结构两种。由于其几何形状突变，应力分布不均匀，转角处局部应力较高，所以这类容器结构不合理，较少使用。一般仅用作压力较低的容器，如蒸汽消毒柜及化纤设备的加热箱体。四、锥形容器单纯的锥形容器在工程上很少见，其连接处因形状突变，受压力载荷时将会产生较大的附加弯曲应力。一般使用的是由锥形体与圆筒体组合而成的组合结构。这类容器在锥形体与圆筒体结合部仍存在较大局部应力，故这类容器通常因生产工艺有特殊要求时采用，锥形体作为收缩器或扩大器以逐渐改变流体介质的流速，或者作为锥底以便于粘稠、结晶或固体物料排除第二节压力容器的组成压力容器的结构一般比较简单，主要由一个能承受一定压力的壳体及必要的连接件、密封件和内件构成。另外，由于各种工艺用途不同，有时还需配置相应的工艺附件，但这些附件一般不承受介质的压力，对容器安全影响很小，故只是作为附件。常见压力容器一般由筒体、封头（管板）、法兰、接管、人（手）孔、支座等部分组成。1一、筒体筒体是压力容器最主要的组成部分，与封头或端盖共同构成承压壳体，是贮存物料或完成化学反应的压力空间。常见的是圆筒形筒体，其形状特点是轴对称，圆筒体是一个平滑的曲面，应力分布比较均匀，承载能力较高，且易于制造，便于内件的设置与装拆，因而获得广泛应用。筒体直径较小时（一般＜500mm），可用无缝钢管制作，直径较大时，可用钢板在卷板机上先卷成圆筒然后焊接而成。随着容器直径的增大，钢板需要拼接，因而筒体的纵焊缝条数增多。当筒体较长时，因受钢板尺寸的限制，需将两个或两个以上的筒节组焊成所需长度的筒体。为便于成批生产，筒体直径的大小已标准化，可按下表中所示的公称直径选用（带括号的尺寸尽量不采用）。对焊接筒体，表中公称直径是指它的内径，而用无缝钢管制作的筒体，表中公称直径是指它的外径。焊接筒体的公称直径单位：mm30090（1900）3400（350）100020003600400（1100）（2100）3800（450）120022004000500（1300）（2300）（550）14002400600（1500）2600（650）16002800700（1700）300080018003200用无缝钢管制筒体的公称直径单位：mm筒体公称直径159219273325377426所用无缝钢管的公称直径150200250300350400圆柱形筒体按其结构又可分为整体式和组合式两大类。二、封头与端盖凡与筒体焊接连接而不可拆的，称为封头；与筒体及法兰等连接而可拆的则称为端盖。对于组装后不再需要开启的容器，如无内件或虽有内件而不需要更换、检修的容器，封头和筒体采用焊接连接形式，能有效地保证密封，且节省钢材和减少制造加工量。对于需要开启的容器，封头（端盖）和筒体的连接应采用可拆式的，此时在封头和通体之间必须装置密封件。封头按形状可以分为三类，即凸形封头、锥形封头和平板封头。㈠凸形封头凸形封头有半球形、碟形、椭圆形和无折边球形封头。1、半球形封头半球形封头实际上是一个半球体，在相同直径和相同压力下，所需板厚最小。但其深度大（与半径相同），整体压制困难，通常直径较大的半球形封头由几块形状相同的球面板及顶部中心的一块圆形球面板（球冠）组焊而成，且对组焊要求高，因而除用于压力较高、直径较大的贮罐及其他有特殊要求的容器外，一般较少采用。22、椭圆形封头椭圆形封头由半球体及圆筒体（即直边）两部分组成。由于其曲率半径连续变化，没有形状突变，受力情况仅次于半球形封头。制造较半球形封头容易。椭圆形封头的深度决定于椭圆形的长轴与短轴之比（即封头直径D与深度的两倍2h之比），深度愈大受力情况愈好，但加工也愈困难。标准椭圆形封头的深度为直径的1／4（即D／2h＝2）。椭圆形封头是目前压力容器使用最普遍的一种。3、碟形封头碟形封头又称带折边球形封头。由几何形状不同的三个部分组成，中央为球面，与筒体连接的部分为圆筒体，球面体与圆筒体用过度圆弧（即折边）连接。因过度圆弧半径远小于球体半径，故其受力状况较上述两种封头差，通常只用于压力较低，直径较大的容器。4、无折边球形封头无折边球形封头是一块深度较小的球面体。结构简单、制造方便。但在它与筒体的连接处由于形状突变而存在很高的局部应力，故只适用于直径较小、压力较低的容器上。㈡锥形封头介质中含有颗粒状、粉末状物质或为粘稠液体的容器，为便于物料汇集及卸料，容器底部常采用锥形封头，有时为保证气体介质在容器中均匀分布或改变流体流速，也采用锥形封头。锥形封头有带折边和无折边两种。无折边锥形封头是一段圆锥体，圆锥体与圆筒体直接连接造成形状突变而引起局部应力过高，故仅适用于压力较低且半径锥角小于300的场合。带折边的锥形封头是在锥体与圆筒体之间有一圆弧折边，可以降低局部应力，带折边锥形封头的半锥角一般不大于450。标准带折边锥形封头的半锥角有300及450两种，过度圆弧曲率半径与封头直径D之比值为0.15。㈢平板封头平板封头受力时强度较低，相通直径、相同压力下所需的厚度最大，除用作人孔盖以及一些高压容器外，一般很少采用。三、法兰1、由于生产工艺需要和安装检修的方便，不少容器需采用可拆的连接结构，如压力容器的端盖与通体之间、接管与管道之间的连接，通常采用法兰结构。法兰通过螺栓、楔口等连接件压紧密封件保证容器的密封。故法兰连接是由法兰、螺栓、螺母及密封元件所组成的密封连接件。2、法兰的分类法兰按照所连接的部件可分为容器法兰及管道法兰。容器法兰用于容器的端盖与筒体连接；管道法兰用于接管（管道）与管道之间的连接。法兰按其整体性程度，分为整体法兰、松式法兰、任意式法兰三种。法兰按其密封面形式分为平面法兰、凹凸法兰、榫槽法兰三种。33、密封件的分类密封元件是放在两法兰接触面之间或封头与筒体顶部的接触面之间，借助于螺栓等连接件的压紧力达到密封的目的。密封元件按其所用材料的不同分为非金属密封元件（如石棉垫、橡胶垫、橡胶“O”型圈、聚四氟乙烯板等）、金属密封元件（如紫铜垫、铝垫、软钢垫等）、和组合式密封元件（如铁包石棉垫、铜丝缠绕石棉垫等）。密封元件按其截面形状分为平垫片、三角形垫片、八角形垫片、透镜式垫片等。4、密封结构不同的密封元件和不同的连接件相组配，可构成各种不同的密封结构。⑴强制密封：强制密封是通过紧固端盖与筒体法兰之间的连接螺栓或接管与管道法兰之间的联结螺栓等强制方式将密封面压紧，从而达到密封的目的。如平垫密封、卡扎里密封等属于强制密封。⑵自紧密封：自紧式密封是利用容器内介质的压力使密封面产生压紧力达到密封目的。其密封力随着介质压力的增大而增大，因而在较高的压力下也能保证可靠的密封性能。如组合式密封、“0”形环密封、“C”形环密封、楔形密封、八角垫和椭圆垫密封、平垫自紧密封、伍德密封等。⑶半自紧密封：它既利用容器内介质的压力，又利用紧固件的联结使密封面产生压紧力达到密封目的，如双锥密封就属于半自紧密封。四、接管1、用途为适应压力容器安全运行及工艺生产的需要而设置于封头（端盖）及筒体上，用于介质的进出、安全附件的安装等。2、接管形式螺纹短管、法兰短管、平法兰短管。⑴螺纹短管式接管是一段带有内螺纹或外螺纹的短管，短管插入并焊接在容器的器壁上，短管螺纹用来与外部管件连接。一般用于连接直径较小的管道，如接装测量仪表等。⑵法兰短管式接管一端焊有管法兰，一端插入并焊接在容器的器壁上，法兰用以与外部管件连接。一般用于直径稍大的接管。⑶平法兰接管是法兰短管式接管除掉了直管的一种特殊形式，实际上就是直接焊接在容器开孔上的一个管法兰，这种接管与容器的连接有贴合式和插入式两种型式。五、人孔和手孔1、用途：根据容器的结构、介质等情况，设置人孔或手孔等检查孔，供容器定期检验、检查或清除污物用。2、分类：⑴按其形状分为圆形及椭圆形两种。⑵按其封闭形式分为外闭式及内闭式两种。3、开孔处的补强容器的筒体或封头开孔后，孔边的最大应力要比器壁上平均应力大几倍，对4容器安全不利。为了补偿开孔处的薄弱部位，就需进行补强措施。开孔处的补强方法有整体补强和局部补强两种。容器上的开孔处补强一般均采用局部补强法，其原理是等面积补强。局部补强常用的结构有补强圈、厚壁短管和整体锻造补强等数种。六、支座支座是用于支承容器重量并将它固定在基础上的附加部件，制作的结构形式决定于容器的安装方式、容器重量及其他载荷，一般分为三大类：即立式容器支座、卧式容器支座及球形容器支座。常用的立式容器支座有悬挂式支座（耳式支座）、支承式支座、裙式支座及腿式支座。其中裙式支座主要用于高大的直立容器（塔类）。卧式容器支座的结构形式主要有鞍式支座、圈座和支承式支座等。支承式支座只适用于小型容器；大中型容器常用鞍式支座；圈座适用于薄壁容器及两个支撑的长容器。球形容器常用裙式支座或柱式支座。