1、压 力 容 器 安 全 操 作 技 术,黄 海 涛 电话：15344578978 2012.03.16,第二章 压力容器结构 第一节 压力容器的基本构成 压力容器的结构形式是多种多样的，它是根据容器的作用、工艺要求、加工设备和制造方法等因素确定的。常见的圆筒形容器和球形容器如图所示。,一、壳 体 是压力容器最主要的组成部分，是贮存物料或完成化学反应所需要的压力空间，形状有圆筒形、球形、锥形和组合形等数种，常用的是圆筒形和球形二种。 (一)圆筒形壳体 使用最为普遍的一种压力容器、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，便于内件的设置和装拆，因而获得广
2、泛的应用。圆筒形壳体由一个圆柱形的筒体和两端的封头或端盖组成。,1.筒体 筒体直径较小时（一般小于500mm时）可用无缝钢管制作；直径较大时，可用钢板经卷板机加工，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。当壳体较长时，因受钢板尺寸的限制，需将两个或两个以上的筒体(此时称为筒节)组焊成所需长度的筒体。为便于成批生产，筒体直径已标准化，可按表2-1；表2-2中所示的公称直径选取（带括号的尽量不采用）对焊接筒体，表中的公称直径为内径；无缝钢管制作的筒体，表中的公称直径为外径。,圆柱形筒体按其结构又可分为整体式和组合式二种。 2.封头与端盖 凡与筒体焊接连接而不可拆的，称
3、为封头；与筒体以法兰等连接而可拆的则称为端盖,根据几何形状不同封头可分为半球形、椭圆形、蝶形、有折边形封头、无折边形封头和平板形封头（平盖）等数种。,对于组装后不再需要开启的容器，封头和筒体的连接应采用可拆式的，此时在封头和筒体之间必须装置密封件。在第三节中详细介绍 （二）球形壳体 容器壳体呈球形，又称球罐。其形状特点对称，具有以下 优点： 受力均匀；在相同的壁厚条件下，球形壳体的承载能力较高，即在同样的内压下，球形壳体所需要的壁厚很薄, 仅为同直径、同材料圆筒形壳体壁厚的1/2(不计腐蚀裕量)；在相同容积条件下，球形壳体的表面积最小。壳壁薄和表面积小，制造时可以节省钢材，如制造相同容积的容器
4、，球形的要比圆筒形的节省约30 40人钢材。此外，表面积小，对于用作需要与周围环境隔热的容器，还可以节省隔热材料或减少热的传导。所以，从受力状态和节约用材来说，球形是压力容器最理想的外形。,不足： 一是制造比较困难，工时成本较高，往往要采用冷压或热压成形法。对于小型球形壳体，可先冲压成两个半球，然后再组焊成一个整球，由于半球的冲压深度深，钢材变形量大，不仅需要大型的冲压设备，而且容易产生冲压裂纹和过大的局部壳壁减薄；对于大型球形壳体，往往需要先压制成若干个球瓣，然后再将众多的球瓣组对焊成一个整球，球瓣的成型和组焊都是比较困难的，容易发生过大的角变形和焊接残余应力，有的还会产生焊接裂纹；对于超大
5、型的球形壳体，由于运输等原因，要先在制造厂压好球瓣，然后运到使用现场组装，由于施工条件差，质量更不易保证。,二是球形壳体用于反应、传质或传热容器时，既不便于在内部安装工艺内件，也不便于内部相互作用的介质的流动。 由于球形壳体存在上述不足，所以其使用受到一定的限制，一般只用于中、低压的贮装容器，如液化石油气贮罐、液氨贮罐、一些用蒸汽直接加热的容器为了减少热损失，有时也采用球形容器，如蒸球（造纸工艺中蒸煮纸浆）。,第二节 圆筒体结构,一、整体式筒体 整体式筒体有单层卷焊、整体锻造、锻焊、铸-锻-焊以及电渣重熔等五种结构形成。 (一)单层卷焊式筒体 是用卷板机将钢板卷成圆筒，然后焊上纵焊缝制成筒节，
6、再将若干个筒节组焊成筒体，它与封头或端盖组装成容器。这是应用最广泛的一种容器结构，具有如下优点： 1、结构成熟、使用经验丰富，理论较完善； 2、制造工艺成熟，工艺流程较简单，材料利用率高。,3 、便于利用调质（淬火+回火）处理等热处理方法，改善和提高材料的性能； 4、开孔、接管及内件的装设容易处理； 5、零件少，生产及管理均方便； 6、使用温度无限制，可作为受热容器及低温容器。 存在的缺陷： 1、壁厚往往受到钢材轧制和卷制能力的限制，我国目前单层卷焊筒体的最大壁厚一般120mm; 2、规格相同的压力容器产品，单层卷焊筒体所用钢板厚度最大，厚钢板各向性能差异大，且综合性能也不如薄板和中厚板，因此
7、 产生脆性破坏的危险性增大； 3、壁厚方向上应力分布不均匀，材料利用不够合理。,随着冶金和压力容器制造技术的改进，单层卷焊结构的上述不足将逐步得到克服。 （二）整体锻造式筒体 是最早采用且沿用至今的一种压力容器筒体结构形式；整体锻造式筒体的材料金相组织致密，强度高，因而质量较好，特别适合于焊接性能较差的高强度钢所制造的超高压容器。但制造时需要非常大的冶炼、锻压和机加工设备，材料消耗量大，钢材利用率低（仅为26%29%），机械加工量大，故一般只用于内径300800mm、长度不超过12m的小型超高压容器。 （三）锻焊式筒体 是在整体锻造式筒体的基础上，随着焊接技术的进步而发展起来的，是由若干个锻制
8、的筒节和端部法兰组焊而成，所以只有环焊缝而没有纵焊缝。与整体锻造式相比，无需大型锻造设备，故容器规格可以增,大，保持了整体锻造式筒体材质密实、质量好，使用温度没有限制等主要优点。因而常用于直径较大的化工高压容器，且在核容器上也获得了广泛的应用。 （四）铸-锻-焊式筒体 是随着铸造、锻造技术的提高和焊接工艺的发展而出现的一种新型的筒体。制造时，根据容器的尺寸，在特制的钢模中直接浇铸成一个空心八角形铸锭，钢模中心设有一活动式激冷柱塞，在钢水凝固过程中，可以更换柱塞以控制激冷速度，使晶粒细化。浇铸后切除冒口及两端，变热的铸锭在锻压机上锻造成筒节，经机加工和热处理后组焊成容器。这种制造工艺可大大降低金
9、属消耗量，但制造工序较复杂。,（五）电渣重熔式筒体（电渣焊成形筒体） 是近年发展起来的一种制造过程高度机械化、自动化的筒体结构形式。制造时，将一个很短的圆筒（称为母筒）夹在特制机床的卡盘上，利用电渣焊在母筒上连续不断地堆焊直至所需长度。熔化的金属形成一圈圈的螺圈条，经过冷却凝固而成为一体，其内外表面同时进行切削加工，以获得所要求的尺寸和光洁度。这种筒体的制造无需大型工装设备，工时少，造价低，器壁内各部分的材质比较均匀，无夹渣与分层等缺陷。是一种很有前途的制造高压容器的工艺。,二、组合式筒体 可分为多层板式结构和绕制式结构二大类。 （一）组合式筒体结构包括多层包扎、多层热套、多层绕板、螺旋包扎等
10、数种。这种筒体由数层或数十层紧密贴合的薄金属板构成。 具有以下一些优点： ）是可以通过制造工艺过程在层板间产生预应力，使壳壁上的应力沿壁厚分布比较均匀，壳体材料可以得到较充分的利用，所以壁厚可以稍薄； ）当容器的介质具有腐蚀性时，可以采用耐腐蚀的合金钢作为内筒，而用碳钢或其他强度较高的低合金钢作层板，能充分发挥不同材料的长处，节省贵重金属。,3）当壳壁材料中存在有裂纹等严重缺陷时，缺陷一般不易扩展到其他各层。 4）由于使用的是薄板，具有较好的抗裂性能，所以脆性破坏的可能性小。 5）在制造上不需要大型锻压设备。 缺点：多层板厚壁筒体与锻制的端部法兰或封头的连接焊缝，常因两连接件的热传导情况差别较
11、大而产生焊接缺陷，有时还会因此而发生脆断。 由于多层板筒体在结构上和制造上都具有较多的优点，所以近年来制造的高压容器，特别是大型高压容器多采用这种结构，而且制造方法也在不断发展。,三、1.多层包扎式是美国斯密斯公司于1931年首创的一种筒体结构形式，现已为许多国家所采用，是一种目前使用最广泛、制造和使用经验最为成熟的组合式筒体结构。其制造工艺是先用15-25mm厚的钢板卷焊成内筒，然后再将6-12mm厚的层板压卷成二块半圆形或三块瓦片形，用钢丝绳或其他装置扎紧并点焊固定在内筒上，焊好纵缝并把其外表面修磨光滑，依次继续直至达到设计厚度为止。层板间的纵焊缝要相互错开一定角度，使其分布在筒节圆周的不
12、同方位上。此外筒节上开有一个穿透各层层板（不包括内筒）的小孔（称为信号孔，泄漏孔）用以及时发现内筒,破裂泄漏，防止缺陷扩大。筒体的端部法兰过去多用锻制，近年来也开始采用多层包扎焊接结构要和其他结构形式相比，多层包扎式筒体生产周期长，制造中手工操作量大。但这些不足会随着技术的进步而不断得到改善。 2.多层热套式筒体最早用于制造超高压反应容器和炮筒上。它是由几个用中等厚度一般为2050mm的钢板卷焊成的圆筒体套装而成，每个外层筒的内径均略小于由套入的内层筒的外径，将外层筒加热膨胀后把内层筒套入，这样将各层筒依次套入，直至达到设计厚度为止。再将若干个筒节和端部法兰（端部法兰也可采用多层热套结构） 组
13、焊成筒体。早期制作这种筒体在设计中均应考虑套合预应力因素，以确保层间的计算过盈量（筒外径大于外筒内径的数量），这就需要对每一层套合面进行精密加工，,增加了加工上的困难。近年来工艺改进后对过盈量的控制要求较宽，套合面只需进行粗加工或只喷砂（或喷丸）处理而不经机加工，大大简化了加工工艺。筒体组焊成后进行退火热处理，以消除套合应力和焊接残余应力。多层热套式筒体兼有整体式和组合筒体两者的优点，材料利用率较高，制造方便，无需其他专门工艺装备，发展应用较快。当然，多层热套式筒体也有弱点，因其层数较少，使用的是中厚板，所以在防脆断能力要差于多层包扎式。,3.多层绕板式筒体是在多层扎式筒体的基础上发展而来的。
14、它由内筒、绕板层、楔形板和外筒四部分组成。内筒一般用1040mm的钢板卷焊而成；绕板层则是用厚35mm的成卷钢板构成，首先将成卷钢板的端部搭焊在内筒上，然后用专用的绕板机床将绕板连续地缠绕在内筒上，直至达到所需厚度为止。起保护作用的外筒厚度一般为1012mm，是现场半圆形壳体，用机械方法紧包在绕板层外面，然后纵向焊接。由于绕板层是螺旋状的，因此在绕板层与内、外筒之间出现了一个底边高等于绕板厚度的三角形空隙区，为此在绕版层的始端与未端都得事先焊上一段较长的楔形板以填补空隙，故筒体只有内外筒有纵焊缝,绕板层基本上没有纵焊缝，省却需逐层修磨纵焊缝的工作，其材料利用率和生产自动化均高于多层包扎式结构。
15、但受限于卷板宽度，筒节不能做得很长（目前最长的为2.2米），且长筒体的环焊缝较多。我国于1966年就研制成多层绕板式容器，但由于受绕板机床能力和卷板宽度的制约，目前只能绕制外径为4001000mm的筒节，且最大长度公为1600mm。,4.螺旋包扎筒体是多层扎式结构的改进型。多层包扎式筒体的层板层为同心圆，随着半径的增加，每层层板的展开长度不同，因此要求准确下料以保证焊接间隙，这不仅费时间而且费料。螺旋包扎式机构则有所改进，后者采用楔形板和填补板作为包扎的第一层。楔形板一端厚度为层板厚度的两倍，然后逐惭减薄至层板厚度，这样第一层就形成一个与层板厚度相等的台阶，使以后各层呈螺旋形逐层包扎。包扎至最
16、后一层，可用与第一层楔形板方向相反的楔形板收尾，使整个筒节仍呈圆形。这种结构比多层包扎式下料工作量要少，并且材料利用率也有所提高。,（二）绕制式筒体结构 这种结构型式包括型槽绕带式和扁平钢带式二 种。这种筒体是由一个用钢板卷焊而成的内筒和在其外面缠绕的多层钢带构成。它具有多层板筒体的一些优点，而且可以直接缠绕成所需长度的筒体，因而可以避免多层板筒体那样深而窄的环焊缝。 1.型槽绕带式筒体制造时先用18-50mm厚的钢板卷焊一个内筒并将内筒的外表面加工成可以与型槽刚带相互啮合的沟槽，然后缠绕上数层型槽钢带至所需要厚度。钢带的始端和未端用焊接固定。由于型槽钢带的两面都带有凹凸槽，缠绕式钢带层之间及
17、其和内筒之间均能互相啮合，使筒体能承受一定的轴向力。此外，在缠绕时一面用电加热钢带，一面拉紧钢带，并且用辊子压紧和定向， 缠绕后,用空气和水冷却，使钢带收缩而对内层产生预应力。筒体的端部法兰也可以用同样方法绕成，并将外表面加工成圆柱形，然后在其外面热套上法兰箍。型槽绕带容器适用于大型高压容器，此种结构一般用于直径600mm以上，温度350以下，压力19.6Mpa以上的工况。这类产品制造时机械化程度、生产效率和材料利用率均较高，经长期使用证明，质量良好，安全可靠。但由于铜带形状复杂，尺寸公差要求较严，从而给轧钢厂的轧辊制造带来很大困难，若变换钢带材料就必须要重新设计、制造轧辊。况且钢带之间的啮合
18、需要几个面同时贴紧，难以保证，带层之间总有局部啮合不良现象。筒壁开孔和搬运都比较困难，要小心避免外层钢带损坏。,2.扁平钢带式筒体属我国首创，其全称应为扁平钢带倾角错绕式筒体，由内筒、绕带层和筒体端部三部分组成。内筒为单层卷焊，其厚度一般为筒体总厚度的20%-25%，筒体端部一般为锻件。其上有30锥面以便与钢带的始未端相焊。扁平钢带以倾角（钢带缠绕方向与筒体横断面之间的夹角，一般为26-31）错绕的方式缠绕于内筒上，（见图2-12）.这样带层不仅加强了筒体的周向强度，同时也加强了轴向强度，克服了型槽绕带式筒体轴向强度不足的弱点。相邻层钢带交替采用左、右旋螺纹方向缠绕，使筒体中产生附加扭矩的问题
19、得以解决，改善了受力状太态。,这种筒体避免了深度焊缝，并且具有先漏后破、破坏时无碎片，事故危害较小等优点。加之材料来源广泛（一般为804mm断面的扁平钢带），制造设备和制造工艺简易，生产周期短等优点，因而已在小型化肥厂中广为应用。 扁平钢带式筒体也存在某些不足之处，如钢带之间的间隙在绕制过程中很难均匀，每条钢带距缠绕终端300mm轴向长度，由于结构的原因无法施加预应力而只能浮贴于内筒或里层带钢带上，经多层爆破试验证实，这种结构的爆破压力低于其他形式的容器。故目前扁平钢带式容器用于直径小于1000mm，压力31.36Mpa，温度小于200的工况条件。,第三节 封 头,封头按形状可分为三类，即凸形
20、封头、锥形封头和平板封头。其中平板封头在过去制造的高压容器上有所采用。但是，随着高压容器的大型化，用大型锻件加工制成的平板封头就显得特别笨重，因此近年来制造的高压容器，特殊是大直径的高压容器很少采用了。平板封头主要用作压力容器人孔、手孔的盖板和高压容器的端盖。锥形封头一般用于某些特殊用途的容器，而凸形封头在压力容器中得到了广泛的采用。,一、凸形封头 有半球形、碟形、椭圆形和无折边球形封头。 （一）半球形封头实际上就是一个半球体，直径较小的半球型封头可整体压制成形，而直径较大的则由于其深度太大，整体压制困难，故采用数块大小相同的梯形球面板和顶部中心的一块圆形球面板（球冠）组焊而成。球冠的作用是把梯形球面板之间的焊缝间隔开，以保持一定的距离，避免应力集中。,
