第2章 壓力容器的基本知識

1、第二章 壓力容器的基本知識2-1壓力容器一、壓力(一)壓力及單位均勻地垂直作用于單位面積上的力，實際上就是壓強。MKS制國際單位制(SI)1牛頓/米2=1Pa(帕斯卡)=10-6MPaCGS制1dyn/cm2(達因/厘米2)=1bar(微巴)=10-6bar工程單位1Kgf/cm2(公斤力/厘米2)=1工程大氣壓(at)(atm)標準大氣壓或物理大氣壓在緯度為450的海平面上(即重力加速度為9.80665米/秒2處)，大氣的壓力相當(dāng)于在每平方厘米的面積上作用著1.0332公斤力。表壓力壓力表上所指示的壓力值是指容器中的壓力與容器周圍大氣壓力之差，這個壓力值稱作表壓力，是相對值。絕對壓力表壓力+

2、容器周圍的大氣壓力。(二)壓力的形成用分子論來解釋氣體的分子與分子之間存有很大的間隙，分子引力甚小，因而分子在其中就可以不受分子力的約束而作無規(guī)則的運動。無數(shù)個分子頻繁地碰撞器壁的結(jié)果，自然就會對器壁產(chǎn)生一個持續(xù)而穩(wěn)定的垂直作用力，這樣就形成了氣體的壓力。氣體壓力的大小決定于在單位時間內(nèi)氣體分子對器壁的碰撞次數(shù)和每個分子對器壁沖擊力的大小。碰撞次數(shù)取決于：單位容積內(nèi)氣體的分子數(shù)； 分子的平均運動速度。沖擊力取決于：氣體的分子質(zhì)量(一般是一定的)；分子的運動速度。所以氣體的壓力與它的分子的平均運動速度的平方以及單位容積內(nèi)的氣體分子數(shù)成正比。二、壓力容器定義及其運行特性(一)壓力容器的定義承受流體

3、介質(zhì)壓力的密閉殼體都可屬于壓力容器。我們能考慮的壓力容器是指那些相對來說比較容易發(fā)生事故，而且事故的危害性比較大的特殊設(shè)備。它們需要由專門的機構(gòu)進行監(jiān)督，并按規(guī)定的技術(shù)管理規(guī)范進行制造和使用。壓力容器的界限，國際上還沒有一個完全統(tǒng)一的規(guī)定，它的界限范圍就應(yīng)該從發(fā)生事故的可能性和事故危害性的大小來考慮。一般來說，壓力容器發(fā)生爆炸事故時，其危害的嚴重程度與壓力容器的工作介質(zhì)，工作壓力及容積有關(guān)。工作介質(zhì)是指容器內(nèi)所盛裝的、或在容器中參加反應(yīng)的物質(zhì)。壓力容器爆破時所釋放的能量與它的工作介質(zhì)的物性狀態(tài)有關(guān)。一個容積為10米3，工作壓力為11個絕對大氣壓的容器：空氣爆破時釋放能量(氣體絕對膨脹所作的功)

4、1.3107焦耳；如果裝水時釋放能量為2.16103焦耳；前者為后者的6200倍。一般都不把介質(zhì)為液體的容器列入作為特殊設(shè)備的壓力容器的范圍。這里所說的液體是常溫下的液體，而不包括：飽和液體溫度高于其標準沸點，如鍋爐中的高溫飽和水。液化氣體標準沸點在常溫(或環(huán)境溫度)以下的液體。所以從工作介質(zhì)的狀態(tài)這一方面來考慮劃分壓力容器的界限范圍，它應(yīng)該包括壓縮氣體、水蒸汽、液化氣體和工作溫度高于其標準沸點的飽和液體。工作壓力表壓為一個大氣壓為下限。容積最好有一個下限，有些國家以工作壓力(大氣壓)容積(米3)0.2作為下限。按照GB150-1998鋼制壓力容器的規(guī)定，設(shè)計壓力低于0.1MPa的容器屬于常壓

5、容器，而設(shè)計壓力大于或等于0.lMPa的容器屬于壓力容器。從安全角度考慮，壓力并不是表征壓力容器安全性能的唯一指標。在相同壓力下，容器容積的大小不同，意味著容器內(nèi)積蓄的能量也不同，一旦發(fā)生破裂或爆炸造成的危害也不同。此外，容器內(nèi)盛裝的介質(zhì)特性也影響了設(shè)備的安全性能。因此，壓力、容積、介質(zhì)特性是關(guān)聯(lián)到壓力容器安全的三個重要指標。中國壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程中定義同時具備下列三個條件的容器可作為壓力容器。 最高工作壓力大于等于0.1MPa (不含液體靜壓力）； 內(nèi)直徑（非圓形截面指其最大尺寸）大于或等于0.15m，且容積大于或等于0. 025m3 ； 盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于

6、標準沸點的液體。按中國特種設(shè)備安全監(jiān)察條例附則的規(guī)定，壓力容器的含義是：盛裝氣體或者液體，承受一定壓力的密閉設(shè)備，其最高工作壓力大于或等于0.lMPa(表壓），且壓力與容積的乘積大于或等于2.5MPaL的氣體或液化氣體和最高工作溫度高于或等于標準沸點的液體的固定式容器和移動式容器；盛裝公稱工作壓力大于或等于0.2MPa (表壓），且壓力與容積的乘積大于或等于1.0MPaL的氣體或液化氣體和標準沸點等于或低于60C的液體氣瓶；醫(yī)用氧艙等。 (二)壓力容器的運行特性I壓力 器外產(chǎn)生壓力：（1） 氣體壓縮機：是用機械方法來提高氣體壓力的一種機器。1） 容積型壓氣機：通過縮小氣體的體積、增加氣體的密度

7、來提高氣體的壓力。如：螺桿式、活塞式、轉(zhuǎn)子式、滑片式等。2） 速度型壓氣機：通過增加氣體的流動速度、并使氣體的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽軄硖岣邭怏w的壓力。如：離心式，軸流式、混流式等。工作介質(zhì)為工作介質(zhì)為壓縮氣體的壓力容器，可能達到的最高壓力一般也只限于保持壓氣機出口的氣體壓力，除非氣體在器內(nèi)溫度大幅度升高或產(chǎn)生其他物理化學(xué)變化。（2）蒸汽鍋爐或余熱鍋爐：用加熱的方法將水蒸發(fā)而產(chǎn)生水蒸汽的一種設(shè)備。1個絕對大氣壓下：沸騰水的比容為1.043升/公斤，飽和蒸汽的比容為1725升/公斤。也就是說，水變?yōu)橄嗤瑝毫Φ乃羝麜r體積約增大1700倍。工作介質(zhì)為水蒸汽的壓力容器，其可能達到的最高壓力也只限于鍋爐的出汽壓

8、力。有時候壓力容器所需要的蒸汽壓力小于鍋爐的出汽壓力，則在容器的蒸汽進口管上裝設(shè)減壓閥，調(diào)整減壓閥即可得到容器所需的蒸汽壓力。器內(nèi)產(chǎn)生壓力：（1） 器內(nèi)介質(zhì)的聚集狀態(tài)發(fā)生改變：一般是液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)在器內(nèi)受熱，因而蒸發(fā)或分解為氣體，體積劇列膨脹。容器密閉，密度增加，壓力增高如：氨0時飽和蒸氣壓4.38絕對大氣壓50，20.7絕對大氣壓。（2） 介質(zhì)在器內(nèi)受熱溫度劇列升高（一般是少見的）：溫度每升高1壓力的增加等于它在0時壓力的1/273。查理定律：溫度升高1，壓力增大1/273。如果發(fā)生聚合反應(yīng)，產(chǎn)生大量的聚合熱，壓力也會劇烈增高。（3） 介質(zhì)在器內(nèi)發(fā)生體積增大的化學(xué)反應(yīng)：碳化鈣加水，產(chǎn)生乙炔；

9、密閉容器電解水（1m31240m3氫氣+620m3氧氣），體積增大近2000倍II溫度容器的設(shè)計溫度是指在正常操作情況時，在相應(yīng)的設(shè)計壓力條件下，殼壁或受壓元件可能達到的最高或最低（20)溫度。溫度是壓力容器材料選用的主要依據(jù)之一，也是壓力容器設(shè)計和使用中需要考慮的因素。III介質(zhì)特性由用途和生產(chǎn)工藝所決定的壓力容器的介質(zhì)品種繁多復(fù)雜，從安全方面考慮，對介質(zhì)的特性主要考慮三個方面：一是介質(zhì)與壓力和溫度相關(guān)的物理特性；二是介質(zhì)對材料的腐蝕性；三是介質(zhì)的化學(xué)特性，主要是易燃和易爆性質(zhì)，以及毒性程度。(三) 壓力容器的基本要求對壓力容器最基本的要求是在確保安全的前提下長期有效地運行，因此壓力容器應(yīng)滿

10、足以下幾個方面的要求。1) 強度 強度是指容器在外力作用下不失效和不被破壞的能力。壓力容器的受壓元件都應(yīng)有足夠的強度，以保證在壓力、溫度和其他外載荷作用下不發(fā)生塑性變形、破裂或爆炸等事故。2) 剛度 剛度是指容器在外力作用下保持原來形狀的能力。與強度不同，容器或容器的部件往往不會由于強度不足發(fā)生破裂，但會由于過大的變形而喪失正常的工作能力，如容器及管道的法蘭，由于剛度不足產(chǎn)生翹曲變形而發(fā)生密封泄漏，使密封失效。3) 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是容器在外力作用下保持其幾何形狀不發(fā)生突然改變的性能，如外壓薄壁圓筒可能會突然壓癟而失穩(wěn)。4) 密封 壓力容器往往盛裝一些易燃、易爆或有毒的介質(zhì)，一旦泄漏，不僅會對環(huán)

11、境帶來污染，還可能引起財產(chǎn)的損失和人員傷亡，因而對其密封性能的要求至關(guān)重要，如攪拌反應(yīng)釜攪拌軸處的軸封。5) 使用壽命 壓力容器的設(shè)計使用年限一般為1015年，對于高壓容器等重要的容器，設(shè)計使用年限可為20年。容器的設(shè)計使用年限與其實際使用年限是不同的，如果操作使用得當(dāng)，檢驗維修的好，則實際使用年限可能會比設(shè)計使用年限長得多。壓力容器的使用年限主要取決于容器的腐蝕、疲勞和磨損等。6) 制造與維修 壓力容器的結(jié)構(gòu)應(yīng)便于制造、安裝和檢查，以保證容器安全運行。如采用標準化的零部件、設(shè)置尺寸適宜的人孔和檢查孔。此外，容器的外形和尺寸上還應(yīng)考慮運輸?shù)姆奖恪?-2壓力容器的分類按容器的壁厚分：薄壁容器(厚

12、度1/10內(nèi)徑)，厚壁容器。按殼體承受壓力方式分：可分為內(nèi)壓容器和外壓容器。容器的內(nèi)部介質(zhì)壓力大于外界壓力時為內(nèi)壓容器；反之，則為外壓容器。真空容器是指內(nèi)部壓力小于一個絕對大氣壓（0. IMPa)的外壓容器。內(nèi)壓容器按其設(shè)計壓力，可劃分為低壓、中壓、高壓和超高壓四個壓力等級，見表1-4。按容器工作壁溫分：可分為常溫容器（-20200）、中溫容器（在常溫和高溫之間）、高溫容器（達到蠕變溫度，對碳素鋼或低合金鋼容器，溫度超過420，合金鋼超過450，奧氏體不銹鋼超過550）和低溫容器（-20）。按殼體幾何形狀分：球形、圓筒形、圓錐形、輪胎形。按制造方法分：焊接容器，鍛造、鉚接、鑄造、組合式等。按構(gòu)

13、造材料分：可分為金屬制的和非金屬制的兩類。金屬容器中，又可分為鋼制容器(低碳鋼、普通低合金鋼、不銹鋼等）、鑄鐵容器及有色金屬容器（鈦、鋁等）。非金屬材料既可作容器的襯里，又可作獨立的構(gòu)件。按容器安放形式分：立式容器，臥式等。壓力容器按使用特點和安全管理方面分類：可分為固定式容器和移動式容器兩大類。固定式容器具有固定的安裝和使用地點，工藝操作條件和操作人員都比較固定。移動式壓力容器分為汽車罐車、鐵路罐車、罐式集裝箱和長管拖車。按其結(jié)構(gòu)形式分為常溫裸型、堆積絕熱型、真空粉末絕熱型及高真空多層絕熱型。移動式壓力容器屬于貯運容器，主要盛裝和運輸壓縮氣體、液化氣體和溶解氣體。由于這類容器活動范圍大，環(huán)境

14、條件變化復(fù)雜，在運輸和裝卸過程中容易受到外界的沖擊、振動，甚至可能發(fā)生碰撞或傾翻，一旦發(fā)生事故，帶來的危害性可能更嚴重，所以對此類壓力容器的設(shè)計、制造、檢驗和使用管理要求更高。 按容器在生產(chǎn)工藝過程中的用途分：可分為反應(yīng)容器、盛裝（貯運）容器、換熱容器和分離容器四大類。即用來完成介質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備為反應(yīng)容器；用以盛裝工作介質(zhì)的設(shè)備為盛裝 (貯運）容器；用來使介質(zhì)在容器內(nèi)實現(xiàn)熱交換的設(shè)備為換熱容器；讓介質(zhì)通入容器內(nèi)，利用降低流速、改變流向或用其他物料吸收等方法來進行分離，以達到凈化介質(zhì)或提取其中有用物料的目的為分離容器。1.盛裝容器 盛裝容器的作用主要是用來儲備數(shù)量較多的工作介質(zhì)，以保持介質(zhì)壓力

15、的穩(wěn)定，保證生產(chǎn)的持續(xù)進行。工作介質(zhì)在器內(nèi)一般不發(fā)生化學(xué)的或物理的性質(zhì)的變化。常用的壓縮氣體和液化氣體貯罐(槽）、計量槽、壓力緩沖器等都屬于這種容器。2.反應(yīng)容器 反應(yīng)容器的主要作用是為工作介質(zhì)提供一個進行化學(xué)反應(yīng)的密閉空間。容器內(nèi)的壓力有的是從器外產(chǎn)生的，即工作介質(zhì)經(jīng)過加壓后才進入容器內(nèi)進行反應(yīng)。這種反應(yīng)容器多數(shù)是因為介質(zhì)的反應(yīng)需要在有壓力的情況下才能進行，或者是需要通過增高壓力來加速化學(xué)反應(yīng)，所以要在器內(nèi)維持一定的壓力。這種反應(yīng)容器的操作一般是連續(xù)性的，壓力比較穩(wěn)定，沒有太多的周期性波動。也有的反應(yīng)容器，壓力是在器內(nèi)產(chǎn)生的，即工作介質(zhì)在器內(nèi)發(fā)生體積增大的化學(xué)反應(yīng)。這種反應(yīng)容器，舊式的多數(shù)是

16、間歇式或半間歇式的，因此器內(nèi)壓力有較頻繁的周期性波動。反應(yīng)容器在工作介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的同時， 往往還伴有溫度的變化，所以常要裝設(shè)一些附屬裝置，如加熱或冷卻裝置、攪拌裝置等。常見的反應(yīng)鍋、聚合釜、合成塔等都屬于反應(yīng)容器。3.換熱容器 換熱器的作用主要是使工作介質(zhì)在容器內(nèi)進行熱量交換，以達到生產(chǎn)工藝過程中所需要的將介質(zhì)加熱或冷卻的目的。換熱容器的型式很多，就傳熱方式來分，可以有蓄熱式、直接式和間接式三種。蓄熱式換熱器中裝有熱容量較大的填充物，高溫介質(zhì)與低溫介質(zhì)交替從容器內(nèi)通過，熱量由高溫介質(zhì)傳給器內(nèi)的填充物，再由填充物傳給低溫介質(zhì)。這種換熱容器在壓力容器中極為少見。直接式換熱器是將加熱（冷卻）介質(zhì)

17、和被加熱（冷卻）介質(zhì)在容器內(nèi)直接接觸，熱量直接由高溫介質(zhì)傳給低溫介質(zhì)，因此它只適用于兩種介質(zhì)不會互相混和或允許相互摻合的場合。這種換熱容器多數(shù)是用水蒸汽直接加熱一些物體，如蒸煮鍋、消毒器等?；蛴盟苯永鋮s一些有壓力的氣體，如水洗塔等。前者，容器內(nèi)的壓力為水蒸汽的壓力。后者，器內(nèi)的壓力為氣體壓力。間接式換熱器是參與換熱的兩種介質(zhì)在容器內(nèi)被隔離不能相互接觸，熱量的交換通過它們之間的隔離壁（如管壁、板壁）來間接完成。這種換熱器的型式更多，使用也更為廣泛。按它的傳熱壁的結(jié)構(gòu)，這種換熱器可以分為兩大類，即管式換熱器和板式換熱器。管式換熱器也有許多種， 屬于壓力容器的，有蛇管（或回彎管）式、排管淋灑式和列

18、管式。其中列管式換熱器使用最普遍，型式也較多。板式換熱器的型式也有多種，壓力容器中較常見的為夾套容器。4.分離容器 分離容器的主要作用是讓介質(zhì)通入容器內(nèi)，利用降低流速、改變流動方向或用其他物料吸收等等方法來分離氣體中的混合物，以達到凈化氣體或提取其中有用的物料的目的。在分離容器中，主要介質(zhì)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，壓力都是來自器外。這種容器的名稱較多，主要是因為它們在各個生產(chǎn)工藝過程中的目的不同或使用的分離凈化方法不同。例如，按容器的作用命名，可以叫分離器、凈化塔、回收塔；按所用的凈化方法命名，可以叫吸收塔、洗滌塔、過濾器等。在實際生產(chǎn)過程中，有一些容器往往具有多種用途。在這種情況下，這些容器應(yīng)歸屬于作

19、為主要用途的一類。例如合成氨廠的二氧化碳水洗塔，既有冷卻原料氣體的作用.（換熱）又有吸收分離出二氧化碳的作用（分離），但它的主要作用是后者，所以應(yīng)該屬于分離（凈化）容器。按安全監(jiān)察管理分類：為有利于安全技術(shù)管理和監(jiān)督檢查，對符合表1-5條件的容器，根據(jù)容器的壓力等級、介質(zhì)毒性危害程度（表1-6)以及在生產(chǎn)過程中的作用，壓力容器（不包括核能容器、船舶上的專用容器）可分為三類。一類容器：非易燃或無毒介質(zhì)的低壓容器；易燃介質(zhì)或毒性程度為中度危害介質(zhì)的低壓分離容器及換熱容器。二類容器：中壓容器；毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的低壓容器；易燃介質(zhì)或毒性程度為中度危害介質(zhì)的低壓反應(yīng)容器和低壓貯存容器；內(nèi)徑小

20、于1m的低壓廢熱鍋爐。低壓搪玻璃壓力容器注：搪玻璃設(shè)備是將含硅量高的瓷釉涂于金屬表面，通過950搪燒，使瓷釉密著于金屬鐵胎表面制成。因此，它具有類似玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性和金屬強度的雙重優(yōu)點 三類容器：高壓、超高壓容器；毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)，且PV0.2Mpam3的低壓容器；易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)，且PV0.5Mpam3中壓反應(yīng)容器；易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)，且PV10Mpam3的中壓貯運容器；毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的中壓容器；高壓、中壓管殼式余熱鍋爐或內(nèi)徑大于1m的低壓余熱鍋爐。 中壓搪玻璃壓力容器； 使用強度級別較高（指相應(yīng)標準中抗拉強度規(guī)定值下限大于等于540Mpa）的

21、材料制造的壓力容器； 移動式壓力容器，包括鐵路罐車（介質(zhì)為液化氣體、低溫液體）、罐式汽車液化氣體運輸（半掛）車、低溫液體運輸（半掛）車、永久氣體運輸（半掛）車和罐式集裝箱（介質(zhì)為液化氣體、低溫液體）等； 容積大于等于50m3的球形貯罐； 容積大于5m3的低溫液體貯存容器。三類壓力容器制造廠的資格復(fù)審和許可證的發(fā)放，要由國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局辦理，而二類、一類容器則由各省、自治區(qū)、直轄市質(zhì)量監(jiān)督局特種設(shè)備安全監(jiān)察處辦理。2-3壓力容器的結(jié)構(gòu)型式壓力容器的結(jié)構(gòu)一般比較簡單，因為它的主要作用或是儲裝壓縮氣體或液化氣體，或是為這些介質(zhì)的傳熱，傳質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)提供一個密閉的空間。它的主

22、要部件是由一個能承受壓力的殼體及其它必要的聯(lián)接件和密封件構(gòu)成。壓力容器一般是由殼體（又稱筒體）、封頭（又稱端蓋）、法蘭、支座、接口管、人孔、密封元件和安全附件等組成，如圖3-1所示。在壓力容器的破壞事故中，有相當(dāng)一部分是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理引起的。因此，設(shè)計合理可靠的結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計同等重要。一、容器本體壓力容器本體的結(jié)構(gòu)型式雖然較多，但最常用的是球形容器和圓筒形容器。其他特殊形狀的如方形、橢球形、半圓筒形、串球形(葫蘆形)等。一般只在極個別的情況下才使用。典型的壓力容器有塔式容器、換熱器、反應(yīng)器、貯存容器等。(一)球形容器本體就是一個球殼，一般都是焊接結(jié)構(gòu)，球形容器的直徑一般比較大，難以整體或半

23、整體壓制成形，所以它大多是由許多塊按一定的尺寸預(yù)先壓制成形的弓形球面板組焊而成。優(yōu)點：表面積小、省材、受力合理，承壓能力好，對于用作需要與周圍環(huán)境隔熱的容器也是有利的，因為它節(jié)省隔熱材料，減少熱的傳導(dǎo)，如造紙工業(yè)中用于蒸煮紙漿的“蒸球”就是利用此優(yōu)點。缺點：安裝內(nèi)件不便，不利于介質(zhì)流動，制造稍難，故一般只廣泛用作貯罐（盛裝容器）。(二)圓筒形容器圓筒形容器是由圓柱形筒體和各種凸形封頭.（半球形、橢球形、碟形、圓錐形）或平板封頭所組成。作為容器主體的圓柱形筒體是一個平滑的曲面，受力自然不如球形，但應(yīng)力分布比較均勻，而且承壓能力較好，制造容易，便于在內(nèi)部裝設(shè)工藝附件和便于相互作用的工作介質(zhì)在內(nèi)部流

24、動。因此這類容器應(yīng)用最廣。它一般由一個圓筒體和兩端的封頭(端蓋)組成。1.圓筒體一般是焊接(小的用無縫鋼管)，小的只有一條縱、兩條橫焊縫，一般盡量使縱焊縫減至最少。為了便于批量生產(chǎn)，我國實行壓力容器零部件標準化，容器的筒體直徑(內(nèi)徑)按公稱直徑(Dg)選用，如600mm。但用無縫鋼管制作的圓筒體，公稱直徑指它的外徑。2.封頭封頭或端蓋按形狀可以分為三類：凸形封頭、錐形封頭、變徑段、平板蓋等。平板蓋一般用作人孔及手孔。凸形封頭有半球形封頭、碟形封頭、橢圓形封頭和無折邊球形封頭。a) 半球形封頭實際上就是一個半球體，由于它的深度(高度)太大，整體壓制成形較為困難，所以直徑較大的一般都是由幾塊大小相

25、同的梯形球面板和頂部中心的一塊圓形球面板(球冠)組焊而成，中心圓球面板的作用是把梯形球面板之間的焊縫間隔開一定的距離。優(yōu)點是省材、厚度小、表面積小，但加工制造困難。雖然半球形封頭壁厚可較直徑與壓力相同的圓筒殼減薄一半，但在實際工作中，為了焊接方便以及降低邊界處的邊緣壓力（為了焊縫處結(jié)構(gòu)連續(xù)），半球形封頭常和筒體取相同的厚度。一般僅用于壓力高，直徑大的貯罐。b) 碟形封頭又稱帶折邊的球形封頭，它常由幾何形狀不同的三個部分組成。1) 以Ri為半徑的球面；2) 高度為h的圓筒體(即直邊)；3) 以r為半徑的過度圓弧(即折邊)。過度圓弧部分的作用使球面體與圓筒體平滑過渡，以減小連接處由于形狀突變而產(chǎn)生

26、的局部應(yīng)力。但由于球面部分與過渡區(qū)、過渡區(qū)與直邊段的曲率半徑不同，造成結(jié)構(gòu)不連續(xù)，會引起連接處的局部高應(yīng)力，因此規(guī)定碟形封頭球面部分的半徑一般不大于筒體內(nèi)徑，通常取0.9倍的封頭內(nèi)直徑，而封頭轉(zhuǎn)角內(nèi)半徑應(yīng)不小于筒體內(nèi)直徑的10%，且不得小于3倍封頭名義壁厚。從碟形封頭的幾何圖形可以看出：碟形封頭的深度與過渡圓弧的曲率半徑r及球面體的半徑Ri的大小有關(guān)。過渡圓弧曲率半徑r越小，球面半徑Ri越大，則封頭深度越小。當(dāng)曲率半徑r小到零時，碟形封頭就成為無折邊的球形封頭。當(dāng)球面半徑Ri大到無限大時，它就成了平板封頭。反之，過渡圓弧曲率半徑r越大、球面半徑Ri越小，則封頭深度就越大。而當(dāng)曲率半徑r與球面半

27、徑Ri相等時，碟形封頭就成了半球形封頭。此時封頭的深度與它的半徑相等。碟形封頭的深度小，加工制造容易，但深度越小，它的過度圓弧曲率半徑也越小而球面半徑就越大，這樣，在過渡圓弧與球面體處的形狀突變也越為嚴重，因此而產(chǎn)生的局部應(yīng)力也越大，封頭需要的壁厚也越大。要使封頭的深度和厚度比較合適，常取r/Ri=0.15。由于在相同受力條件下，碟形封頭的壁厚比相同條件下的橢圓形封頭壁厚要大些，而且碟形封頭存在應(yīng)力不連續(xù)，因此沒有橢圓形封頭應(yīng)用廣泛。c) 橢圓形封頭一般由半橢球體和一個高度為h的圓筒形筒節(jié)（直邊段）兩部分組成。直邊的作用是為了保證封頭的制造質(zhì)量和避免筒體與封頭間的環(huán)向焊縫受邊緣應(yīng)力作用。橢圓形

28、的曲率半徑變化是連續(xù)的，沒有形狀突變處，因此橢圓形封頭的應(yīng)力也是連續(xù)分布的。但加工稍為困難些。壓力容器中常用的是長短軸比值為2的標準橢圓形封頭。由于橢圓殼體周向應(yīng)力為壓應(yīng)力，為了使這部分殼體不致于失穩(wěn)，具有足夠穩(wěn)定性，對于標準橢圓形封頭，規(guī)定其有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%,其他的有效厚度應(yīng)不小于0.30%。d) 無折邊球形封頭球冠形封頭相當(dāng)于把碟形封頭的直邊及過渡段部分去掉，只留下球面部分。并把它直接焊在筒體上。其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本較低，由于與筒體的連接處存在明顯的形狀突變，會產(chǎn)生較大的附加彎曲應(yīng)力，因此只應(yīng)用于直徑較小、壓力較低的容器。采用無折邊球形封頭時，封頭的球面內(nèi)半徑不

29、應(yīng)大于筒體內(nèi)直徑。e) 錐形封頭：主要應(yīng)用于許多化工設(shè)備（如蒸發(fā)器、噴霧干燥器、結(jié)晶器及沉降器等）的底蓋，它的優(yōu)點是便于匯集與卸除這些設(shè)備中的固體物料。有利于氣體在容器內(nèi)均勻分布或改變流速。此外，有一些塔設(shè)備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體將直徑不等的兩段塔體連接起來，這時的圓錐形殼體稱為變徑段。錐形封頭分為無折邊錐形封頭和帶折邊錐形封頭兩種，如圖3-4所示。采用帶折邊錐體作封頭或變徑段可以降低轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中。無折邊的錐形封頭就是一段圓錐體。有較大局部應(yīng)力。帶折邊的錐形封頭由圓錐體，過渡圓弧及圓筒體三部分組成。對于錐體大端，當(dāng)錐殼半頂角30時，可以采用無折邊結(jié)構(gòu)，當(dāng)30時，應(yīng)采用帶過渡段

30、的折邊結(jié)構(gòu)。大端折邊的過渡段轉(zhuǎn)角半徑應(yīng)不小于封頭大端內(nèi)直徑的10%，且不小于該過渡段厚度的3倍。對于錐體小端，當(dāng)錐殼半頂角45時，可以采用無折邊結(jié)構(gòu)，當(dāng)45時，應(yīng)采用帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)。小端折邊的過渡段轉(zhuǎn)角半徑應(yīng)不小于封頭小端內(nèi)直徑的5%，且不小于該過渡段厚度的3倍。當(dāng)錐殼半頂角60時，其厚度可按平蓋計算，也可以用應(yīng)力分析方法確定。錐殼與圓筒的連接應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。例如：1979年某廠的浴室加熱水箱發(fā)生爆炸事故，造成44人死亡（燙死、砸死、溺死）、37人重傷。該加熱箱于1973年由該廠自己制造的，采用無折邊錐形封頭，如圖3-5所示。從爆炸口上看到，筒體與封頭連接的角焊縫處，存在較多的未焊透、氣

31、孔等缺陷。該設(shè)備封頭采用半錐角為75的無折邊錐形封頭，結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，在筒體與封頭的連接處存在較大的局部應(yīng)力，而處在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的角焊縫焊接質(zhì)量又較差，未焊透等缺陷引起了應(yīng)力集中，增大了該處的應(yīng)力水平，致使事故發(fā)生。f) 平板蓋 與其他封頭比較，平板封頭受力情況最差。在相同的受壓條件下，平板蓋比其他形式的封頭厚得多。但是，由于平板封頭結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，在壓力不高，直徑較小的容器中，采用平板封頭比較經(jīng)濟簡便。另外，在高壓容器中，平板封頭也用得較為普遍。這是因為高壓容器的封頭很厚，直徑又相對較小，凸形封頭的制造較為困難。而承壓設(shè)備的封頭一般不采用平板形，只是壓力容器的人孔、手孔以及在操作時需要用

32、盲板封閉的地方，才用平板蓋。并且在壓力容器中，一般采用焊透的焊接結(jié)構(gòu)。二、容器主要附件法蘭、接管、開孔、補強、密封。法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu)型式：壓力容器的可拆聯(lián)接結(jié)構(gòu)一般都是法蘭聯(lián)接。1整體法蘭：整體法蘭與圓筒體固定成為一個不可拆的整體。根據(jù)它與筒體的聯(lián)接方式又有平焊法蘭和對焊法蘭之分。2活套法蘭：活套法蘭是套在筒體外面而不與筒壁固定成整體的一種法蘭。它與筒體沒有剛性的聯(lián)系，不會使器壁產(chǎn)生附加應(yīng)力。3螺紋法蘭：螺紋法蘭是用螺紋與筒體相聯(lián)接的一種法蘭。它與筒體的聯(lián)系既不是完全固定的，也不是完全自由的。這種聯(lián)接結(jié)構(gòu)可以減少法蘭對器壁產(chǎn)生的附加應(yīng)力。但在直徑較大的容器殼體和法蘭上加工螺紋是相當(dāng)麻煩的，故一般只

33、用于管式容器和高壓管道上。 1接口管壓力容器在使用過程中需要與介質(zhì)輸送管道或儀表連接管件等進行聯(lián)接。接口管就是容器專門用來與外部設(shè)備管道聯(lián)接的一種附件。容器上常用的接口管有三種型式：螺紋短管式、法蘭短管式以及平法蘭式，見圖l11。 螺紋短管式接口管是一段帶有內(nèi)螺紋或外螺紋的短管。短管插入并焊接在容器的器壁上，如圖l11(a)。短管螺紋用來與外部管件聯(lián)接。這種型式的接口管一般用于聯(lián)接直徑較小的管道，如接裝測量儀表等。 法蘭短管式接口管是一段焊接有一個管法蘭的短管，如圖111(b)。法蘭用以與外部管件聯(lián)接。這種型式的接口管，在容器外面的一段短管要具有一定的長度，以便短管法蘭與外部管件聯(lián)接時能夠順利

34、地穿進螺栓和上緊螺帽，短管的長度一般都不小于100毫米。外面有保溫層的容器的接口管以及靠近容器本體法蘭的接口管，短管的長度還要大一些。法蘭短管式多用于直徑稍大的接口管。 平法蘭式接口管是法蘭短管式接口管除掉了短管的一種特殊型式。它實際上就是直接焊在容器開孔上的一個管法蘭。不過它的螺孔與一般管法蘭的不同，是一種帶有內(nèi)螺紋的不穿透孔。這種接口管與容器的聯(lián)接有貼合式和插入式兩種型式，見圖1ll(c)。貼合式接口管有一面加工成圓柱狀(或球狀)，使與容器的外壁貼合，并焊接在容器開孔的外壁上，因而容器的孔可以開得小一些。但圓柱形的法蘭面加工比較困難。插入式的法蘭兩面都是平面，它從容器開孔插入到器壁內(nèi)表面進

35、行兩面焊接，插入式接口管加工比較簡單。但不適宜用于器內(nèi)裝有大直徑的部件(如塔板)的容器上。平法蘭式接口管的優(yōu)點是它既可以作接口管與外部管道連接，又可以作補強圈，對器壁的開孔起補強作用，容器開孔不需另外再補強。缺點是裝在法蘭螺孔內(nèi)的螺栓容易受碰折斷，而且一旦折斷后要取出相當(dāng)困難。 2手孔或人孔 為了便于內(nèi)部清理和定期檢驗以及器內(nèi)附件的安裝拆卸，一般壓力容器都開設(shè)有手孔或人孔。手孔或人孔有圓形和橢圓形兩種。橢圓形孔的優(yōu)點是器壁上的開孔面積可以小一些。立式容器的橢圓形人孔，一般開在圓筒體上，因為這樣可以把橢圓孔的短徑放在容器的軸向上，既可以減小開孔對筒體的削弱，也適宜于人的進出(因人孔在水平方向較寬

36、而垂直方向較窄)。臥式容器的人孔開在圓筒體上時一般是圓形孔，橢圓形人孔只開在碟形封頭上。 手孔和人孔的封閉型式有內(nèi)閉式和外閉式兩種。 3開孔補強結(jié)構(gòu) 為了滿足工藝、安裝、檢修的要求，往往需要在容器的筒體和封頭上開各種形狀、大小不同的孔或連接接管。容器的筒體或封頭開孔以后，不但減小了器壁的受力截面積，削弱了容器壁的強度，而且在筒體與接管的連接處，由于原殼體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變化，出現(xiàn)不連續(xù)，在開孔區(qū)域?qū)⑿纬梢粋€局部的高應(yīng)力集中區(qū)，產(chǎn)生應(yīng)力集中。開孔邊緣處的峰值應(yīng)力通常較高，達到甚至超過了材料的屈服極限。較大的局部應(yīng)力，加之容器材質(zhì)和制造缺陷等因素的綜合作用，往往會成為容器的破壞源。因此，需要對壓力容器上

37、開孔位置與尺寸、連接結(jié)構(gòu)和補強問題進行設(shè)計。(1) 容器開孔接管處應(yīng)力集中的特點 在實際容器設(shè)計中，容器殼體開孔后均需焊上接管或凸緣，而開孔接管處的應(yīng)力集中與殼體開小孔時并不相同。在操作壓力作用下，殼體與開孔接管受連接邊緣變形協(xié)調(diào)的要求，在連接處將產(chǎn)生相互的邊緣力與彎矩。因此開孔接管處不僅存在孔邊集中應(yīng)力和薄膜應(yīng)力，還有邊緣應(yīng)力和焊接應(yīng)力。所以容器接管處的應(yīng)力集中遠比小孔處的情況嚴重。(2) 允許開孔的范圍 殼體上的開孔應(yīng)為圓形、橢圓形或長圓形。GB150鋼制壓力容器規(guī)定以下允許開孔的范圍： 在圓筒殼體上開孔，對于內(nèi)徑小于等于1500mm時，最大孔徑應(yīng)小于等于筒體內(nèi)徑的1/2，且小于等于520

38、mm;對于內(nèi)徑大于1500mm的圓筒，最大孔徑應(yīng)小于等于筒體內(nèi)徑的1/3，且小于等于1000mm; 凸形封頭或球形容器開孔，最大孔徑應(yīng)不大于殼體內(nèi)徑的1/2; 錐形封頭的開孔最大直徑應(yīng)不大于孔中心處錐體內(nèi)直徑的1/3。(3) 開孔尺寸 容器上開孔時，無論開孔尺寸的大小，孔邊的應(yīng)力集中都是存在的。對于孔邊應(yīng)力集中的分析是建立在無限大平板開小孔的基礎(chǔ)上，當(dāng)開孔直徑較大時，除了拉壓應(yīng)力外，還存在彎曲應(yīng)力，影響的范圍也較開小孔時不同，因此小開孔理論就不適應(yīng)了。當(dāng)開孔直徑大于GB 150鋼制壓力容器規(guī)定時，其補強設(shè)計與計算需要進行特殊的處理。(4) 開孔補強設(shè)計 所謂開孔補強設(shè)計是在開孔附近區(qū)域增加補強

39、金屬，使之達到提高器壁強度，降低應(yīng)力集中系數(shù)，滿足強度設(shè)計要求的目的。但并非所有的開孔都需要進行補強，這是因為在設(shè)計制造中，殼體厚度往往超過實際強度需要的厚度，實際上容器已被整體補強了。還有在設(shè)計時往往封頭與筒體等厚或厚一點，實際上封頭也巳被加強了。又如接管的壁厚一般都比強度設(shè)計要求的厚，多余的金屬起到了補強的作用。容器開孔補強的形式主要有整體補強和補強圈補強。整體補強是指采用增加整個殼體的厚度，或用全焊透的結(jié)構(gòu)形式將厚壁接管或整體補強鍛件與殼體相焊來降低開孔附近的應(yīng)力。由于開孔應(yīng)力集中的局部性，在遠離開孔區(qū)的應(yīng)力值與正常應(yīng)力值一樣，故除非制造或結(jié)構(gòu)上的需要，一般并不把整個容器壁加厚。在開孔處

40、用全焊透的結(jié)構(gòu)形式焊上一段特意加厚的短管，使接管的加厚部分恰好處于有效補強區(qū)內(nèi)，則可以降低應(yīng)力隼中系數(shù)。整鍛件補強結(jié)構(gòu)是將接管與殼體連同加強部分作成整體鍛件，然后與殼體焊在一起。其優(yōu)點是補強金屬集中于開孔應(yīng)力最大部分，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到大大緩和。補強圈補強是在殼體開孔周圍貼焊一圈鋼板，即補強圈，為最常見的補強結(jié)構(gòu)。補強圈一般與器壁采用搭接結(jié)構(gòu)，材料與器壁相同，補強圈尺寸可參照標準確定，也可按等面積補強原則進行計算。當(dāng)補強圈厚度超過8mm時，一般采用全焊透結(jié)構(gòu)，使其與器壁同時受力，否則不起補強作用。補強圈結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但補強圈與殼體金屬間存在一層靜止的氣隙，傳熱效果差。當(dāng)兩者存在溫差時，會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。另外，由于補強圈與殼體并不是一個整體，因而抗疲勞性能較差。補強圈補強一般適用于常溫、中低壓容器。開孔補強當(dāng)然也可以用增加容器整體壁厚的方法。即把容器簡體或封頭的厚度加大到使孔邊的局部應(yīng)力減小到允許的范圍之內(nèi)