壓力容器的基本類型及結構

第頁壓力容器的基本類型及結構1.壓力容器的分類

壓力容器有多種分類方式，這里僅介紹按其安全的重要程度進行分類。依據安全的重要程度(安全的重要程度是由其壓力凹凸、介質的危害程度以及在生產中的重要作用來決定的)，將壓力容器劃分為三類，即第一類容器，第二類容器和第三類容器，其中的第三類容器最為重要，要求也最為嚴格。其具體劃分如下：

(1)低壓容器(另行規(guī)定的除外)為第一類壓力容器。

(2)以下狀況之一為第二類壓力容器：

1)中壓容器(規(guī)定為第三類的除外)；

2)易燃介質或毒性程度為中度危害介質的低壓反應容器和儲存容器；

3)毒性程度為極度和高度危害介質的低壓容器；

4)低壓管殼式余熱鍋爐；

5)搪瓷玻璃壓力容器。

(3)以下狀況之一為第三類壓力容器：

1)毒性程度為極度和高度危害介質的中壓容器或制定壓力與容積的乘積大于等于0.2MPam3的低壓容器；

2)易燃或毒性程度為中度危害介質的中壓容器或制定壓力與容積的乘積大干等于0.SMPam3的中壓反應容器或制定壓力與容積的乘積大于等于10MPam3的中壓儲存容器；

3)高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；

4)高壓容器。

依據《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》的注明，易燃介質是指與空氣混合的爆炸下限小于10%，或爆炸上、下限之差值大于等于20%的氣體。介質的毒性程度則參照GB－5044職業(yè)性接觸毒物危害程度分級的規(guī)定，按其最高容許濃度的大小分為以下四級：最高容許濃度0.1mg／m3，為極度危害(Ⅰ級)；容許濃度為0.1～1.0mg／m3的，為高度危害(Ⅱ級)；容許濃度為1.0～10mg／m3，為中度危害(Ⅲ級)；容許濃度為10mg／m3的為輕度危害(Ⅳ級)。又依據《鍋爐壓力容器安全監(jiān)察暫行條例》及其《實施細則》的規(guī)定，除液化石油氣氣瓶劃入第二類慶力容器外，其它氣瓶(包括有縫和無縫的)均劃入第三類壓力容器，液化氣體槽車、超高壓容器、特種材料容器、特別用途容器也屬第三類壓力容器。

2.壓力容器的結構

壓力容器的主要部件是一個能承受壓力的殼體及其他必要的聯(lián)接件和密封件，主要包括本體、封頭及其主要附件等。

(1)球形容器

球形容器的本體就是一個圓球殼，由于直徑比較大，難以整體或半球體壓制成形，所以大多是由許多塊按一定尺寸預先壓制成形的球面板組焊而成。板的曲面半徑和板厚一般都是一樣的，只有一些特大型液化氣體貯罐下部球殼板厚比上部的稍大一些。

(2)圓筒形容器

圓筒形容器是使用最為普遍的一種壓力容器，雖然從受力狀況看，圓筒體不如球體，但由于比球形容器易于制造，又便于在內部裝設工藝附加裝置和便于互相作用的兩種工作介質在內部相對流動，因此被廣泛用作反應、換熱和分開容器。圓筒形容器由一個圓筒體和兩端的封頭(端蓋)組成。常用的低壓圓筒容器如圖5－8所示。

圖5—8球殼結構形式

1—封頭；2—圓筒體；3—接管；4—排泄管；5—人孔

1)圓筒體。薄壁圓筒體除了較小者可采納無縫鋼管外，一般都是焊接結構。關于較長筒體，可能有許多條環(huán)焊縫，但一般應盡量使受環(huán)向應力作用的縱焊縫減至最少。

2)封頭。封頭或端蓋常見的有半球形、橢圓形、碟形、錐形及平板形，如圖5－9所示。其中，橢圓形封頭應用最多，它由半橢球體和圓筒體兩部分組成。半橢球體的縱剖面是半條橢圓形曲線，標準橢圓形封頭的橢圓長、短軸之比為2﹕1.

圖5—9凸形封頭

3)容器的開孔、接管與補強。由于設備工作、檢修和檢測的必須要，壓力容器的殼體和封頭通常要開孔、接管，以供物料的進、出，測量壓力、溫度、液位，裝設安全裝置、視鏡、留作入孔、手孔。容器開孔以后，不僅整體強度消弱，而且還由于開孔引起應力集中造成開孔邊緣局部的高應力。為了確保容器的安全使用，除視鏡、入孔、手孔均必須按相應的標準執(zhí)行外，還必須充分合計開孔補強問題。開孔補強結構形式通常有補強圈補強、接管補強、整體鍛件補強。

補強圈補強是在容器外壁或者在內、外壁孔邊上接焊一金屬圈，以全焊透的方法與殼體及接管熔合在一起，使它與容器壁同時受力，以達到強化的目的。

接管補強是把與開孔聯(lián)接的接管的管壁加厚，接管除了承受管內壓力所須厚度外，還有很大一部分剩余壁厚用作孔邊補強。

鍛體補強是在開孔處焊接一整體鍛制的補強體。由于補強元件與殼體采納對接焊接，且焊縫又遠離應力集中區(qū)(孔處)，因而具有較好的抗疲憊性能。

(3)高壓容器

高壓容器多為厚壁容器，其外徑與內徑的比值K大于1.2.高壓容器中承受壓力的殼體以圓筒形占大多數。在工業(yè)生產中所用高壓工藝設備一般由承受高壓的殼體和進行物理或化學過程的內筒構成。高壓容器筒體結構形式按殼壁構成可分為單層式、多層式及繞制式三大類。

1)單層式簡體可采納整體鍛造、鍛焊、原板卷焊或電渣重熔方式制成。單層厚壁容器結構簡單，但是存在不能充分利用整個簡壁材料的強度、產生脆性破裂，和當競壁中局部應力較大部位出現(xiàn)裂痕缺陷時會導致整個殼體破裂等缺點。

2)多層式簡體采納多層包扎式、螺旋包扎式、熱套式、整體多層包扎式等結構。螺旋包扎式和多層繞板筒體截面如圖5－10和圖5－11所示。

圖5－10螺旋包扎式簡體截面圖5－11多層繞板筒體截面

3)繞制式筒體是在多層包扎式的基礎上發(fā)展而來的，兩者內筒相同，所不同的是繞制式是在內筒外連續(xù)纏繞假設干層薄鋼板而構成筒節(jié)，繞板層只有里外兩道縱焊縫。

多層式簡體和統(tǒng)制式簡體不受冶煉、鍛壓設備的限制，生產效率高，材料消耗少；由于制造過程中產生預緊力，在內壓作用下，筒壁壓力分布均勻，可充分利用材料性能，承載力和耐疲憊強度均高于同等狀況單層容器；可依據介質特性選擇合適的內筒，適用于腐蝕介質和氫介質；層板間隙具有阻止缺陷和裂縫向厚度方向擴大的能力，減少了腿性破裂的可能性。

3.壓力容器結構的基本要求

壓力容器的結構是否合理，對容器的安全性有重大影響，不合理的結構會使容器局部產生過高的應力而破壞。為了減少局部應力，壓力容器的結構應該符合如下基本要求：

(l)承壓殼體的結構形狀應該連續(xù)和圓滑過渡，避免因幾何形狀的突變或結構上的不連續(xù)產生較高的應力。

(2)把器壁開孔、焊縫或轉角等產生應力集中或降低部件強度的結構互相錯開，防止局部應力疊加。

(3)避免采納剛性大的結構。剛性結構使焊接時的自由脹績受到約束，產生較大的焊接內應力；也會限制承壓殼體受壓力或溫度變化引起的伸縮變形，產生附加彎曲應力或正應力。

4.壓力容器常見的制造缺陷

除了正確的制定之外，壓力容器的加工制造質量也是影響容器安全的重要因素。由焊接等工藝特點決定，壓力容器的制造過程中常常會出現(xiàn)各種缺陷，導致壓力容器運行過程中發(fā)生事故。常見的制造缺陷有焊接缺陷、殘余應力和幾何形狀不連續(xù)等問題。

(1)焊接缺陷。焊接質量不好，如沒焊透、氣孔、夾渣、焊縫咬邊和焊縫裂痕等，不僅降低容器強度，而且還會在這些缺陷四周產生較大的局部應力，使容器易于產生裂痕。

(2)殘余應力。焊接時焊縫內的金屬呈熔融狀態(tài)，當焊縫冷卻時，焊縫內的金屬收縮受到剛性焊件的限制，在焊縫四周產生拉