【正文】 CH1 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 承壓設(shè)備的定義 承壓設(shè)備分類的目的 承壓設(shè)備分類方法 承壓設(shè)備的結(jié)構(gòu) 承壓設(shè)備的載荷、應(yīng)力及其對(duì)安全的影響 壓力容器的結(jié)構(gòu) ?壓力容器的結(jié)構(gòu)性能要求： ? 壓力容器除應(yīng)滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)外，還應(yīng)滿足各項(xiàng)結(jié)構(gòu)性能要求： ?強(qiáng)度： 壓力容器所有部件都應(yīng)有足能的強(qiáng)度，否則就不能保證壓力容器的安全?？紤]壓力容器部件結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，要同時(shí)兼顧強(qiáng)度、材料、制造和檢驗(yàn)成本等諸多方面因素。一般應(yīng)根據(jù)各部件所承受的載荷進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度計(jì)算，在符合所用材料的強(qiáng)度要求，便于制造和檢驗(yàn)的前提下合理地確定各部件的結(jié)構(gòu)尺寸。 ?剛度與穩(wěn)定性： 剛度與穩(wěn)定性是指構(gòu)件在外力作用下保持其原有形狀的能力。有時(shí)壓力容器的設(shè)計(jì)主要取決于剛度與穩(wěn)定性而不是強(qiáng)度，例如承受外壓的容器、真空容器等。另外，為了滿足制造工藝要求以及運(yùn)輸和安裝過程中的剛度要求，有時(shí)也需要增加部件的厚度，以提高壓力容器剛度。 ?密封性： 壓力容器密封的可靠性是保證安全生產(chǎn)的重要措施之一，這是由于流程工業(yè)生產(chǎn)的物料往往是易燃、易爆或有毒、有害的介質(zhì)。物料的泄漏，不但影響生產(chǎn)，更重要的是會(huì)造成人員中毒、死亡，甚至引起爆炸，其后果非常嚴(yán)重。 壓力容器的結(jié)構(gòu) ?壓力容器的結(jié)構(gòu)性能要求： ? 壓力容器除應(yīng)滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)外，還應(yīng)滿足各項(xiàng)結(jié)構(gòu)性能要求： ?耐久性： 壓力容器的耐久性是根據(jù)所要求的使用年限來決定的。一般壓力容器的使用年限為 8~12年，重要的壓力容器，如高壓容器一般設(shè)計(jì)年限為 20~25年，甚至 30年，原因是高壓容器的制造成本高，通常將內(nèi)件加以改進(jìn)和更換，而仍保留和使用壓力容器外殼。核電容器早先的設(shè)計(jì)壽命為 30~40年，現(xiàn)在已達(dá)到 60年。通過各種延壽措施，壓力容器的實(shí)際使用年限往往還要長，其耐久性大多取決于腐蝕情況。在某些特殊情況下，還取決于容器的疲勞、蠕變、材料性能劣化（如應(yīng)變時(shí)效、珠光體球化、石墨化）以及振動(dòng)等。根據(jù)使用年限和服役條件，如腐蝕、高溫等情況，正確選用材料，設(shè)計(jì)容器細(xì)部結(jié)構(gòu)、降低容器中的應(yīng)力水平，是保證容器耐久性的重要措施。 ?制造、檢驗(yàn)、操作和運(yùn)輸方便： 壓力容器的結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮便于制造和檢驗(yàn)，以保證質(zhì)量和滿足長期運(yùn)行的要求，并應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)部件。標(biāo)準(zhǔn)化是降低容器設(shè)備成本的一個(gè)重要因素。容器的結(jié)構(gòu)還要考慮便于操作和日常維護(hù)，設(shè)置必要的人孔、手孔和檢查孔等。容器的尺寸和形狀應(yīng)考慮運(yùn)輸?shù)姆奖?，其直徑、長度和重量應(yīng)符合運(yùn)輸部門的規(guī)定。 壓力容器的結(jié)構(gòu) ?常用壓力容器的結(jié)構(gòu)： ? 壓力容器通常是由筒體、封頭、法蘭、接管、支座等部件所組成。 殼體 殼體之封頭 支座 連接件 接管 開孔 密封元件 人孔 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 5 整體式筒體 ?整體式筒體結(jié)構(gòu)有單層卷焊、整體鍛造、鍛焊、鑄 鍛 焊以及電渣重熔等五種結(jié)構(gòu)型式： 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 6 單層卷焊式筒體 ? 用卷板機(jī)將鋼板卷成縱向開口圓筒，然后將縱向開口焊接在一起制成帶縱焊縫筒節(jié)，再將若干個(gè)筒節(jié)組焊形成筒體，最后配上封頭或端蓋組裝成容器。這是應(yīng)用最廣泛的一種容器結(jié)構(gòu)。 優(yōu)點(diǎn)： ? 結(jié)構(gòu)成熟，使用經(jīng)驗(yàn)豐富，理論較完善； ? 制造工藝成熟、流程簡單，材料利用率高； ? 便于進(jìn)行調(diào)質(zhì)（淬火加回火）等熱處理； ? 容易裝設(shè)開孔、接管及內(nèi)件； ? 零件少，生產(chǎn)及管理方便； ? 無使用溫度限制，可作為熱容器及低溫容器。 主要缺陷： 一：其壁厚往往受到鋼材軋制和卷制能力的限制，我國目前單層卷焊式筒體的最大壁厚一般 ≤150mm，國外可達(dá) 300mm左右； 二：規(guī)格相同的壓力容器產(chǎn)品，單層卷焊式筒體所用鋼板厚度最大，厚鋼板各項(xiàng)性能差異大，且綜合性能也不如薄板和中厚板，因此產(chǎn)生脆性破壞的危險(xiǎn)性增大； 三：在壁厚方向上應(yīng)力分布不均勻，材料利用不夠合理。隨著冶金和壓力容器制造技術(shù)的改進(jìn)，單層卷焊式結(jié)構(gòu)的上述不足將逐步得到克服。 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 7 整體鍛造式筒體 ?早采用且沿用至今的一種壓力容器筒體結(jié)構(gòu)型式。它是在鋼坯上采用鉆孔或熱沖孔方法先開一個(gè)孔，加熱后在孔中穿一心軸，然后在鍛壓機(jī)上逐漸鍛壓成形，最后再經(jīng)過切削加工制成，筒體的頂、底部可和筒體一起鍛出，也可分別鍛出后用螺紋連接在筒體上，是沒有焊縫的全鍛制結(jié)構(gòu)。如容器較長，也可將筒體分幾節(jié)鍛出，中間用法蘭連接。 ?常用于超高壓等場合，它具有質(zhì)量好、使用溫度無限制的優(yōu)點(diǎn)。因制造時(shí)鉆孔在鋼錠心部的比較疏松的部位，剩余部分經(jīng)鍛壓加工后組織密實(shí)，故質(zhì)量可靠。制造整體鍛造式筒體的缺點(diǎn)是，需要鍛壓、切削加工和起重設(shè)備等一整套大型設(shè)備；材料利用率較低；在結(jié)構(gòu)上存在著與單層卷焊式筒體相同的缺點(diǎn)。因此，這種筒體結(jié)構(gòu)一般只用于內(nèi)徑為300~500mm的小型容器上。 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 8 鍛焊式筒體 ?在整體鍛造式筒體基礎(chǔ)上，隨著焊接技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來的，是由若干個(gè)鍛制的筒節(jié)和端部法蘭組焊而成，所以只有環(huán)焊縫而沒有縱焊縫。與整體鍛造式相比，無需大型鍛造設(shè)備，故容器規(guī)格可以增大，保持了整體鍛造式筒體材質(zhì)密實(shí)、質(zhì)量好、使用溫度沒有限制等主要優(yōu)點(diǎn)。因而常用于直徑較大的高壓容器，且在核容器上也獲得了廣泛的應(yīng)用。 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 9 鑄 — 鍛 — 焊式筒體 ?隨著鑄造、鍛造和焊接技術(shù)的發(fā)展提高而出現(xiàn)的一種新型的筒體。制造時(shí)，根據(jù)容器的尺寸，在特制的鋼模中直接澆鑄成一個(gè)空心八角形鑄錠，鋼模中心設(shè)有一活動(dòng)式激冷芯柱，在鋼水凝固過程中，可以更換芯柱以控制激冷速度，使晶粒細(xì)化。澆鑄后切除冒口及兩端，鍛造成筒節(jié)，經(jīng)機(jī)加工和熱處理后組焊成容器。這種制造工藝金屬消耗量可大大降低，但制造工序較復(fù)雜。 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 10 電渣重熔筒體 ?或稱電渣焊成形筒體，近年發(fā)展起來的一種制造過程高度機(jī)械化、自動(dòng)化的筒體結(jié)構(gòu)型式。造制時(shí)，將一個(gè)很短的圓筒（稱為母筒）夾在特制機(jī)床的卡盤上，利用電渣焊在母筒上連續(xù)不斷地堆焊，直到所需長度。熔化的金屬形成一圈圈的螺圈條，經(jīng)過冷卻凝固而成為一體，其內(nèi)外表面同時(shí)進(jìn)行切削加工，以獲得所要求的尺寸和粗糙度。這種筒體的制造無需大型工裝設(shè)備，工時(shí)少，造價(jià)低，器壁內(nèi)各部分材質(zhì)比較均勻，無夾渣與分層等缺陷。是一種很有前途的制造高壓容器的工藝。 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 11 組合式筒體 ?組合式筒體結(jié)構(gòu)又可分為多層板式結(jié)構(gòu)和繞制式結(jié)構(gòu)兩大類。 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 12 多層板式筒體結(jié)構(gòu) ? 包括多層包扎、多層熱套、多層繞板、螺旋包扎等數(shù)種。這種筒體由數(shù)層或數(shù)十層緊密貼合的薄金屬板構(gòu)成。 優(yōu)點(diǎn)： ? 一是可通過制造工藝過程控制和產(chǎn)生層板間預(yù)應(yīng)力，使殼壁應(yīng)力沿壁厚分布趨于均勻，使殼體材料得到充分利用，所以壁厚可以減薄； ? 二是當(dāng)容器的介質(zhì)具有腐蝕性時(shí)，可以采用耐蝕合金鋼作內(nèi)筒，而用低廉的碳鋼或其它強(qiáng)度較高的低合金鋼作層板，能充分發(fā)揮不同材料的長處，節(jié)省貴重金屬； ? 三是當(dāng)殼壁材料中存在的裂紋等嚴(yán)重缺陷一般不易擴(kuò)展到其它各層； ? 四是由于使用薄板，具有較好的抗裂性能，所以脆性破壞的可能性較??； ? 五是在制造上不需要大型鍛壓設(shè)備。 缺點(diǎn)： 多層板厚壁筒體與鍛制的端部法蘭或封頭的深環(huán)焊縫，常因兩連接件的熱傳導(dǎo)情況差別較大而產(chǎn)生焊接缺陷，有時(shí)還會(huì)因此而發(fā)生脆斷。目前，已有多家大型壓力容器制造廠采用階梯狀環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)，避免深環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)。由于多層板式筒體在結(jié)構(gòu)和制造上具有較多的優(yōu)點(diǎn)，是制造高壓容器，特別是大型高壓容器的主要結(jié)構(gòu)形式，而且制造方法也在不斷發(fā)展?，F(xiàn)分述如下： 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 13 多層包扎式筒體 ?美國斯密思（ . Smith）公司于 1931年首創(chuàng)，現(xiàn)已為許多國家所采用，是目前使用最廣泛、制造和使用經(jīng)驗(yàn)最為成熟的組合式筒體結(jié)構(gòu)。 ?先用 15~25mm厚的鋼板卷焊成內(nèi)筒，然后再將 6~12 mm，隨著包扎能力的提高，現(xiàn)已有采用 20mm厚以上的層板壓卷成兩個(gè)半圓形或三瓦片形，用鋼絲繩或其它裝置扎緊并點(diǎn)焊固定在內(nèi)筒上，焊好縱縫并把其外表面修磨光滑，依此繼續(xù)直到達(dá)到設(shè)計(jì)厚度為止。層板間的縱焊縫要相互錯(cuò)開一定角度，使其分布在筒節(jié)圓周的不同方位上。此外筒節(jié)上開有若干穿透各層層板（不包括內(nèi)筒）的小孔，一組稱透氣孔，用以排除層板間隙中的氣體，避免氣體膨脹產(chǎn)生不必要的應(yīng)力；另一組稱為信號(hào)孔、泄漏孔或檢漏孔，通過直接觀察有無介質(zhì)泄漏或間接通過檢測通入的檢漏氣體（如蒸汽）進(jìn)出檢漏孔時(shí)成分的變化，來及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)筒破裂泄漏，防止缺陷擴(kuò)大。 ?筒體端部的法蘭過去多用鍛制，近年來也開始采用多層包扎焊接結(jié)構(gòu)。和其它結(jié)構(gòu)型式相比，多層包扎式筒體生產(chǎn)周期長、制造中手工操作量大。目前液壓包扎手的采用已使其得到改善。 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 14 圖 155 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 15 多層熱套式筒體 ?最早用于制造超高壓反應(yīng)容器和炮筒上。如圖所示，它由幾個(gè)中厚度（一般為 20~50mm）鋼板卷焊而成的圓筒套裝而成，每個(gè)外層圓筒的內(nèi)徑均略小于被套裝的內(nèi)層圓筒的外徑，將外層圓筒加熱膨脹后套在內(nèi)層圓筒外面，這樣將各層筒依次相套，直到達(dá)到設(shè)計(jì)厚度為止。再將若干個(gè)筒節(jié)和端部法蘭（端部法蘭也可采用多層熱套結(jié)構(gòu)）組焊成筒體。早期制作這種筒體在設(shè)計(jì)中均應(yīng)考慮套合預(yù)應(yīng)力因素，以確保層間的計(jì)算過盈量（內(nèi)筒外徑大于外筒內(nèi)徑的量），這就需要對(duì)每一層套合面進(jìn)行精密加工，增加了加工上的困難。近年來工藝改進(jìn)后，對(duì)過盈量的控制要求較寬，套合面只需進(jìn)行粗加工或只噴砂（或噴丸）處理而不經(jīng)機(jī)加工，大大簡化了加工工藝。筒體組焊成后進(jìn)行退火熱處理，以消除套合應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。多層熱套式筒體兼有整體式和組合筒體兩者的優(yōu)點(diǎn)，材料利用率較高，制造方便，無需其它專門工藝裝備，發(fā)展應(yīng)用較快。當(dāng)然，多層熱套式筒體也有弱點(diǎn)，因其層數(shù)較少，使用的是中厚板，所以在防脆斷能力方面要差于多層包扎式。 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 16 圖 156 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 17 多層繞板式筒體 ?在多層包扎式筒體的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。它由內(nèi)筒、繞板層、楔形板和外筒四部分組成。內(nèi)筒一般用 10~40mm厚的鋼板卷焊而成；繞板層則是用厚 3~5mm的成卷鋼板構(gòu)成。首先將成卷鋼板的端部搭焊在內(nèi)筒上，然后用專用的繞板機(jī)將鋼板連續(xù)地纏繞在內(nèi)筒上，直到達(dá)到所需厚度為止。起保護(hù)作用的外筒厚度一般為 10~12mm，為兩個(gè)半圓殼體，用機(jī)械方法緊包在繞板外面，然后縱向焊接在一起。由于繞板層是螺旋狀的，因此在繞板層與內(nèi)、外筒之間均出現(xiàn)一個(gè)一邊高等于鋼板厚度的三角形空隙區(qū)，為此在繞板層的始端與末端都得事先焊上一段狹長的楔形板以填補(bǔ)空隙。故筒體只有內(nèi)外筒有縱焊縫，繞板層基本上沒有縱焊縫，省卻需逐層修磨縱焊縫的工作，其材料利用率和生產(chǎn)自動(dòng)化程度均高于多層包扎式結(jié)構(gòu)，但受限于卷板寬度、筒節(jié)不能做得很長（目前最長的為 ），且長筒的環(huán)焊縫較多。我國于 1966年就研制成多層繞板式容器，但由于受繞板機(jī)能力和卷板寬度的制約，目前只能繞制外徑為400~l200mm的筒節(jié)，且最大長度僅為 1600mm。 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 18 楔形板形狀 2022/1/4 第一章 承壓設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí) 19 螺旋包扎筒體 ?是多層包扎式結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型。多層包扎式筒體層板層為各層半徑不同的同心圓，其每層層板的展開長度也不同，這就要求準(zhǔn)確下料以保證裝配焊接間隙，不僅費(fèi)時(shí)而且費(fèi)料。螺旋包扎式結(jié)構(gòu)則采用楔形板和填補(bǔ)板作為包扎的第一層。楔形板一端厚度為層板厚度的兩倍，然后逐漸減薄至層板厚度，這樣第一層就形成 — 個(gè)與層板厚度相