【文章內(nèi)容簡介】 堆放 、 吊裝 、 運輸包裝 ， 尤其是焊接等環(huán)節(jié)有一系列特殊要求 。 ? 鋼中以其化學成份又分為碳素鋼 、 低合金鋼 （ 前兩者主要是強度鋼 ） 及高合金鋼 （ 主要用于腐蝕 、 低溫 、高溫等特殊工況 ） 。 壓力容器結構 壓力容器一般是由筒體 （ 又稱殼體 ） 、 封頭 （ 又稱端蓋 ） 、 法蘭 、 接管 、 人孔 、 支座 、 密封元件 、 安全附件等組成 。 它們統(tǒng)稱為過程設備零部件 ， 這些零部件大都有標準 。 其典型過程設備有換熱器 、 反應器 、 塔式容器 、 儲存容器等 。 壓力容器的結構形狀主要有圓筒形 、 球形 、 和組合形 。 圓筒形容器是由圓柱形筒體和各種成型封頭 （ 半球形 、 橢圓形 、 碟形 、錐形 ） 所組成 。 球形容器由數(shù)塊球瓣板拼焊成 。 承壓能力很好 ，但由于安置內(nèi)件不便和制造稍難 ， 故一般用作貯罐 。 壓力容器的筒體 、 封頭 （ 端蓋 ） 、 人孔蓋 、 人孔法蘭 、 人孔接管 、 膨脹節(jié) 、開孔補強圈 、 設備法蘭；球罐的球殼板；換熱器的管板和換熱管；M36以上的主螺栓及公稱直徑大于 250mm的接管和管法蘭均作為主要受壓元件 。 壓力容器結構 ——典型結構 壓力容器結構 ——典型結構 壓力容器結構 ——典型結構 丙烯球罐 壓力容器結構 ——典型結構 壓力容器結構 ——典型結構 壓力容器結構 ——典型結構 壓力容器結構 ——零部件 1. 筒體 圓柱形筒體是壓力容器主要形式 ， 制造容易 、 安裝內(nèi)件方便 、而且承壓能力較好 ， 因此應用最廣 。 圓筒形容器又可以分為立式容器和臥式容器 。 由于容器的筒體不但存在與容器封頭 、 法蘭相配的問題 ， 而且臥式容器的支座標準也是按照容器的公稱直徑系列制定的 ， 所以不但管子有公稱直徑 ， 筒體也制定了公稱直徑系列 。 對于用鋼板卷焊的筒體 ， 用筒體的內(nèi)徑作為它的公稱直徑 ， 其系列尺寸有 300、 400、 500、 600… 等 ， 如果筒體是用無縫鋼管制作的 ， 用鋼管的外徑作為筒體的公稱直徑 。 壓力容器結構 ——零部件 2. 封頭 （ 1） 球形封頭 ——壁厚最薄 ， 用材比較節(jié)省 。但封頭深度大 、 制造比較困難 。 （ 2） 橢圓形封頭 ——橢圓形封頭縱剖面的曲線部分是半個橢圓形 ， 直邊段高度為 h，因此橢圓形封頭是由半個橢球和一個高度為 h的圓筒形筒節(jié)構成 。 橢圓殼體周邊的周向應力為壓應力 ， 應保證不失穩(wěn) 。 （ 3） 碟形封頭 ——碟形封頭是由三部分組成 。第一部分是以半徑為 Ri的球面部分 ， 第二部分是以半徑為 Di/2的圓筒形部分 ， 第三部分是連接這兩部分的過渡區(qū) ， 其曲率半徑為 r,Ri與 r均以內(nèi)表面為基準 。 不連續(xù)過渡導致邊緣應力 。 壓力容器結構 ——零部件 （ 4） 球冠形封頭 ——球冠形封頭可用作端封頭 ， 也可以用作容器中兩獨立受壓室的中間封頭 ， 由于封頭為一球面且無過渡區(qū) ， 在連接邊緣有較大邊緣應力 ， 要求封頭與筒體聯(lián)接處的 T形接頭采用全焊透結構 。 （ 5） 錐形封頭 ——錐形封頭有無折邊錐形封頭和折邊錐形封頭 。 （ 6） 平蓋 ——彎曲應力較大 ， 在等厚度 、同直徑條件下 ， 平板內(nèi)產(chǎn)生的最大彎曲應力是圓筒壁薄膜應力的 20～ 30倍 。但結構簡單 ， 制造方便 。 壓力容器結構 ——零部件 3. 支座 支座是用來支承容器重量和用來固定容器的位置 。 支座一般分為立式容器支座 、 臥式容器支座 。 立式容器支座分為耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座。臥式容器多使用鞍式支座。 4. 法蘭 法蘭連接主要優(yōu)點是密封可靠和足夠的強度 。 缺點是不能快速拆卸 、制造 成本較高 。 法蘭分類主要有以下方法： （ 1） 按其被連接的部件分為壓力容器法蘭和管法蘭 。 （ 2） 按法蘭接觸面的寬窄可分為窄面法蘭和寬面法蘭 。 （ 3） 按整體性程度分為整體法蘭 、 松式法蘭和任意式法蘭 。 5. 人孔與手孔 壓力容器結構 ——開孔與補強 1 為何要進行開孔補強 通常所用的壓力容器 ， 由于各種工藝和結構的要求 ， 需要在容器上開孔和安裝接管 ， 由于開孔去掉了部分承壓金屬 ， 不但會削弱容器的器壁的強度 ， 而且還會因結構連續(xù)性受到破壞在開孔附近造成較高的局部應力集中 。 這個局部應力峰值很高 ， 達到基本薄膜應力的 3倍 ， 甚至 56倍 。 再加上開孔接管處有時還會受到各種外載荷 、 溫度等影響 ， 并且由于材質(zhì)不同 ， 制造上的一些缺陷 、 檢驗上的不便等原因的綜合作用 ， 很多失效就會在開孔邊緣處發(fā)生 。 主要表現(xiàn)不疲勞破壞和脆性裂紋 ， 所以必須進行開孔補強設計 。 2 壓力容器為何有時可允許不另行補強 壓力容器允許可不另行補強是鑒于以下因素： 容器在設計制造中，由于用戶要求，材料代用等原因，殼體厚度往往超過實際強度的需要。厚度的增加使最大應力有所降低，實際上容器已被整體補強了。例如：在選材時受鋼板規(guī)格的限制，使壁厚有所增加；或在計算時因焊接系數(shù)壁厚增加，而實際開孔不在焊縫上；還有在設計時采用封頭與筒體等厚或大一點，實際上封頭已被補強了。在多數(shù)情況下，接管的壁厚多與實際需要，多余的金屬起到了補強的作用。 壓力容器結構 ——開孔與補強 3 開孔補強結構 所謂開孔補強設計 ， 就是指采取適當增加殼體或接管壁厚的方法以降低應力集中系數(shù) 。其所涉及的有補強形式 、 開孔處內(nèi) 、 外圓角的大小以及補強金屬量等 。 (1) 加強圈是最常見的補強結構 ， 貼焊在殼體與接管連接處 ， 如圖 a、 b、 c。 該補強結構簡單 ， 制造方便 ， 但加強圈與金屬間存在一層靜止的氣隙 ， 傳熱效果差 。 當兩者存在溫差時熱膨脹差也較大 ， 因而在局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較大的熱應力 。 另外 ， 加強圈較難與殼體形成整體 ， 因而抗疲勞性能較差 。 這種補強結構一般用于靜壓 、常溫及中 、 低壓容器 。 (2) 接管補強 ， 即在殼壁與接管之間焊上一段厚壁加強管 ， 如圖 d、 e、 f。 它的特點是能使所有用來補強的金屬材料都直接處在最大應力區(qū)域內(nèi) ， 因而能有效地降低開孔周圍的應力集中程度 。 低合金高強度鋼制的壓力容器與一般低碳鋼相比有較高的缺口敏感性 ， 采用接管補強為好 。 (3) 整鍛件補強結構如圖 g、 h、 I， 此結構的優(yōu)點是補強金屬集中于開孔應力最大的部位 ， 補強后的應力集中系數(shù)小 。 由于焊接接頭為對接焊 ， 且焊接接頭及熱影響區(qū)可以遠離最大應力點位置 ， 所以抗疲勞性能好 。 但這種結構需要鍛件 ， 且機械加工量大 ， 所以一般只用于要求嚴格的設備 。 壓力容器結構 ——開孔與補強 圖 補強結構 壓力容器設計 1. 常用設計規(guī)范及適用的壓力范圍 GB150－ 1998《 鋼制壓力容器 》 設計壓力 P： ～ 35 MPa ； 真空度： ≥ MPa JB4732－ 95《 鋼制壓力容器 分析設計標準 》 設計壓力 P： ～ 100 MPa； 真空度： ≥ MPa 疲勞載荷；高溫蠕變 GB151－ 1999《 管殼式換熱器 》 設計壓力 P： ～ 35 MPa ；真空度： ≥ MPa GB12337－ 1998《 鋼制球形儲罐 》 設計壓力： P≤4MPa；公稱容積： V≥50M3 壓力容器設計 2. 設計時應考慮的載荷 GB150－ 1998《 鋼制壓力容器 》 ： （ 1）內(nèi)壓、外壓或最大壓差； （ 2）液體靜壓力 (≥5%P)； （ 3） 容器的自重 （ 內(nèi)件和填料 ） ， 以及正常工作條件下或壓力試驗狀態(tài)下內(nèi)裝物料 的重力載荷； （ 4） 附屬設備及隔熱材料 、 襯里 、 管道 、 扶梯 、 平臺等的重力載荷； （ 5） 風載荷 、 地震力 、 雪載荷； （ 6） 支座 、 座底圈 、 支耳及其他形式支撐件的反作用力； （ 7） 連接管道和其他部件的作用力； （ 8） 溫度梯度或熱膨脹量不同引起的作用力； （ 9） 包括壓力急劇波動的沖擊載荷； （ 10） 沖擊反力 ,如流體沖擊引起的反力等； （ 11） 運輸或吊裝時的作用力 。 壓力容器設計 :容器從承載到載荷的不斷加大最后破壞經(jīng)歷彈性變形、塑性變形、爆破，因此容器強度失效準則有三種觀點： （ 1）彈性失效 ——常規(guī)設計（ GB150等） 彈性失效準則認為殼體內(nèi)壁產(chǎn)生屈服即達到材料屈服限時該殼體即失效，將應力限制在彈性范圍，按照強度理論把筒體限制在彈性變形階段。認為圓筒內(nèi)壁面出現(xiàn)屈服時即為承載的最大極限。 （ 2）塑性失效 ——分析設計（ JB4732） 塑性失效準則將容器的應力限制在塑性范圍，認為圓筒內(nèi)壁面出現(xiàn)屈服而外層金屬仍處于彈性狀態(tài)時，并不會導致容器發(fā)生破壞，只有當容器內(nèi)外壁面全屈服時才為承載的最大極限。 （ 3）爆破失效 ——高壓、超高壓設計 爆破失效準則認為容器由韌性鋼材制成，有明顯的應變硬化現(xiàn)象，即便是容器整體屈服后仍有一定承載潛力，只有達到爆破時才是容器承載的最大極限。 *