承压设备基础知识

1、最新资料推荐承压设备基础知识1.1承压设备的定义1.2承压设备分类的目的1.3承压设备分类方法1.4承压设备的结构1.5承压设备的载荷、应力及其对安全的影响1.6压力容器的结构压力容器的结构性能要求压力容器除应 满足技术经济指标外还应满足各项结构性能要求强度压力容器所有 部件都应有足能的强度否则就不能保证压力容器的安全。考虑压力容器部件结构尺寸时要同时兼顾强度、材料、制造和检验成本等诸多方面因素。一般应根据各部件所承受的载荷进行应力分析和强度计算在符 合所用材料的强度要求便于制造和检验的前提下合理地确定各部件 的结构尺寸。刚度与稳定性刚度与稳定性是指构件在外力作用下保持其原有形状的能力。有时压

2、力容器的设计主要取决于刚度与稳定性而不是强度例如承受外压的容器、真空容器等。另外为了满足制造工艺要求以及运输和安装过程中的刚度要求有时也需要增加部件的厚度以提高压力容器刚度。密封性压力容器密封的可靠性是保证安全生产的重要措施之一这是由于流程工业生产的物料往往是易燃、易爆或有毒、有害的介质。物料的泄漏不但影响生产更重要的是会造成人员中毒、死亡甚至 引起爆炸其后果非常严重1.6 压力容器的结构压力容器的结构性能要求压力容器除应满 足技术经济指标外还应满足各项结构性能要求耐久性压力容器的耐 久性是根据所要求的使用年限来决定的。一般压力容器的使用年限为812年重要的压力容器如高压容器一 般设计年限为2

3、025年甚至30年原因是高压容器的制造成本高通常将 内件加以改进和更换而仍保留和使用压力容器外壳。核电容器早先的设计寿命为 3040年现在已达到60年。通过各种延寿措施压力容器的实际使用年限往往还要长其耐久 性大多取决于腐蚀情况。在某些特殊情况下还取决于容器的疲劳、蠕变、材料性能劣化如 应变时效、珠光体球化、石墨化以及振动等。根据使用年限和服役条件如腐蚀、高温等情况正确选用材料设计 容器细部结构、降低容器中的应力水平是保证容器耐久性的重要措 施。制造、检验、操作和运输方便压力容器的结构应考虑便于制造和 检验以保证质量和满足长期运行的要求并应尽量采用标准部件。标准化是降低容器设备成本的一个重要因

4、素。容器的结构还要考虑便于操作和日常维护设置必要的人孔、手孔 和检查孔等。容器的尺寸和形状应考虑运输的方便其直径、长度和重量应符合 运输部门的规定。1.6压力容器的结构常用压力容器的结构压力容器通常是由筒体、封头、法兰、接管、支座等部件所组成。壳体壳体之封头支座连接件接管开孔密封元件人孔2010-11-8第一章承压设备基础知识5整体式筒体整体式筒体结构有单层卷焊、整 体锻造、锻焊、铸-锻-焊以及电渣重熔等五种结构型式 1.4.2.2.1 筒 体结构2010-11-8第一章承压设备基础知识6单层卷焊式筒体用卷板 机将钢板卷成纵向开口圆筒然后将纵向开口焊接在一起制成带纵焊 缝筒节再将若干个筒节组焊

5、形成筒体最后配上封头或端盖组装成容 器。这是应用最广泛的一种容器结构。优点结构成熟使用经验丰富理论较完善制造工艺成熟、流程简单材料利用率高便于进行调质淬火加回火等热处理容易装设开孔、接管及内件零件少生产及管理方便无使用温度限制可作为热容器及低温 容器。主要缺陷一具壁厚往往受到钢材轧制和卷制能力的限制我国目 前单层卷焊式筒体的最大壁厚一般150m帼外可达300m在右二规格 相同的压力容器产品单层卷焊式筒体所用钢板厚度最大厚钢板各项 性能差异大且综合性能也不如薄板和中厚板因此产生脆性破坏的危 险性增大三在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式结构的上述

6、不足将逐步得到克服。2010-11-8 第一章承压设备基础知识 7整体锻造式筒体早采用且沿用至今的一种压力容器筒体结构型式它是在钢坯上采用钻孔或热冲孔方法先开一个孔加热后在孔中穿一心轴然后在锻压机上逐渐锻压成形最后再经过切削加工制成筒体的顶、底部可和筒体一起锻出也可分别锻出后用螺纹连接在筒体上 是没有焊缝的全锻制结构。如容器较长也可将筒体分几节锻出中间用法兰连接。常用于超高压等场合它具有质量好、使用温度无限制的优点。因制造时钻孔在钢锭心部的比较疏松的部位剩余部分经锻压加工后组织密实故质量可靠。制造整体锻造式筒体的缺点是需要锻压、切削加工和起重设备等 一整套大型设备材料利用率较低在结构上存在着与

7、单层卷焊式筒体 相同的缺点。因此这种筒体结构一般只用于内径为 300500mm勺小型容器上。2010-11-8 第一章承压设备基础知识 8锻焊式筒体在整体锻造式筒体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高压容器且在核容器上也获得了广泛的 应用。2010-11-8 第一章承压设备基础知识 9铸锻焊式筒体随着铸造、 锻造和焊接技术的发展提高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

8、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芯柱在钢水凝固过程中可以更 换芯柱以控制激冷速度使晶粒细化。浇铸后切除冒口及两端锻造成筒节经机加工和热处理后组焊成 容器。这种制造工艺金属消耗量可大大降低但制造工序较复杂。2010-11-8 第一章承压设备基础知识10电渣重熔筒体或称电渣焊 成形筒体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 构型式。造制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到所需长度。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粗糙度。这种筒体的制造无需大型工装设备

9、工时少造价低器壁内各部分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。2010-11-8 第一章承压设备基础知识11组合式筒体组合式筒体结 构又可分为多层板式结构和绕制式结构两大类。2010-11-8 第一章承压设备基础知识12多层板式筒体结构包括多 层包扎、多层热套、多层绕板、螺旋包扎等数种。这种筒体由数层或数十层紧密贴合的薄金属板构成。优点一是可通过制造工艺过程控制和产生层板间预应力使壳壁 应力沿壁厚分布趋于均匀使壳体材料得到充分利用所以壁厚可以减 薄二是当容器的介质具有腐蚀性时可以采用耐蚀合金钢作内筒而用 低廉的碳钢或其它强度较高的低合金钢作层板能充分发挥不同材料

10、的长处节省贵重金属三是当壳壁材料中存在的裂纹等严重缺陷一般 不易扩展到其它各层四是由于使用薄板具有较好的抗裂性能所以脆 性破坏的可能性较小五是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深环焊缝常因 两连接件的热传导情况差别较大而产生焊接缺陷有时还会因此而发 生脆断。目前已有多家大型压力容器制造厂采用阶梯状环焊缝结构避免深环焊缝结构。由于多层板式筒体在结构和制造上具有较多的优点是制造高压 容器特别是大型高压容器的主要结构形式而且制造方法也在不断发 展。现分述如下2010-11-8第一章承压设备基础知识13多层包扎式 筒体美国斯密思A.O. Smith公司于1931年首

11、创现已为许多国家所采 用是目前使用最广泛、制造和使用经验最为成熟的组合式筒体结构。先用1525mm5的钢板卷焊成内筒然后再将 612 mmi随着包扎能力 的提高现已有采用20mnff以上的层板压卷成两个半圆形或三瓦片形 用钢丝绳或其它装置扎紧并点焊固定在内筒上焊好纵缝并把其外表 面修磨光滑依此继续直到达到设计厚度为止。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 同方位上。此外筒节上开有若干穿透各层层板不包括内筒的小孔一组称透 气孔用以排除层板间隙中的气体避免气体膨胀产生不必要的应力另 一组称为信号孔、泄漏孔或检漏孔通过直接观察有无介质泄漏或间接 通过检测通入的检漏气体如蒸汽进出检漏

12、孔时成分的变化来及时发 现内筒破裂泄漏防止缺陷扩大。筒体端部的法兰过去多用锻制近年来也开始采用多层包扎焊接 结构。和其它结构型式相比多层包扎式筒体生产周期长、制造中手工操 作量大。目前液压包扎手的采用已使其得到改善。2010-11-8 第一章承压设备基础知识14图1-552010-11-8第一章 承压设备基础知识15多层热套式筒体最早用于制造超高压反应容器 和炮筒上。如图所示它由几个中厚度一般为 2050mmi冈板卷焊而成的圆筒套 装而成每个外层圆筒的内径均略小于被套装的内层圆筒的外径将外 层圆筒加热膨胀后套在内层圆筒外面这样将各层筒依次相套直到达 到设计厚度为止。再将若干个筒节和端部法兰端部

13、法兰也可采用多层热套结构组 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 间的计算过盈量内筒外径大于外筒内径的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它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 以在防脆断能力方面要差于多层包扎式。2010-11-8 第一章承压设备基础知识16图1-

14、562010-11-8第一章 承压设备基础知识17多层绕板式筒体在多层包扎式筒体的基础上发 展而来的。它由内筒、绕板层、楔形板和外筒四部分组成。内筒一般用1040mnff的钢板卷焊而成绕板层则是用厚 35mm勺成 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将钢板连续地缠绕在内筒上直到达到所需厚度为止。起保护作用的外筒厚度一般为 1012mm为两个半圆壳体用机械方 法紧包在绕板外面然后纵向焊接在一起。由于绕板层是螺旋状的因此在绕板层与内、外筒之间均出现一个 一边高等于钢板厚度的三角形空隙区为此在绕板层的始端与末端都得事先焊上一段狭长的楔形板以填补空隙。故筒体只有内外筒有纵焊缝

15、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程度均高于多层包 扎式结构但受限于卷板宽度、筒节不能做得很长目前最长的为2.2m且长筒的环焊缝较多。我国于1966年就研制成多层绕板式容器但由于受绕板机能力和卷板宽度的制约目前只能绕制外径为4001200mm的筒节且最大长度仅为1600mm2010-11-8 第一章承压设备基础知识18楔形板形状2010-11-8第 一章承压设备基础知识19螺旋包扎筒体是多层包扎式结构的改进型。多层包扎式筒体层板层为各层半径不同的同心圆其每层层板的 展开长度也不同这就要求准确下料以保证装配焊接间隙不仅费时而 且费料。螺旋包扎式结构则采用楔

16、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渐减薄至层板厚度这 样第一层就形成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。2010-11-8第一章承压设备基础知识20螺旋包扎示意图 2010-11-8第一章承压设备基础知识 21绕制式筒体结构包括型梢绕 带式和扁平钢带式两种。这种筒节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。它具有多层板式筒节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节体那样深

17、而窄的环焊缝。2010-11-8 第一章承压设备基础知识22型梢绕带式筒节体制造时 先用1850mmff钢板卷焊个内筒并将内筒节的外表面加工成可以与型 梢钢带相互啮合的沟梢然后缠绕上数层型梢钢带至所需厚度。钢带的始端和末端用焊接固定。由于型梢钢带的两面都带有凹凸梢缠绕时钢带层之间及其和内筒之间均能互相啮合使筒节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用辐子压紧和 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。筒节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。适用于大型高压容器此种结构一般用于直径600mm以上温度350c以下压

18、力19.6MPa以上的工况。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。但由于钢带形状复杂尺寸公差要求很严从而给轧钢厂的轧辐制造带来很大困难若变换钢带材料就必须重新设计、制造轧辐。况且钢带之间的啮合需要几个面同时贴紧质量难以保证带层之 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。2010-11-8 第一章承压设备基础知识 23图1-59型梢钢带截面形 状2010-11-8第一章承压设备基础知识24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

19、25筒体端部一般为锻件其上有30锥面以便与钢带的始末端相焊。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2631错绕的方式缠绕于内筒上。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梢绕带式筒体轴向强度不足的弱点。相邻钢带交替采用左、右旋螺纹方向缠绕使筒体中产生附加扭矩的问题得以消除改善了受力状态。避免了深度焊缝并且具有先漏后破、破坏时无碎片、事故危害性 较小等优点。加之材料来源广泛一般为70mm4mm面的扁平钢带、制造设备和 制造工艺简单、生产周期短等特点因而已在小型化肥厂中广为应用。也存在某些不足之处如绕制过程中很难保证钢带之间的间隙均匀每条钢带沿轴向距缠绕终端 3

20、00mm处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钢带上。经多次爆破试验证实这种结构的爆破压力低于其它型式的容器。故目前扁平钢带式容器用于直径1000mm压力31.36MPa320kgf/cm2温度200c的工况条件。压力容器的筒体结构还有套箍式、绕丝式等型式在此不一一介绍了。2010-11-8 第一章承压设备基础知识 252010-11-8第一章承压设备基础知识261.4.2.2.2 封头结构压力容器中与筒体焊接连接而不 可拆的端部结构称为封头与筒体以法兰等方式连接的可拆端部结构 称为端盖。通常所说的封头则包含了封头和端盖两种连接形式在内。压力容器的封头或端盖按其形状可以分为三类即

21、凸形封头、锥形封头和平板封头。其中平板封头在压力容器中除用做人孔及手孔的盖板以外其它很少采用凸形封头是压力容器中广泛采用的封头结构形式锥形封头 则只用于某些特殊用途的容器。2010-11-8 第一章承压设备基础知识27凸形封头有半球形封头、 碟形封头、椭球形封头和无折边球形封头等四种半球形封头是一个空 心半球体由于它的深度大整体压制成形较为困难所以直径较大的半球形封头一般都是由几块大小相同的梯形周边球面板和一块中心圆11 / 17最新资料推荐形球面板球冠组焊而成。中心圆形球面板的作用是把梯形球面板之间的焊缝隔开一定距离。半球形封头加工制造比较困难只有压力较高、直径较大或有其它特殊需要的贮罐才采

22、用半球形封头。碟形封头又称带折边的球形封头或扁球形封头由几何形状不同的三个部分组成半径为Rc的中央球面高度为H0的与筒体连接的直边筒体球面体与直边段间由曲率半径为 的圆弧折边圆滑过渡。碟形封头在旧式容器中采用较多现已被椭球形封头所取代。椭球形封头是中低压容器中使用得最为普通的封头结构形式它一般由半椭球体和直边筒体两部分组成。半椭球体的纵剖面中线是半个椭圆。它的曲率半径是连续变化的。椭球形封头的深度取决于椭圆长短轴之比即封头直径Dg与封头深度的两倍2h之比。椭圆长短轴之比越大封头深度越小。标准椭球封头的长短轴之比 Dg2h为2即封头深度不包括直边部 分为其直径的14。无折边球形封头是一块深度很小

23、的球面壳体球缺。这种封头结构简单、制造容易、成本也较低但是它与筒体连接处结构不连续存在很高的局部应力一般只用于直径较小、压力很低的低压容器2010-11-8 第一章承压设备基础知识 282010-11-8第一章承压设 备基础知识29锥形封头锥形封头有两种结构形式。一种为无折边锥形封头。由于锥体与圆筒体直接连接结构形状突然变化在连接区域附近产生较大的局部应力因此有时只有一些直径较小、压力较低的容器才采用半锥角30。的无折边锥形封头且多进行局部加强。局部加强结构形式较多可以在封头与筒体连接处附近焊加强圈 也可以在筒体与封头的连接处局部加大壁厚。另一种为带折边的锥形封头由圆锥体、过渡圆弧和圆筒体三部

24、分 组成。标准带折边锥形封头的半锥角有 30和45两种过渡圆弧曲率半径 r与直径Dg之比值规定为0.15。2010-11-8 第一章承压设备基础知识 302010-11-8第一章承压设 备基础知识31平板结构简单制造方便但受力状况最差。中低压容器用平板作人孔和手孔盖板高压容器除整体锻造式直 接在筒体端部锻造出凸形封头以及采用冲压成形的半球形封头外多 采用平封头和平端盖。JB/T 4746-2019钢制用力容器用封头标准对椭圆形封头、蝶 形封头、折边锥形封头、球冠形封头作了详细规定。2010-11-8 第一章承压设备基础知识 322010-11-8第一章承压设 备基础知识331.4.2.2.3 法兰连接结构法兰的连接与密封作用原理 法兰与筒体的连接型式法兰密封面及垫片法兰连接的紧固型式 2010-11-8第一章承压设备基础知识 34法兰在压力容器与压力管道 中起连接与密封作用。例如螺栓连接的法兰实际上就是套、焊或锻制在容器和管道端部 的圆环结构上面开有若干螺栓孔一对相组配的法兰之间装有垫片 用螺栓连接在一起通过拧紧螺栓来连接一对法兰并压紧垫片使垫片表面产生塑性变形从而阻塞了容器或管道内介质向外流的通道起到密封作用。2010-11-8 第一章承压设备基础知识35法兰与筒体的连接型式根 据法兰与筒体的连接型式不同容器法兰分为整体法