壓力容器基本組成
壓力容器通常是由管路補(bǔ)償接頭、板、殼組合而成的焊接結(jié)構(gòu)。受壓元件中,圓柱形筒體、球罐 (或球 形封頭)、橢圓形封頭、碟形封頭、球冠形封頭、錐形封頭和膨脹節(jié)所對應(yīng)的殼分別是圓柱 殼、球殼、橢球殼、球冠+環(huán)殼、球冠、錐殼和環(huán)形板+環(huán)殼。
而平蓋 (或平封頭)、環(huán)形 板、法蘭、管板等受壓元件分別對應(yīng)于圓平板、環(huán)形板 (外半徑與內(nèi)半徑之差大于10倍的 板厚)、環(huán) (外半徑與內(nèi)半徑之差小于10倍的板厚)以及彈性基礎(chǔ)圓平板。
上述7種殼和4 種板可以組合成各種壓力容器結(jié)構(gòu)形式,再加上密封元件、管路補(bǔ)償接頭、支座、安全附件等就構(gòu)成了一臺 完整的壓力容器。圖1-1為一臺臥式壓力容器的總體結(jié)構(gòu)圖,下面結(jié)合該圖對壓力容器的基 本組成作簡單介紹。
(1)筒體
筒體的作用是提供工藝所需的承壓空間,是壓力容器最主要的受壓元件之一,其內(nèi)直徑 和容積往往需由工藝計(jì)算確定。圓柱形筒體 (即圓筒)和球形筒體是工程中最常用的筒體 結(jié)構(gòu)。
筒體直徑較小 (一般小于1000mm)時(shí),圓筒可用無縫鋼管制作,此時(shí)筒體上沒有縱焊 縫;直徑較大時(shí),可用鋼板在卷板機(jī)上卷成圓筒或用鋼板在水壓機(jī)上壓制成兩個(gè)半圓筒,再 用焊縫將兩者焊接在一起,形成整圓筒。由于管路補(bǔ)償接頭焊縫的方向和圓筒的縱向 (即軸向)平行, 因此稱為縱向焊縫,簡稱縱焊縫。
若容器的直徑不是很大,一般只有一條縱焊縫;隨著容器 直徑的增大,由于鋼板幅面尺寸的限制,可能有兩條或兩條以上的縱焊縫。另外,長度較短 的容器可直接在一個(gè)圓筒的兩端連接封頭,構(gòu)成一個(gè)封閉的壓力空間,也就制成了一臺壓力 容器外殼。
但當(dāng)容器較長時(shí),由于鋼板幅面尺寸的限制,就需要先用鋼板卷焊成若干段筒體 (某一段筒體稱為一個(gè)筒節(jié)),再由兩個(gè)或兩個(gè)以上筒節(jié)組焊成所需長度的筒體。筒節(jié)與筒節(jié) 之間、筒體與端部封頭之間的連接焊縫,由于其方向與筒體軸向垂直,因此稱為環(huán)向焊縫, 管路補(bǔ)償接頭簡稱環(huán)焊縫。
圓筒按其結(jié)構(gòu)可分為單層式和組合式兩大類。
① 單層式筒體 筒體的器壁在厚度方向是由一整體材料所構(gòu)成,也就是器壁只有一層 (為防止內(nèi)部介質(zhì)腐蝕,襯上的防腐層不包括在內(nèi))。單層筒體按制造方式又可分為管路補(bǔ)償接頭、單層卷焊 式、整體鍛造式、鍛焊式、非焊接瓶式等幾種。
其中單層卷焊式結(jié)構(gòu)是目前制造和使用最多 的一種筒體形式,它采用鋼板在大型卷板機(jī)上卷成圓筒,經(jīng)焊接縱焊縫成為筒節(jié),然后與封頭或端部法蘭組裝焊接成容器,圖1-1所示筒體即為單層卷焊式結(jié)構(gòu)。
而整體鍛造式結(jié)構(gòu)是 最早采用的筒體形式,制造時(shí)筒體與法蘭可整鍛為一體或用螺紋連接,整個(gè)筒身沒有焊縫。 管路補(bǔ)償接頭焊接技術(shù)發(fā)展后出現(xiàn)了分段鍛造,然后焊接拼合成整體的鍛焊式筒體。
非焊接瓶式筒體主要 有兩種制造方法:一種是由優(yōu)質(zhì)無縫鋼管通過兩端熱旋壓收口制成;另一種是鋼錠沖壓后再 經(jīng)過熱旋壓收口。通常,整體鍛造式和鍛焊式筒體主要用于高壓和超高壓容器中,而非焊接 瓶式筒體常用于制造非焊接大容積瓶式壓力容器。
整體鍛造式筒體的材料金相組織致密,強(qiáng)度高,因而質(zhì)量較好,特別適合于焊接性能較 差的高強(qiáng)度鋼所制造的超高壓容器。但制造時(shí)需要非常大的管路補(bǔ)償接頭、冶煉、鍛壓和機(jī)加工設(shè)備,材料 消耗量大,鋼材利用率低 (僅為26%~29%),機(jī)械加工量大,故一般只用于內(nèi)徑?300~ 800mm、長度不超過12m 的小型超高壓容器,如聚乙烯反應(yīng)釜、人造水晶釜等。
② 組合式筒體 筒體的器壁在厚度方向是由兩層或兩層以上互不連續(xù)的材料構(gòu)成。組合式 筒體按結(jié)構(gòu)和制造方式又可分為多層式和纏繞式兩大類。具體結(jié)構(gòu)將在本書第4章中介紹。
(2)封頭
根據(jù)幾何形狀的不同,封頭可以分為管路補(bǔ)償接頭、球形、橢圓形、碟形、球冠形、錐殼和平蓋等幾 種,其中球形、橢圓形、碟形和球冠形封頭又統(tǒng)稱為凸形封頭。
當(dāng)容器組裝后不需要開啟時(shí) (一般是容器中無內(nèi)件或雖有內(nèi)件但無需更換、檢修的情 況),封頭可直接與筒體焊在一起,從而有效地保證密封、節(jié)省材料和減少加工制造的工作 量。對于因檢修或更換內(nèi)件的原因而需要多次開啟的容器,封頭和筒體的連接應(yīng)采用可拆式 的,此時(shí)在封頭和筒體之間就必須要有一個(gè)密封裝置。
(3)密封裝置 壓力容器上需要有許多密封裝置,如封頭和筒體間的可拆式連接、容器接管與外管道間 的可拆連接以及人孔、管路補(bǔ)償接頭、手孔蓋的連接等,壓力容器能否正常、安全地運(yùn)行在很大程度上取決 于密封裝置的可靠性。
螺栓法蘭連接 (簡稱法蘭連接)是一種應(yīng)用最廣的密封裝置,它的作用是通過螺栓連 接,并通過擰緊螺栓使密封元件壓緊而保證密封。法蘭按其所連接的部件分為容器法蘭和管道法蘭。
用于容器封頭 (或頂蓋)與筒體間,以及兩筒體間連接的法蘭叫容器法蘭;用于管道連接的法蘭叫管道法蘭。在高壓容器中,用于管路補(bǔ)償接頭頂蓋和筒體連接并與筒體焊在一起的容器法蘭,又稱為筒體端部。
(4)開孔與接管 由于工藝要求和檢修的需要,常在壓力容器的筒體或封頭上開設(shè)各種大小的孔或安裝接 管,如人孔、手孔、視鏡孔、物料進(jìn)出口接管以及安裝壓力表、液面計(jì)、安全閥、測溫儀表 等接管開孔。
手孔和人孔是用來檢查、裝拆和洗滌容器內(nèi)部的裝置。手孔內(nèi)徑要使操作人員的手能自 由地通過。因此,手孔的直徑一般不應(yīng)小于150mm。考慮到人的手臂長約650~700mm, 所以直徑大于1000mm 的容器就不宜再設(shè)手孔,而應(yīng)改設(shè)人孔。
常見的人孔形狀有圓形和橢圓形兩種,為使管路補(bǔ)償接頭操作人員能夠自由出入,圓形人孔的直徑至少應(yīng)為400mm,橢圓形人孔 的尺寸一般為350mm×450mm。
筒體或封頭上開孔后,開孔部位的強(qiáng)度被削弱,并使該處的應(yīng)力增大。這種削弱程度隨 開孔直徑的增大而加大,因而容器上應(yīng)盡量減少開孔的數(shù)量,尤其要避免開大孔。對容器上 已開設(shè)的孔,還應(yīng)進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì),以確保所需的強(qiáng)度。
(5)支座
壓力容器靠支座支承并固定在基礎(chǔ)上。圓筒形容器和球形容器的支座各不相同。隨安裝位置不同,管路補(bǔ)償接頭、圓筒形容器支座分立式容器支座和臥式容器支座兩類,其中立式容器支座又有腿 式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座四種;而球形容器多采用柱式或裙式支座。
(6)安全附件
由于壓力容器的使用特點(diǎn)及其內(nèi)部介質(zhì)的化學(xué)工藝特性,往往需要在容器上設(shè)置一些安 全裝置和測量、控制儀表來監(jiān)控工作介質(zhì)的參數(shù),以保證壓力容器的使用安全和工藝過程的 正常進(jìn)行。
壓力容器的安全附件主要有管路補(bǔ)償接頭、安全閥、爆破片裝置、緊急切斷閥、安全聯(lián)鎖裝置、壓力 表、液面計(jì)、測溫儀表等。
上述六大部件 (筒體、封頭、密封裝置、開孔接管、支座及安全附件)即構(gòu)成了一臺壓 力容器的外殼。對于儲存用的容器,這一外殼即為容器本身;對于用于化學(xué)反應(yīng)、傳熱、分 離等工藝過程的容器,則須在外殼內(nèi)裝入工藝所要求的內(nèi)件,才能構(gòu)成一個(gè)完整的產(chǎn)品。
壓力容器零部件間的焊接
上面介紹了壓力容器外殼的六大組成部件,而各部件間的連接大多需要經(jīng)過焊接,因而對 焊接進(jìn)行質(zhì)量控制是整個(gè)容器質(zhì)量體系中極為重要的一環(huán)。雖然焊接質(zhì)量控制還涉及許多管路補(bǔ)償接頭焊接工藝過程問題,但設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的主要任務(wù)是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和確定無損檢測方法、比例及要求。
焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及接頭的形式 (如對接、搭接、角接)、接頭的坡口形式、幾何尺寸等。 由于壓力容器的特殊性,可以說它對焊接質(zhì)量的要求是所有焊接設(shè)備中要求最高的一種。因 此,壓力容器設(shè)計(jì)工程師必須懂得管路補(bǔ)償接頭及容器中的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及對焊接質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)的基本要求。具體的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題將在后面的文章中討論。
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