壓力容器基本組成
壓力容器通常是由管路補償接頭、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,圓筒可用無縫鋼管制作,此時筒體上沒有縱焊 縫;直徑較大時,可用鋼板在卷板機上卷成圓筒或用鋼板在水壓機上壓制成兩個半圓筒,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圓筒的兩端連接封頭,構(gòu)成一個封閉的壓力空間,也就制成了一臺壓力 容器外殼。
但當容器較長時,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筒節(jié)),再由兩個或兩個以上筒節(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,制造時筒體與法蘭可整鍛為一體或用螺紋連接,整個筒身沒有焊縫。 管路補償接頭焊接技術(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,強度高,因而質(zhì)量較好,特別適合于焊接性能較 差的高強度鋼所制造的超高壓容器。但制造時需要非常大的管路補償接頭、冶煉、鍛壓和機加工設(shè)備,材料 消耗量大,鋼材利用率低 (僅為26%~29%),機械加工量大,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。
當容器組裝后不需要開啟時 (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采用可拆式 的,此時在封頭和筒體之間就必須要有一個密封裝置。
(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、管路補償接頭、手孔蓋的連接等,壓力容器能否正常、安全地運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、物料進出口接管以及安裝壓力表、液面計、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,為使管路補償接頭操作人員能夠自由出入,圓形人孔的直徑至少應為400mm,橢圓形人孔 的尺寸一般為350mm×450mm。
筒體或封頭上開孔后,開孔部位的強度被削弱,并使該處的應力增大。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,還應進行開孔補強設(shè)計,以確保所需的強度。
(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及其內(nèi)部介質(zhì)的化學工藝特性,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 正常進行。
壓力容器的安全附件主要有管路補償接頭、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、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;對于用于化學反應、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 焊接進行質(zhì)量控制是整個容器質(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償接頭焊接工藝過程問題,但設(shè)計環(huán)節(jié)的主要任務是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計和確定無損檢測方法、比例及要求。
焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及接頭的形式 (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)計工程師必須懂得管路補償接頭及容器中的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點及對焊接質(zhì)量進行檢驗的基本要求。具體的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計問題將在后面的文章中討論。
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