锅炉、与压力容器安全对策(二)

续前

     （21）椭圆形封头（Ellipsoidal head）
    　　椭圆形封头是个半椭球体。它的纵剖面是条半椭圆曲线。曲线的曲率半径连续变化，没有形状突变处。因而封头的应力分布比较匀称，受力状况比碟形封头优越。椭圆形封头的最大应力值取决于它的长短轴比值（实际上就是封头半径与封头高度比，即Ri/r）。封头的相对高度大，加工制造比较困难，但壳壁应力较小；封头高度小一些虽然成形较易，但壳壁应力较大。高度过小（即长短轴比太大）的封头，会在封头的赤道处产生很大的环向压缩应力，其数值可以达到封头顶部最大应力的几倍。在这种情况下，会使封头因受过高的压应力而产生局部塌瘪，或因受过高的剪应力而破裂。压力容器椭圆形封头的长短轴比（半径与高度比）一般不应超过2.5。我国规定的标准椭圆形封头，半径与高度之比为2.0。这样，封头和与它相连接的圆筒体就可以采用相同的材料和相等的壁厚，组焊比较方便。近期制造的锅炉与压力容器，大部分都采用椭圆形封头。
    　　（22）锥形封头（Conical head）
    　　锥形封头实际上是一段锥形圆筒体。因为它的顶端并不以锥尖封闭，而是用法兰等结构与小盖板或管道连接。锥形封头的大端，可以与容器的圆筒体直接焊接，也可以用过渡圆弧部分（俗称折边）与圆筒体焊接连接。前者称为无折边的锥形封头；后者，即带有过渡圆弧部分的，称带折边锥形封头。无折边锥形封头由锥体直接连接圆筒体壳体形状发生突变，在连接处附近产生较大的附加弯曲应力，压力容器用得较少。只是一些压力较低、直径也较小的容器有时采用，但锥体半顶角不能大于30°，并应采用局部加强结构。带折边锥形封头有过渡圆弧部分，锥体与筒体的形状过渡比较平缓，受力情况比无折边的好一些。这种封头的最大应力值与半顶角大小有关，半顶角越大，最大应力值越高，承压所需的壁厚也越大。标准带折边锥形封头的半顶角有30°与45°两种，过渡部分的曲率半径与筒体直径之比值规定为0.15。就耐压强度而论，锥形封头比半球形、椭圆形、碟形封头都要差。有一部分压力容器采用锥形封头，首先是因为它制造比较方便。厚度较小而直径又不很小的锥体，只要用普通的卷板机加上简单的辅助装置即可卷轧成形。但更主要的是因为操作使用工艺过程的需要。例如当容器内的介质含有颗料状或粉未状的物料，或者是粘稠的液体时，为了便于汇集并卸放物料，容器的底部就行用锥形封头。有时为了使气体在容器内均匀分而或者要稳定地改变流体的流速，也须采用锥形封头。
    　　（23）人孔与手孔（Manhole and handhoie）
    　　人孔与手孔是为了检查容器的内部空间，对容器内部进行清洗、安装拆卸器内附属装置而在容器开设的。公称直径不小于1000mm的容器，如果不能利用端盖、接管等可拆装置进入器内的，都应开设人孔，以便检修时工作人员能进入器内，对容器内壁是否存在腐蚀、磨损、裂纹等缺陷进行宏观检查或表面探伤，或对缺陷作适当的处理等。直径小的容器，如果不能利用其它可拆结构进行检查的，也应开设检查用的手孔。常用的人孔或手孔型式不圆形或椭圆形两种。圆形孔制造方便，应用广泛。椭圆形孔制造较困难，其优点是器壁上的开孔面积可以小一些。立式容器的椭圆形人孔，一般开在圆筒体因为这样可以把椭圆孔的短径放在容器的轴线方向上，既可以减低开孔对筒体强度的削弱，也适宜于人的进出（因人孔在水平方向较宽而垂直方向较窄）。卧式容器，开设在圆筒上的人孔应为圆形，椭圆形人孔只开在碟形封头上。容器上的人孔或手孔，是在壳体上的开孔处焊接上接口短管或利用孔边翻折成短管，并用盖板封闭。人孔或手孔的封闭，有内闭式和外闭式两面种。内闭式人孔或手孔的孔盖放在开孔的里面，用螺栓把紧在孔外边放置并支承在孔边的横杆上。这种型式多采用椭圆和不定期有沟槽的盖板，因为这样才便于放置密封垫式和安放孔盖。内闭式孔盖的安放虽较为困难，但它的密封性能较好。容器内的压力可以进一步压紧孔盖，有自紧密封的作用。特别是它可以防止因垫片等的失交效而导致器内介质大量喷出。适用于锅炉以及介质为高温或有毒气体的容器。
    　　（24）多层容器（Multiple—layer cylindrical vessel）
    　　多层容器通常是指由多层板筒体与锻制的封头焊接而成的厚壁圆筒形容器。多层板厚壁筒体的壳壁由数层或数十层紧密贴合的金属板组合构成。层板的组合方法可以采用包扎焊接法、绕板法和热套法等。多层容器具有以下的一些优点：（1）可以通过层板组合工艺，在板与板之间产生接触压力，组合后在筒体内层存在压缩预应力，外层存在拉伸预应力。筒体承受内压时，壳壁上的应力即可以较均匀地分布，壳体材料能较充分地利用；（2）介质对碳钢有腐蚀性时，可以用耐腐蚀合金作内筒，用碳钢或其它强度较高的低合金钢板作层板，能充分发挥两种材料的优越性能，节省贵重金属；（3）壳壁材料存在有裂纹（原材料的或焊接的）等严重缺陷时，缺陷不易越层扩展；（4）使用的薄板，比同一钢种的厚钢板具有较好的抗脆裂性能，脆性破坏的可能性较小；（5）制造不需要大型锻压设备。多层板厚壁筒体的缺点是它的深而窄的环焊缝不易热处理，特别是多层筒节与锻制的端部法兰或封头的联接限制，有时会因此而发生脆裂。由于多层容器结构上和制造上都具有较多的优点，近年来制造的高压容器，特别是石油化工用的大型高压容器，多采用这种结构。
    　　（25）层板包扎焊接厚壁圆筒（Plate—wrapped thick cylinder）
    　　层板包扎焊接筒体是由若干段短筒节和端部法兰组焊而成。筒节由一具用中厚钢板（一般为15~25mm）卷焊的内筒，再在其外面包扎焊接上多层（一般为十多层）的薄钢板（板厚为6~12mm）构成。每层层板都是先卷压成两块圆形，包扎时将它紧贴在内筒外面，用工卡具拉紧后焊接两条缝。焊缝表面用砂轮磨平又用同样的方法一层一层地包扎、焊接，直到达到所需要的壁厚为止。各层板间的纵焊缝相互错开，以减小纵焊缝对筒体强度的削弱。包扎焊接时，每层层板的焊缝冷却收缩，即可以使板与板紧密结合，或产生层间接触压力。筒节上通常开有一个穿透各层板（不包括内筒）的小孔，作为信号孔（泄漏孔），如果容器内筒在运行中破裂泄漏即能及时发现，防止缺陷继续扩大。层板包扎焊接式高压容器是三十年代由美国斯米思（A·O·Smich）公司采用后，很快即传至世界各国。我国在五十年代中期即已试制成功。现在很多化肥设备用的高压容器仍然采用这种结构。
    　　（26）绕板式厚壁圆筒（Plate—coiled thick eylider）
    　　绕板厚壁圆筒是在层板包扎焊接式的基础上发展起来的。它也是用筒节组焊而成。筒节是在内筒外面连续卷绕上厚3~5mm的带状钢板若干圈，最后再包焊一个外筒。为了使绕板中卷绕开始和终结时不会因突然的凸起而在旁边形成间隙，在绕板的始端和未端都焊上一段较长的楔形板，使其逐渐减薄过渡。绕板时用压力辊对内筒及绕层施加压力，使层板被拉紧贴合在内筒上。这种厚壁筒体除了内筒及外筒以外，整个绕板层（占筒壁厚度的绝大部分）都没有纵焊接缝，但由于受带状钢板宽度的限制，筒节一般不能作得太长，这就势必使整个筒体的环焊缝增多，而厚壁筒体的深而窄的焊缝又是个薄弱环节。制造绕板式厚壁筒体的效率要比层板包扎焊接式高得多，因为它的绕板是连续进行的，不象层板包扎焊接那样要采取间歇操作。这种结构的高压容器，日本采用得较多，我国也有一些容器制造厂试生产过。
    　　（27）多层热套组合式厚壁圆筒（Shrink—fit thick cylinder）
    　　多层热套组合式厚壁筒体是由若干个（通常为三或四个）用中等厚度（一般为20~50mm）的钢板卷焊的圆筒体经加热套合制成的筒节，再由若干段筒节和端部法兰组焊而成的。筒节中的每一层圆筒，外径都不小于外一层圆筒的内径，所以要求将外圆筒加热膨胀（或内圆筒冷缩）后才能进行装配，并利用它们之间的过盈量来调节控制层间的预应力，以改善容器在受内压时应力分布不均匀的状况。这种结构最先在军械工业采用，近年来由于制造工艺的改进简化，套合面的加工精度要求降低，只需要粗加工或喷砂处理即可装配，对过盈量的要求也较宽，因而可以大量用作高压容器的制造。多层热套组合厚壁筒体制造工艺简单。制造周期较短，成本也较低。我国近期设计的大型氨合成塔有的就是采用这种结构。
    　　（28）绕带容器（Banded cylindrical vessel）
    　　绕带容器的筒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。它也具有多层容器的一些优点，而且可以直接缠绕成所需要的整个筒体长度，不需要由多段筒节组焊，可以减少许多深而窄的环焊缝。绕带容器所用的钢带，横断面形状有槽型和平型两种。槽型钢带绕制的容器，钢板卷焊的内筒外壁车削有与钢带断面形状相配的多头螺旋槽，以便与其上紧靠地绕上的一排槽型钢带相扣合，钢带的始端与未端焊接固定。在整个筒体长度上绕满一层后，再在钢带外面继续缠绕若干层，直至获得所需的筒壁厚度。由于槽型钢带内外面都带有凸凹槽，缠绕时，外层钢带内面的凸起部分正好与内层钢带，一面拉紧，并用辊子紧压和定向，绕完后钢带自然冷却收缩，其内层产生预应力。这种钢带形状复杂，尺寸要求较严，轧制困难。钢带之间的扣合，必须几个面同时贴紧，是多次静不定问题，因此带层之间总有局部的贴合不良现象。爆炸试验结果表明，槽型钢带绕制容器都是横向断裂，说明这种结构轴向强度弱于周向强度。扁钢带绕制的容器，是先将钢板卷焊的内筒与锻制的端部法兰对焊成整体长度的圆筒，再在外面按多头螺旋的形式，缠绕多层扁平钢板，钢带端部与锻制法兰焊接固定。钢带由专用装置压紧，以产生一定的预应力。钢带以与径向断面成26о~31о的角度缠绕，使其能承受部分的轴向载荷。相邻两层钢带又按左旋和右旋的方式相互错开，以避免筒壁产生附加扭矩，改善内筒的受力状态。所以这种容器又称倾角错绕扁平钢带容器。平型钢带容器是我国创造的一种高压容器结构，它同时具有层板包扎焊接与槽型钢带绕制所有的优点。由于制造设备简单、方法容易掌握，而且钢带来源广泛，又节省材料，成本低，因而在我国的小型化肥厂已被子广泛采用。
    　　（29）自增强容器（Autofretted vessel）
    　　自增强容器是在使用前先经过自增强处理的厚壁圆筒形容器。所谓增强处理是在制成都的厚壁圆筒内施加足够的内压力（远高于容器的正常操作压力），使它的内层材料屈服，并产生塑性变形，而外层材料则仍保持弹性状态。经过一定时间的保持压力后，即将压力卸除。由于筒壁内层材料在加载时已经塑性变形，卸压后必然分有残余变形而不能回复到原来的状态。外层的弹性区却在卸压后又力图恢复它原有的尺寸，产生弹性收缩，但被内层发生残余变形部分所限制，因而外层材料产生拉应力，内层材料产生压应力。经过这样处理的厚壁筒体就存在内壁受压缩外壁受拉伸的残余应力。这样的容器在投入使用以后，再承内压力时，筒体在内压作用下沿壁厚的不均匀分布状态就会得到改善，容器筒体的屈服承载能力即有所增强。这种利用容器自身的变形和所产生的残余应力来平衡它在工作时的应力，以增强容器造业，以提高炮筒的弹性强度。近年来自增强技术已逐渐转移到石油化工工业，用以提高超高压容器的强度。在这方面，近期也进行了许多理论和实验研究。一些试验证明，经自增强处理的容器、管道，不但可提高屈服承载能力，还因为它内壁存有压缩残余应力，使工作时内壁平均应力降低，因而疲劳强度也显著提高。内壁有缺陷的容器，经自增强处理后其疲劳循环次数有的可提高几倍。自增强处理，还有利于容器焊接残余应力的消除。自增强处理只适用于厚壁容器，而不适用于薄壁容器，因为它不建立一个有利的残余应力的结构。
    　　（30）气瓶（Gas cylinder）
    　　气瓶是一种专供盛装和运输气体或液化气体用的移动式容器。为了适应这种专门用途的需要，气瓶的形状和结构就必须简单、紧凑，重量较轻，易于搬运和使用气瓶的容积一般都较小，常用的为30~200升；气瓶的长度适中，约1.5m左右，过长和过短都不便于搬运移动；气瓶在充装气体和库存贮放期间要直立放置，以免产生滚动或相互撞击，因此它的底部应具有立放的支座；气瓶的顶部则有一个接口管，管内有内螺纹，用以与瓶阀连接。根据用途分，气瓶有永久气体气瓶、液化气体气瓶和溶解乙炔气瓶；按其结构与制造方法分，有焊接气瓶、冲拔气瓶和管制气瓶，而后两种又常合称为无缝气瓶。
    　　（31）永久气体气瓶（Permanent gas cylinder）
    　　永久气体气瓶是指盛装临界温度低于—10℃的气体的气瓶。这种气瓶都是以较高的压力充装气体，目的是为了增大气瓶的单位容积装气量，提高气瓶利用率和运输率。因为工作压力较高，又要求轻便紧凑，所以都采用无缝结构。永久气体气瓶的公称压力系列是12.5MPa、15MPa、20MPa和30MPa。常用的永久气体气瓶有氧气瓶、氮气瓶、空气瓶、氢气瓶、甲烷气瓶、一氧化碳气瓶、一氧化氧气瓶；此外还有盛装氦、氖、氩、氪等惰性气体的气瓶。
    　　（32）液化气体气瓶（Liquefied gas cylinder）
    　　液化气体气瓶是指盛装临界温度等于或高于—10℃的各种气体的气瓶。这种气瓶所装介质在常温、常压下呈气体状态，而在充装前则经过加压和低温液化处理后才灌入瓶内。装入瓶内的介质，有的临界温度较高，始终保持气液两相平衡共存的状态；有的临界温度较低，充装后可能会受环境温度的影响而全部气化。所以这类气瓶又以70℃为界，分为低临界温度液化气体气瓶和高临界温度液化气体气瓶。前者的工作压力决定于气体充装量，而为了提高气瓶单位容积的装气量，一般都用高压（15或12.5MPa）充装，所以这种气瓶又称为高压液化气体气瓶；后一种气瓶的最高工作压力为所装介质在最高使用温度下的饱和蒸气压力。根据我国的自然环境温度，《气瓶安全监察规程》规定气瓶的最高温度按60℃考虑，而所有高临界温度的液化气体在60℃时的饱和蒸气压力都在10MPa以下，因此这类气瓶又称为低压液化气体气瓶。高压液化气体气瓶为无缝结构，充装的气体有二氧化碳、乙烯、乙烷、一氧化二氮等。低压液化气体气瓶为焊接结构，所装气体的种类较多，最常用的是液氧瓶、液氯瓶、二氧化硫瓶等。
    　　（33）溶解乙炔气瓶（Dissoved asetylene gas cylinder）
    　　溶解乙炔气瓶是专供盛装乙炔用的气瓶。乙炔是一种极不稳定的气体，特别是中较高的压力条件下，所以它不能以压缩气体状态装瓶，而必须把它溶解在溶剂中。常用的溶剂是工业丙酮。溶解乙炔气瓶内部装满多孔性物质（常用的是硅酸钙多孔物质），用以吸收溶剂。充装地将乙炔气体加压灌装入瓶内，乙炔即被溶解而贮存在瓶中。溶解乙炔气瓶用焊接结构，气瓶的试验压力为5.2MPa，许用压力限定在15℃时为1.52MPa。用瓶装乙炔来代替用小型乙炔发生器生产乙炔既方便又经济，使近年来国内使用的溶解乙炔气瓶日益增多，乙炔气瓶的制造厂也在不断增加。溶解乙炔气瓶比其它气瓶更易发生事故，应注意安全使用。
    　　（34）管制气瓶（Tubular gas cylinder）
    　　管制气瓶是用无缝管材制成的无缝气瓶。气瓶两端的封头是将管子加热后放在专用机床通过旋压或挤压等方式收口形成的。虽然气瓶宜用凹形的瓶底（作为立放支座），但凹形封头需要的承压壁厚要比瓶体（管子）厚得多，而且也不易于旋压成形，所以管制气瓶也都两端制凸形封头。底封头经过加热旋压，使管口完全收拢焊合、个形平整。在底封头的外面用加热套合的方法装上一个上圆下方的底座圈。顶封头收口时，在中央旋压出一个突起的颈柱，用来加工（钻孔、绞制内螺纹）成一个接口管（瓶口），以便装接瓶阀。为了装设瓶帽，在瓶颈的外面用捻铆的方法装上一个带外螺纹的颈圈。这种结构的气瓶一般都是利用无缝钢管的余料来制造，使用量不大。
    　　（35）冲拔气瓶（Extruded gas cylinder）
    　　冲拔气瓶，或称冲压拉伸气瓶，也是无缝结构。它是用钢锭加热后先冲压出凹形的瓶底，然后在专用机床上经过拉拔，制成敞口瓶坯，再按照管制气瓶的工艺方法制成顶封头及瓶口等。它的凹形底封头具有约两倍于筒体的厚度，在靠近底封头的筒体部分，壁厚即开始逐渐增加。底封头与筒体连接处的内外表面都具有圆角，使其圆滑过渡。因为瓶底是凹形的，不必再装设底座圈。这种气瓶被广泛用作永久气体气瓶、高压液化气体气瓶。目前国内外制造的无缝气瓶绝大多数是冲拔气瓶。
    　　（36）焊接气瓶（Welded gas cylinder）
    　　焊接气瓶是指瓶体采焊接结构的气瓶。包括两块式焊接气瓶和三块式焊接气瓶。两块式焊接气瓶由两具用板材经深冲拉伸制成的带封头的筒体焊接构成，瓶体只有一道环焊缝。这种气瓶因受冲压设备与板厚过分减薄的限制，容积一般都较小，常用作液化石油气气瓶。三块焊接气瓶由一个用薄板材卷焊成的圆筒体和两端的封头组焊而成。因为带折边的凹形底不便于加工成形，气瓶两端的封头都采用凸形（多数是半球形，有时也有椭圆形）封头。而在底封头的下面再焊接一个圆形的底座圈。气瓶顶封头中心插入焊接一厚壁短作为接口管（瓶口），内孔有螺纹与瓶阀连接，外圆柱面加工有外螺纹，用以装接瓶帽。三块式焊接气瓶容积可较大，多用作低压液化气体气瓶。
    　　（37）玻璃钢气瓶（Fibre reinforced plastics gas cylinder）
    　　玻璃钢气瓶是以金属材料为内层筒体外面错绕高强度纺织纤维，并以塑料固化制成的组合式气瓶。金属内筒通常用铝制俗称瓶胆。它的作用是保证气瓶的气密性，防止内装气体时发生渗漏。气瓶的承压强度则依靠在内筒外面由无碱玻璃纤维缠绕多层达到一定厚度，并用树脂等为粘结剂进行固化的加强层。玻璃钢瓶具有重量轻、绝热性能好、节省金属材料等特点。但它的壳体纤维材料会发生“老化”，使用寿命一般不如钢制气瓶。它的安全性能受加强层的材料特性和加工工艺过程的影响较大。我国从六十年代初期试制玻璃钢气瓶但至令也未被广泛采用。
    　　（38）气瓶防震圈（Bump protection ring of cylinders）
    　　防震圈是为了防止气瓶瓶体受撞击的一种装置。因为气瓶是移动式容器，它在充装、使用，特别是搬运过程中，常常会因滚动或震动而相互碰击或与其它物件碰撞。这不但会使气瓶瓶壁产生伤痕或变形，而且会因此而使气瓶脆裂。为了避免气瓶因碰撞而发生破裂事故，在瓶体上应该装有防止撞击的保护装置。这种安全附件在国内几经改进，不断实践，已逐步完善。目前普遍采用是是两个紧套在瓶体外面的、用橡胶制造的防震圈。气瓶的防震圈必须具有一定的厚度，一般要求不小于25mm而且要求材料具有一定的弹性。
    　　（39）气瓶瓶帽（Valve protection cap of cylinders）
    　　瓶帽是为了防止气瓶瓶阀被碰坏的一种保护装置。装有气瓶顶部的瓶阀，如果没有相应的保护装置，常会在气瓶的搬运过程中被撞击而损坏。有时甚至会因瓶阀被撞断而使瓶内气体高速喷出，使气瓶向气流的相反方向飞动；可燃或有毒介质喷出，还会引起火灾、中毒等事故。所以每个气瓶的瓶颈上都应装配上一个瓶帽，以便于在气瓶搬运过程中配戴。瓶帽一般用螺纹与瓶颈联接。瓶帽上应开有小孔，一旦瓶阀漏气，漏出的气体可从小孔中排出，以免瓶帽飞出伤人。
    　　（40）气瓶最大充装量（Maximum filling weight）
    　　最大充装量是气瓶允许充装的最大介质量，亦即气瓶的许用载荷。气瓶的最大充装量关系到它的效率与安全。因为最大充装量定得过低，会降低气瓶的使用效率；过高则有可能使气瓶在使用或过程中，因环境温度高而造成超压运行，甚而酿成事故。确定气瓶最大充装量的原则是：对压缩气体及高压液化气瓶，应保证装入的气体在最高使用温度下的压力不超过气瓶的许用压力；对低压液化气体气瓶，应保证在最高使用温度下，瓶内不满液，还保留有一定的气体空间。气瓶的最高使用温度就是最高环境温度，根据气瓶流动使用条件，按最恶劣的情况估计，我国有1979年颁布的《气瓶安全监察规程》中规定气瓶的最高使用温度为333K（60℃）。压缩气体气瓶的最大充装量是计量它在充装结束时瓶内气体的温度和压力；液化气体的最大充装量则以充装系数衡量。