压力容器的基本类型及结构

　　1. 压力容器的分类

　　压力容器有多种分类方式，这里仅介绍按其安全的重要程度进行分类。根据安全的重要程度(安全的重要程度是由其压力高低、介质的危害程度以及在生产中的重要作用来决定的)，将压力容器划分为三类，即第一类容器，第二类容器和第三类容器，其中的第三类容器最为重要，要求也最为严格。其具体划分如下：

　　(1) 低压容器(另行规定的除外) 为第一类压力容器。

　　(2) 下列情况之一为第二类压力容器：

　　1) 中压容器(规定为第三类的除外) ；

　　2) 易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和储存容器；

　　3) 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；

　　4) 低压管壳式余热锅炉；

　　5) 搪瓷玻璃压力容器。

　　(3) 下列情况之一为第三类压力容器：

　　1) 毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器或设计压力与容积的乘积大于等于0.2MPa•m3的低压容器；

　　2) 易燃或毒性程度为中度危害介质的中压容器或设计压力与容积的乘积大干等于0.SMPa•m3的中压反应容器或设计压力与容积的乘积大于等于10MPa•m3的中压储存容器；

　　3) 高压、中压管壳式余热锅炉；

　　4) 高压容器。

　　根据《压力容器安全技术监察规程》的注明，易燃介质是指与空气混合的爆炸下限小于10%，或爆炸上、下限之差值大于等于20%的气体。介质的毒性程度则参照GB－5044职业性接触毒物危害程度分级的规定，按其最高容许浓度的大小分为下列四级：最高容许浓度<0.1mg／m3，为极度危害(Ⅰ级) ；容许浓度为 0.1～<1.0mg／m3的，为高度危害(Ⅱ级) ；容许浓度为1.0～<10mg／m3，为中度危害(Ⅲ级) ；容许浓度为>10mg／m3的为轻度危害(Ⅳ级) 。又根据《锅炉压力容器安全监察暂行条例》及其《实施细则》的规定，除液化石油气气瓶划入第二类庆力容器外，其它气瓶(包括有缝和无缝的) 均划入第三类压力容器，液化气体槽车、超高压容器、特种材料容器、特殊用途容器也属第三类压力容器。

　　2. 压力容器的结构

　　压力容器的主要部件是一个能承受压力的壳体及其他必要的联接件和密封件，主要包括本体、封头及其主要附件等。

　　(1) 球形容器

　　球形容器的本体就是一个圆球壳，由于直径比较大，难以整体或半球体压制成形，所以大多是由许多块按一定尺寸预先压制成形的球面板组焊而成。板的曲面半径和板厚一般都是一样的，只有一些特大型液化气体贮罐下部球壳板厚比上部的稍大一些。

　　(2) 圆筒形容器

　　圆筒形容器是使用最为普遍的一种压力容器，虽然从受力情况看，圆筒体不如球体，但由于比球形容器易于制造，又便于在内部装设工艺附加装置和便于相互作用的两种工作介质在内部相对流动，因此被广泛用作反应、换热和分离容器。圆筒形容器由一个圆筒体和两端的封头(端盖) 组成。常用的低压圆筒容器如图5－8所示。

 

图5—8  球壳结构形式

　　1—封头；2—圆筒体；3—接管；4—排泄管；5—人孔

　　1) 圆筒体。薄壁圆筒体除了较小者可采用无缝钢管外，一般都是焊接结构。对于较长筒体，可能有许多条环焊缝，但一般应尽量使受环向应力作用的纵焊缝减至最少。

　　2) 封头。封头或端盖常见的有半球形、椭圆形、碟形、锥形及平板形，如图5－9所示。其中，椭圆形封头应用最多，它由半椭球体和圆筒体两部分组成。半椭球体的纵剖面是半条椭圆形曲线，标准椭圆形封头的椭圆长、短轴之比为2﹕1。

 

图5—9  凸形封头

　　3) 容器的开孔、接管与补强。由于设备工作、检修和检测的需要，压力容器的壳体和封头通常要开孔、接管，以供物料的进、出，测量压力、温度、液位，装设安全装置、视镜、留作入孔、手孔。容器开孔以后，不仅整体强度消弱，而且还由于开孔引起应力集中造成开孔边缘局部的高应力。为了保证容器的安全使用，除视镜、入孔、手孔均必须按相应的标准执行外，还必须充分考虑开孔补强问题。开孔补强结构形式通常有补强圈补强、接管补强、整体锻件补强。

　　补强圈补强是在容器外壁或者在内、外壁孔边上接焊一金属圈，以全焊透的方法与壳体及接管熔合在一起，使它与容器壁同时受力，以达到加强的目的。

　　接管补强是把与开孔联接的接管的管壁加厚，接管除了承受管内压力所须厚度外，还有很大一部分剩余壁厚用作孔边补强。

　　锻体补强是在开孔处焊接一整体锻制的补强体。由于补强元件与壳体采用对接焊接，且焊缝又远离应力集中区(孔口处) ，因而具有较好的抗疲劳性能。

　　(3) 高压容器

　　高压容器多为厚壁容器，其外径与内径的比值K大于1.2。高压容器中承受压力的壳体以圆筒形占大多数。在工业生产中所用高压工艺设备一般由承受高压的壳体和进行物理或化学过程的内筒构成。高压容器筒体结构形式按壳壁构成可分为单层式、多层式及绕制式三大类。

　　1) 单层式简体可采用整体锻造、锻焊、原板卷焊或电渣重熔方式制成。单层厚壁容器结构简单，但是存在不能充分利用整个简壁材料的强度、产生脆性破裂，和当竞壁中局部应力较大部位出现裂纹缺陷时会导致整个壳体破裂等缺点。

　　2) 多层式简体采用多层包扎式、螺旋包扎式、热套式、整体多层包扎式等结构。螺旋包扎式和多层绕板筒体截面如图5－10和图5－11所示。

 

图5－10  螺旋包扎式简体截面图    5－11  多层绕板筒体截面

　　3) 绕制式筒体是在多层包扎式的基础上发展而来的，两者内筒相同，所不同的是绕制式是在内筒外连续缠绕若干层薄钢板而构成筒节，绕板层只有里外两道纵焊缝。

　　多层式简体和统制式简体不受冶炼、锻压设备的限制，生产效率高，材料消耗少；由于制造过程中产生预紧力，在内压作用下，筒壁压力分布均匀，可充分利用材料性能，承载力和耐疲劳强度均高于同等情况单层容器；可根据介质特性选择合适的内筒，适用于腐蚀介质和氢介质；层板间隙具有阻止缺陷和裂缝向厚度方向扩展的能力，减少了腿性破裂的可能性。

　　3. 压力容器结构的基本要求

　　压力容器的结构是否合理，对容器的安全性有重大影响，不合理的结构会使容器局部产生过高的应力而破坏。为了减少局部应力，压力容器的结构应该符合如下基本要求：

　　(l) 承压壳体的结构形状应该连续和圆滑过渡，避免因几何形状的突变或结构上的不连续产生较高的应力。

　　(2) 把器壁开孔、焊缝或转角等产生应力集中或降低部件强度的结构相互错开，防止局部应力叠加。

　　(3) 避免采用刚性大的结构。刚性结构使焊接时的自由胀绩受到约束，产生较大的焊接内应力；也会限制承压壳体受压力或温度变化引起的伸缩变形，产生附加弯曲应力或正应力。

　　4. 压力容器常见的制造缺陷

　　除了正确的设计之外，压力容器的加工制造质量也是影响容器安全的重要因素。由焊接等工艺特点决定，压力容器的制造过程中经常会出现各种缺陷，导致压力容器运行过程中发生事故。常见的制造缺陷有焊接缺陷、残余应力和几何形状不连续等问题。

　　(1) 焊接缺陷。焊接质量不好，如没焊透、气孔、夹渣、焊缝咬边和焊缝裂纹等，不仅降低容器强度，而且还会在这些缺陷周围产生较大的局部应力，使容器易于产生裂纹。

　　(2) 残余应力。焊接时焊缝内的金属呈熔融状态，当焊缝冷却时，焊缝内的金属收缩受到刚性焊件的限制，在焊缝周围产生拉应力，称为焊接残余应力。较大的残余应力会使容器的承压能力降低，产生局部裂纹，并且能加剧应力腐蚀破坏及疲劳破坏。经过适当的热处理，可以消除残余应力。

　　(3) 几何形状不连续。压力容器的壳体的几何形状，如椭圆度等木符合要求，焊缝接头不平整，或表面粗糙等问题，会造成局部应力集中和应力腐蚀，最终导致容器破坏。