壓力容器基本結(jié)構(gòu)及制造過程

壓力容器通常是由板、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、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。

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。由于該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，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。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。圖1-1壓力容器的總體結(jié)構(gòu)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。

封頭根據(jù)幾何形狀的不同，封頭可以分為球形、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。

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、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。

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?？紤]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。

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，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。

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)