压力容器基本知识与结构

压力容器基本知识与结构

一、压力容器基本常识

压力容器，不是指所有承受压力的容器，而是指那些容易发生事故，危险性较大，需有专门机构进行监督，并按规定的技术管理规范进行制造和使用的压力容器。

压力容器安全监察规程规定，具备下列三个条件的容器作为特殊设备来管理：

一）最高工作压力≥0.1兆帕，

二）容积≥25升，且压力*容积≥200升•公斤力/平方厘米（19.6升•兆帕）。

三）介质为气体、液化气体和最高工作温度高于标准沸点的液体。

压力容器是工业生产中的常用设备，它在各个工业领域中都得到广泛的应用，压力容器除了用于工业生产外还用于基本建设、医疗卫生、地质勘探、文教体育等国民经济各部门。

二、压力容器的分类

压力容器的形式很多，根据不同的要求，压力容器可以有许多种分类方法，常用的分类方法有以下几种。

一）按压力分类：

按所承受压力的高低，压力容器可分为低压、中压、高压、超高压四个等级。 最高工作压力小于1.6兆帕的为低压容器，这种低压容器大多用于基本化学工业、机器制造业以及冶金采矿等行业；

压力为1.6兆帕至小于10兆帕的为中压力容器，这种容器多用于石油化学工业； 压力为10兆帕至小于100兆帕的为高压容器，这种容器主要用于氮肥工业和一部分石油化学工业；

100兆帕以上的为超高压容器，这种容器目前使用的还不太多，除实验设备外用于工业生产的大部分是高分子聚合设备和人造水晶设备等。

二）按壳体承压方式分类：

按壳体承压方式不同，压力容器可分为内压容器和外压容器两大类。

这两类是截然不同的，它的差别首先反映在设计原理上，内压容器的壁厚是根据强度计算确定的，而外压容器的壁厚设计则主要考虑稳定问题；其次反映在安全性上，外压容器一般较内压容器安全。

三）按设计温度分类：

压力容器按设计温度的高低，它可分为低温容器、常温容器和高温容器三种。 低温容器设计温度小于等于负20℃，常温容器设计温度大于20℃小于450℃，高温容器设计温度大于等于450℃。

四）从安全技术管理角度分类：

按安全技术管理分类，压力容器可以分为固定式容器、移动式容器两大类。 固定容器是指固定的安装地点、工艺条件和使用操作人员也比较固定。

容器一般不是单独装设，而是用管道与其它设备相连接的容器，如合成塔、蒸球、管壳式余热锅炉、热交换器、分离器等。

移动式容器，这种容器主要用途是盛装和运送气体或液化气体，容器在气体制造厂充气，然后运送到用气单位，这类容器没有固定的使用地点，一般也没有专门负责的操作人员，使用环境经常变动，管理比较复杂，因而也比较容易发生事故；

移动式容器按容积和结构形状，有气瓶、气筒、罐车等三种。

五）按在生产工艺过程中的作用原理分类：

压力容器可分为反应容器、换热容器、分离容器和储运容器四种类型。 反应容器主要是用来完成介质的物理、化学反应的容器；

换热容器主要是用来完成介质的热量交换的容器，如管壳式废热锅炉；

分离容器主要是用来完成介质的液体压力平衡和气体净化分离等的容器；

储运容器主要是用来盛装生产和生活用的原料气体、液体、液化气体等容器，如各种形式的储槽、槽车、铁路槽车、公路槽车。

六）容规对压力容器的分类：

为了有利于安全技术管理和监督检查，根据容器的压力高低，介质的危害程度以及生产过程中的重要作用，容规将其适用范围的容器划分三类。

一类容器包括非易燃和无毒介质的低压容器，易燃或有毒介质的低压分类容器和换热容器；

二类容器包括中压容器、剧毒介质的低压容器、易燃或有毒介质的低压反应容器和储运容器，内径小于1米的低压废热锅炉；

三类容器包括高压、超高压、剧毒介质且工作压力乘以容积大于等于190升兆帕的低压容器或剧毒介质的中压容器，易燃或有毒介质且工作压力乘以容积率大于等于490升兆帕的中压反应容器，或工作压力乘以容积大于等于4900升兆帕中央储运容器，中压废热锅炉和内径大于1米的低压废热锅炉。

七）其他分类方法：

按容器的壁厚分类可分为厚壁容器和薄壁容器两类；

按壳体的几何形状分类有球形容器、圆筒形容器、圆锥形容器等三种；

按制造方法分类有焊接容器，锻造容器、铆接容器、铸造容器及各式组合制造容器等；

按结构材料分类有钢制容器、铸铁容器、有色金属容器和非金属容器等等； 按容器的安放形式分类有立式容器、卧式容器等。

三、压力容器的基本结构

压力容器的结构形式是多种多样的，它是根据容器的作用、工艺要求、加工设备和制造方法等因素确定的。

这些压力容器是由承受压力的壳体、连接件、密封元件、接管与开孔及其补强、支座等组成的。

我们看到的这些都是壳体，是压力容器最主要的组成部分，它的作用是储存物料，完成化学反应所需用的反应空间，它的形状有圆筒形、球形、锥形和组合形等数种，但最常用的是圆筒形和球形两种。

圆筒形壳体，它是由一个圆柱形的筒体和两个封头或端盖组成的，它的特点是轴对称，圆筒体是一个平滑的曲面，应力分布比较均匀，承载能力较高，易制造，因而得到广泛的应用。

球形壳体，也就是这些壳体呈球形，通常又称为球罐，它的特点是受力均匀。在相同的壁厚条件下，它的承载能力高；在相同容积的条件下，它的表面积最小。从受力状态和节约材料来说，它是压力容器最理想的外形，但也存在制造比较困难，工时成本高等缺陷。

当压力容器在生产工艺、安装检修时，封头与筒体需采用可拆联接结构时，所用的部件称为连接件，容器的接管与外部管道连接，也需用连接件连接，这种连接件一般采用法兰螺栓结构。

在可拆连接结构的容器中，放在两个法兰或封头与筒体端部的接触面之间，借助螺栓等连接件的压力，而起密封作用的元件，叫作密封元件。

密封元件根据材料的不同分为非金属、金属、组合式密封元件三种。

如按截面形状的不同又可分为平垫片、三角形、八角形、透镜式垫片等。

压力容器与介质输送管道或仪表、安全附件、管道等进行连接的附件称为接管。

常用的有螺纹短管、法兰短管、平法兰短管三种。

螺纹短管式接管是一段带有内螺纹或外螺纹的短管，它插入并焊接在容器的器壁上，短管螺纹是用来与外部管件连接，它一般用于连接直径较小的管道，如安装测量仪表等。

法兰短管是接管的一端焊有管法兰，另一端插入并焊接在容器的器壁上，它的作用是与外部管件连接，这种接管，要求在容器外面的短管要有一定的长度，以便与外部管件连接时能顺利的穿进螺栓和上紧螺帽，短管的长度一般不能小于一百毫米，它多用于直径稍大的接管。

平法兰接管是法兰短管式接管除掉了短管的一种特殊形式，是直接焊在容器开孔上的一个法兰管，它的螺孔与一般管法兰的孔不同，是一种带有内螺纹的不穿透孔，在与容器连接时有贴合式，插入式两种。

压力容器为了检查清理内部、装卸修理工艺内件等的需要应开设手孔和人孔。 手孔和人孔分为圆形或椭圆形两种。

他们开孔的大小是以手握有装拆工器和安装零件时手能自动出入、人能自由出入为准，他们的封闭形式分为内封闭和外封闭两种，内封闭式适用于高温有毒气体的容器，多封闭式适于装在高处的人孔结构。

容器的筒体封头开孔后减小了容器壁的受力面积，使应力集中，开孔边缘处应力增加几倍，对容器的安全运行极为不利，为了补偿开口处的薄弱部位，一般采用局部补强法，常用的补强结构有补强圈补强、后壁短管补强和整体锻造补强等数种。

补强圈补强结构是在开孔的边缘焊一个加强圈，将加强圈贴合容器外壁上，与壳体和接管焊接在一起，圈上开一带螺纹的小孔备作补强圈周围焊缝的气密性试验之用，加强圈的材料与容器材料相同，焊接性能好，厚度与容器壁厚相同，外径为孔径的两倍。

这种补强结构，用于需开孔补强的结构，但容器上有些开孔是不需要补强的，这是因为容器在设计时存在某些加强因素，但当开孔较小削弱程度不大，孔边应力集中程度在容许范围以内时，开口处可以不另行补强。

对压力容器起支撑和固定作用的叫支座，根据圆筒形容器安装位置的不同，可分为立式容器支座，卧式容器支座两类。

四、圆筒体的结构

圆筒体的结构可分为整体式筒体、组合式筒体两大类，它们包括单层卷焊、整体锻造、锻焊、铸锻焊、电渣重熔、多层板式结构、绕制式等。

单层卷焊筒体的制造过程：

单层卷焊式筒体是用卷板机将钢板卷成圆筒，然后焊上纵焊缝制成筒节，再将若干个筒节组焊成筒体与封头和端盖组成容器，它是应用最广泛的一种容器。 单层卷焊式筒体也存在某些缺陷：

一）其壁厚往往受到钢材杂质和卷制能力的限制，我国目前单层卷焊筒体的最大壁厚一般小于等于120毫米。

二）规格相同的压力容器产品，单层卷焊筒体所用钢板厚度最大，厚钢板各项性能差异大且综合性能也不如薄板和中厚板，因此产生脆性破坏的危险性增大。

三）在壁厚方向上应力分布不均匀，材料利用不够合理，随着压力容器制造技术的改进单层卷焊结构的上述不足将逐步得到克服。

五、封头

凡与筒体焊接连接而不可拆的都称作封头

如按形状它可分为三类：凸形封头、锥形封头和平板封头。

凸形封头是一种被广泛采用的一种封头，它有半球形、蝶形、椭圆形、无折边形四种类型。

半球形封头，也就是说封头是一个半球体。

它的制造方法是，直径较小的半球形封头可整体压制成型，直径较大的则采用数块大小相同的梯形球面板，和顶部中心的一块圆形球面板，组焊而成的，它的优点是受力均匀，但制造困难，一般较少采用，多用于压力较高直径较大的储罐，或其他特殊设备。

蝶形封又可称作带折边的球形封头，它通常由半径为R的球面，高度为L的圆筒形折边，半径为小r的连接球面与折边的过渡区三部分组成。

它的优点是制造比较容易，可模压成型，也可用手工锻打的方法制造。

椭圆形封头是由半椭球体、连筒体两部分组成。

一般封头的内直径与封头两倍深度之值，以不大于二点六为宜，封头的内直径与封头两倍深度之比应等于椭圆封头，我们称为标准椭圆形封头；

它的优点是受力状态比蝶形封头好，但不如半球形封头，是压力容器中常用的一种封头。

无折边球形封头是将半球形封头或蝶形封头的大部分除掉取其上的球面体而成； 为了保证封头与筒体连接处不遭破坏，连接处的焊缝应采用全焊结构；

它的优点是，制造容易，结构简单，成本低，但也存在受力情况不良等缺陷； 一般只用在直径较小压力较低的容器上。

锥形封头就是一节圆锥形筒体；

它有无折边锥形封头和折边锥形封头两种形式；

折边锥形封头是指带有过圆弧部分，它包括圆锥体、折边和圆筒体三个部分； 多用于椎体半顶角大于30度的场合，就受力状态来说，它比半球型，蝶型、椭圆形封头都差，但有时为了使气体在容器内均匀分布，或者要改变流体的流速，也需采用锥形封头。

六、法兰连接结构

法兰在容器与管道中起连接与密封作用；

螺栓连接的法兰结构特点：

法兰就是连在管道和容器端部的圆环，它上面开有若干螺栓孔，一对相组配的法兰之间装有垫片，用螺栓连接在一起，通过拧紧螺栓来连接一对法兰，压紧热片使垫片表面产生塑性变形阻塞容器内介质外流的通道，起到密封的作用，这也就是法兰密封的原理。

根据法兰与筒体的连接形式不同，容器法兰又分为整体法兰、活套法兰和任意法兰三种；

法兰与法兰颈部为一整体或法兰与容器的连接视为整体结构的法兰，称为整体法兰，这就是整体法兰。

根据它与筒体的连接形式又分为平焊法兰和对焊法兰两类；

平焊法兰：

它是将法兰环套在筒体外面，用填角焊与筒体连接的法兰。

它的优点是结构简单，制造容易，使用广泛，但也存在受力后易变形、泄漏，有时导致筒体弯曲的缺陷。这种法兰一般只用于直径较小，压力温度较低的低压容器上。

对焊法兰：

它是通过锥颈与筒体对焊连接的法兰；

它的优点是，由于根部带有较厚的锥颈圈，刚性较好，不易变形，局部应力比平焊法兰低，而且强度增加，但它制造比较困难，仅在中压容器上使用。

活套法兰：

它是将法兰环套在筒体外面，但不与筒壁固定成整体的法兰，这是用螺纹与筒体连接的活套法兰，因加工螺纹比较麻烦，所以只用在管式容器上。

活套这种法兰拆卸、维修、更换比较方便，这种法兰一般仅用于搪瓷或有色金属制造的低压容器上。

七、法兰密封面及垫片

法兰密封面及垫片是在法兰连接中起密封作用的关键一环，为了防止泄露，保证密封效果。

法兰密封面也就是法兰接触面，简称法兰面。

它需精密的加工足够的粗糙度和精

度才能达到密封效果，常用的法兰密封面有平面型、凹凸型、榫槽型、四井型等数种。

平面型密封面：

它只有一个光滑的平面，为改善密封性能常在密封面上，车制出几道同心圆沟槽，如同锯齿；

它的优点是，结构简单易加工，但也存在安装时垫片不易装正，紧螺栓时易挤出等缺陷；

这种密封面一般用于低压无毒的介质上。

凹凸型密封面：

它是一对法兰的密封面分别凹面和凸面，凸面高度略大于凹面的深度；

它的优点是，安装时把垫片放在凹面上，易装正，密封性能优于平面性，但加工困难；

这种密封平面，一般用于中压容器。

榫槽型密封面：

它是在一对法兰的密封面上，将其中一个加工出一圈宽度较小的榫头,将另一个加工出与榫头相配合的榫槽, 安装时垫片放在榫槽内；

它的优点是，密封性能好，但这种密封面结构复杂加工困难，更换垫片费时，榫头易损坏；

它只用于易燃或有毒的工作介质或工作压力较高的中压容器上。 sǔn

法兰密封面不管经过多精密的加工，在法兰面之间，也会存在微小的间隙，成为介质泄漏的通道，垫片的作用就是在螺栓预紧力的作用下产生塑性变形，这塑性变形填充了法兰密封面之间存在的微小间隙，堵塞了介质泄漏的通道从而达到密封作用。

容器法兰连接所用的垫片，它有金属和非金属等数种。

常用的三种非金属软垫片：

非金属软垫片是用弹性较好的板材，按法兰密封面的不同直径和宽度制成的一个圆环；

这种非金属软垫片所用的材料主要有橡胶板、石棉橡胶板、石棉板等等。

这是用橡胶制成的不同规格的垫片，这种非金属软垫片一般都用在低压常温和无腐蚀的介质的容器上。

这是用石棉板制成的各种不同规格的垫片，这种石棉板制成垫片适于在介质温度较高的中低压容器，腐蚀性介质的低压容器上使用，压力较高时可用聚乙烯或四氟乙烯板制成垫片。

金属垫片主要包括金属包垫片、金属垫片。

这是金属包垫片，它用薄金属板内包石棉材料等卷制而成的圆环，这种垫片耐高温、弹性好、防腐能力强，有较好的密封性能，一般只用于直径较大的低压容器或中压容器上。

法兰连接的紧固形式：

它有螺栓紧固、带铰链的螺栓紧固、快开式法兰紧固等数种。

这是螺栓紧固式，

它结构简单、安全可靠，是法兰广泛采用的一种紧固形式，但也存在，拆装费时的弱点，所以这种紧固形式只用于一些不经常拆卸的法兰连接。

如若容器端盖长期开启，则需用带铰链的螺栓紧固，这就是带铰链的螺栓紧固式，它因螺栓带有铰链，法兰上螺孔开有缺口，拆卸时不用从螺栓上卸下螺母，只需拧松螺栓后，绕铰链轴从法兰边翻转下来。

八、支座

支座它是对压力容器起支撑和固定作用的，它分为立式容器支座、卧式容器支座、球形容器支座三种类型。

立式容器支座它主要有悬挂式、支撑式及裙式三类。

卧式容器支座是指在水平状态下工作的支座，它主要有鞍式、圈座及支撑式三类。

鞍式支座由腹板、底板、垫板和加强筋组成，有的支座没有垫板，腹板则直接与容器壁连接，若带垫板可作为加强板使用。在设计安装鞍式支座时，应注意解决容器和热膨胀问题，尤其使用时要随时观察容器的膨胀情况。

圈座的结构比较简单，对于大直径薄壁容器，真空下操作需两个以上支撑的容器多采用圈座支撑。采用圈座做支座时，应考虑容器的膨胀问题。圈座的结构比较简单，对大直径薄壁容器真空下操作需两个以上支撑的容器，都采用圈座支撑，采用圈座做支座时应考虑容器的膨胀问题。

支撑式支座结构简单适用于小型卧式容器。

球形容器支座，根据不同的使用要求有许多种球形容器支座结构，概括起来可分为柱式支撑和裙式支撑两大类。

柱式支撑中被广泛使用是赤道正切柱式支撑；

赤道正切柱式支撑它的结构特点：

有多根圆柱状的支柱；

在球壳赤道带部位等距离分布；

支柱的上端加工成与球壳相切或近似的形状与球壳还焊在一起；

为保证稳定性在支柱之间加设松紧可调的连接拉杆；

支柱上端的盖板有半球式、平板式两种；

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柱与球壳连接有加强垫板、无加强垫板两种结构；

支柱与球壳连接的下部结构分为直接连接和托板连接两种；

支柱有整体和分段之别，整体支柱主要用于常温球罐及采用无焊接裂纹敏感性材料做成的壳体球罐；

支柱上端加工成与球壳外型相吻合的圆弧状，下端与底板焊好，运到现场和球壳焊接在一起。

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