压力容器的结构

    工业生产中广泛应用的换热器、塔器、反应器、储槽等压力容器的结构，一般比较简单。多数容器由壳体与内部的部分工艺附件装置共同组成。由于用途不同，所以，这些工艺附件装置的形式也很多，而且对压力容器的安全一般没有太大的影响，而容器外壳、端盖、法兰、开孔与接管等各种承压部件则不同，它们是压力容器上最危险的构件，经常由于各种原因而引发事故。

    压力容器中的主要受压元件包括筒体、封头（端盖）、球壳板、换热器管板、换热管、膨胀节、开孔补强板、设备法兰、M36以上的设备主螺栓、人孔盖、人孔法兰、人孔接管以及直径大于250 mm的接管。

    压力容器容易发生事故的构件除本体外，还包括以下部分：

    （1） 压力容器与外部管道或装置焊接连接的第一道环向焊缝的焊接坡口；螺纹连接的第一个螺纹接头；法兰连接的第一个法兰密封面；专用连接件或管件连接的第一个密封面。

    （2） 压力容器开孔部分的承压盖及其紧固件。

    （3） 非受压元件与压力容器本体连接的焊接接头。

    一、压力容器的基本组成及其作用

    压力容器由壳体、连接件、密封元件、支座、开孔和接管等组成。

    壳体是压力容器最主要的组成部分，其作用是为储存物料或完成热交换、化学反应提供一个密闭的压力空间。壳体的形状有球形、圆筒形、锥形和组合型等，常用的是球形和圆筒形两种。

    连接件是容器及管道中起连接作用的部件。由于生产工艺和安装检修的需要，筒体与封头常采用可拆连接结构，这些可拆连接结构所使用的就是连接件。此外，容器的接管与外部管道的连接也要用连接件。连接件一般采用法兰螺栓连接结构。

    密封元件是可拆连接结构的容器或管道中起密封作用的元件，它放在两个法兰或封头与筒体端部的密封面之间，借助于螺栓等紧固件的压紧力而起密封作用。

    支座是用于支承容器、固定容器位置的一种附件。支座的结构形式主要取决于容器的质量、安置方式和其他动载荷等。例如，高大的直立容器，特别是塔器，一般采用裙式支座；卧式容器通常采用鞍式支座；而球形容器多采用柱式支座。

    压力容器开孔是为了满足生产工艺的需要，满足对容器进行正常安装、检修和测试的需要。容器上的开孔有物料进、出孔，测量压力、温度及装设安全装置的连接孔、人孔、手孔等。

    接管的作用是将压力容器与介质输送管道或仪表等连接起来。常用的接管有螺纹短管、法兰短管和平法兰接管三种形式。

    二、球形压力容器的结构

    1. 球罐的特点

    球形容器的本体就是一个球壳。由于球形容器的直径一般都比较大，所以，球体大多由许多块按一定的尺寸预制成形的球面组焊而成，如图5−3所示。球壳的分带分片数、支柱及各带的球中心角，按相应标准选取。球面板的形状不完全相同，但板厚一般都是一样的。只有一些特大型、用以储装液化气体的球形储罐，球体下部的壳板才比上部稍厚一些。

    从所有壳体受力的情况看，球形是最适宜的形状。球形壳体与圆筒形壳体相比，当压力和直径相同时，球形壳体中的最大应力只有相同壁厚的圆筒形壳体的一半，因而其壁厚较圆筒形壳体薄。此外，从壳体的表面积来看，球形壳体的表面积要比容积相同的圆筒形壳体小10%～30%（视圆筒形壳体的高度与直径之比而定）。由于表面积小，所使用的板材也少，再加上需要的壁厚较薄，因而制造容积相同的容器，球形容器要比圆筒形容器节省30%～40%的材料。

    （1） 球罐多用作储存容器，其主要优点如下：

    ① 球罐与有相同储存能力的其他形状的容器相比，它的表面积最小，因此，在储运气体或液化气体介质时，冷热量损失也最少，从而减少储运过程中的能源消耗，降低储运成本。

    图5−3 球罐各部分的名称

    1—斜梯；2—南寒带；3—南温带；4—赤道带；5—北温带；6—北寒带；7—人孔；8—顶部平台；

    9—北极板；10—盘梯；11—中部平台；12—支柱；13—拉杆；14—南极板

    ② 在相同直径和工作压力下，球形容器受力均匀，其薄膜应力仅为圆筒形容器环向应力的1/2，故板厚仅需圆筒形容器板厚的一半，因此，消耗材料少，质量小，造价低，投资少。

    ③ 由于球形容器表面积小，风力系数仅为0.3左右，而圆筒形容器的风力系数为0.7，因此，在相同容量下，球形容器比其他形状的容器抗风载荷能力大，故对风载荷来讲，球罐更为安全。

    ④ 由于球形容器大多采用支柱式支承结构，因此，基础结构简单，工程量和占地面积小，建造费用较低。

    ⑤ 结构简单，使用维修较为方便，且外形美观。

    （2） 球罐与其他形状的容器相比有以下缺点：

    ① 球壳板不能用几何画法的直线展开，因此，对板材下料和球壳板净料切割技术要求较高。

    ② 球罐体积较大，不易于工业化生产，因此，野外现场施工周期长，施工环境要求高，受环境限制，可施工期较短。

    ③ 现场组装全位置焊接，因此，组装施焊环境恶劣，劳动强度大，组装、焊接质量较难保证。

    ④ 对制造、组装、焊接、检验和试验等技术要求高，施工管理要求严格。

    2. 球罐的组成

    球罐的组成方式一般是由它的容积大小及生产工艺要求而决定的。较大型赤道正切式球罐（即橘瓣式球壳板）由以下几部分组成，如图5−3所示。

    1）壳板

    壳板是用钢板经冷压或热压成形的单块球形弧板。其各部分的球壳板名称如下：

    （1）赤道带球壳板。沿着球壳通过球体中心的赤道线的平行纬线所切割的球台即为赤道带，而组成赤道带的球壳板叫作赤道带球壳板。

    （2）上、下温带球壳板（或南、北温带板）。位于赤道带上部纬线切割的球台叫作上温带（或北温带），组成上温带的球壳板叫作上温带板（或北温带板）；反之，位于赤道带下部纬线切割的球台叫作下温带（或南温带），组成下温带的球壳板叫作下温带板（或南温带板）。

    （3）上、下寒带球壳板（或南、北寒带板）。位于上温带上部的纬线切割的球台叫作上寒带（或北寒带），组成上寒带的球壳板叫上寒带板（或北寒带板），反之，位于下温带下部的纬线切割的球台叫作下寒带（或南寒带），组成下寒带的球壳板叫作下寒带板（或南寒带板）。

    （4）上、下极带板（或南、北极板），位于北寒带上部的球冠部分叫作上极带（或北极带），组成上极带的球壳板叫作上极板（或北极板）；反之，位于南寒带下部的球冠部分叫作下极带（或南极带），组成下极带的球壳板叫作下极板（或南极板）。

    2）支承结构

    球罐的支承结构分类如下：大型球罐多采用支柱和拉纤式的支承结构（见图5−3），它们主要用于承受球罐的垂直载荷和水平载荷。

    小型球罐多采用裙式支承结构，如图5−4所示。

    根据工艺和生产需要，半地下球罐也可采用耳式支承，如图5−5所示。

    图5−4 裙式支承的球罐

    1—上部平台；2—梯子；3—球体；4—裙座

    图5−5 耳式支承的球罐

    1—梯子；2—球体；3—裙座；4—支耳

    3）人孔及管件

    为了保证施工及检修人员正常进入球罐内部，通常在球罐上部和下部开设人孔。为保证储存介质的进出和温度、压力、液位的测试，在球罐上部或下部开设上述所需要的接管。

    4）安全附件及附属设施

    球罐的安全附件主要包括温度计、压力计、液位报警器、安全阀、紧急切断阀、事故喷淋和保温隔热结构。球罐的附属设施主要包括外部的下部直梯、中部平台、上部盘梯（或斜梯）、顶部平台、内部直梯和内部转梯及平台等。

    3. 球罐的主要类型

    目前，在工业领域中，建造使用的球罐是多种多样的。有按使用工艺条件、储存介质和使用材料分类的，也有按球体结构和支承形式来划分的，但直接影响球罐建造质量和使用安全的，主要是球罐的结构形式，球罐的具体结构形式如下：

    1）橘瓣式球罐

    橘瓣式球罐将球壳板分割成橘瓣形式的球罐。此类型的球罐是被当今世界各国常采用的一种，分别如图5−3～图5−5所示。

    2）足球式球罐

    足球式球罐将球壳板分割成各块相等的和足球壳片一样形式的球罐，如图5−6所示。

    3）水滴形球罐

    水滴形球罐的形状如荷叶上的水珠，如图5−7所示。

    另外，还有一些其他类型的球罐，由于结构复杂，制作安装较困难，故在工业生产中不常使用，如双层球罐、椭圆形球罐、多段承脊形球罐、多弧拱顶椭圆球罐和由不同形状球壳板组成的复合式球罐等。

    图5−6 足球式球罐

    图5−7 水滴形球罐

    球形容器在制造、安装和热处理等方面具有一定的困难。特别是由于它的焊缝长，焊接工作量大，焊接质量和探伤要求也较高，而且作为反应或传质、传热用容器，它既不便于在内部安装附件，也不便于内部相互作用介质的流动，因此，球形容器一般只广泛用作储装容器。近年来，由于各种高强钢的相继问世以及机械制造水平的不断提高，大容量的球形容器已广泛应用于化工、石油等工业部门。目前，我国颁布标准的球形容器系列，其公称容积已达到50～200 m3，公称压力已达到0.44～2.94 MPa。

    球形容器表面积小，除节省制造钢板外，对于用作需要与周围环境隔热的容器也是有利的。因为它可以节省隔热材料或减少热的传导，所以，它最适宜用作液化气体储罐。此外，有些用蒸汽直接加热的容器，为了减少热损失有时也采用球体。

    三、圆筒形压力容器的结构

    图5−8 圆筒形容器

    1—主螺栓；2—主螺母；3—平盖；4—筒体端部；5—内筒；6—层板层（或带层）；7—环焊缝；8—纵焊缝；

    9—管法兰：10—接管；11—球形封头；12—管道螺栓；13—管道螺母；14—平封头

    圆筒形压力容器的主要结构如图5−8所示。筒体是压力容器最主要的组成部分，储存物料或完成化学反应所需要的压力空间大部分是由它构成的，所以，筒体的容积（或直径与长度）大小是根据工艺要求确定的。当筒体的直径较小（一般小于50 mm）时，筒体可用无缝钢管制作，此时筒体上没有纵焊缝。当筒体的直径较大时，筒体可用钢板在卷板机上卷成筒体或用钢板在水压力机上压成两个半圆，再用焊缝将钢板端部连接处封死，形成一个完整的圆柱形。由于该焊缝的方向和圆柱形筒体纵向（即轴向）平行，因此，成为纵向焊缝，简称纵焊缝。若容器的直径不是很大，则一般只有一条纵焊缝；随着容器直径的加大，由于钢板幅面尺寸的限制，可能有两条或两条以上的纵焊缝。当容器板的长度较短时，即可在一个圆柱形筒体两端连接上、下封头，构成一个封闭的压力空间，制成一台压力容器外壳。

    当容器较长时，由于钢板幅面尺寸的限制，就需要先用钢板卷焊成一段筒体（每一段筒体称为一个筒节），再由两个或两个以上筒节组焊成所需长度的筒体。筒节与筒节之间、筒体与上下封头（或法兰）之间的连接焊缝，由于其方向与筒体轴向垂直，因此，称为环向焊缝，简称环焊缝。

    1. 圆筒体

    圆筒体按其结构不同可分为整体式和组合式两大类。

    1） 整体式筒体

    筒体的器壁在厚度方向是由连续完整的材料所构成的，也就是器壁只有一层（衬上的防腐层不包括在内）。整体式筒体按制造方式不同又可分为单层卷焊、整体锻造、锻接、拉拔、电渣重熔、铸造等。中低压容器由于壁厚较薄，因此，多为整体式筒体。除直径较小时采用无缝钢管制作外，大部分均采用单层卷焊制造这一方式。

    随着我国制造综合能力的发展，铸造式压力容器得到长足的发展。锻造式压力容器是由锻造的筒节经组焊而成，结构上只有环焊缝，而无纵焊缝。20世纪70年代以来，由于冶炼、锻造和焊接等技术的进步，已可供应570 t的大型优质钢锭，并能锻造最大外径为10 m、最大长度为4.5 m的筒体锻件，因此，大型锻接式压力容器得到了发展，成为轻水反应堆压力容器、石油工业加氢反应器和煤转化反应器的主要结构形式。

    2） 组合式筒体

    筒体的器壁在厚度方向是由两层或两层以上互不连续的材料构成的。组合式筒体按结构及制造方式的不同又可分为多层式、绕板式、型槽绕带式、热套式等。

    （1） 多层式。由若干个多层筒节组焊而成，各筒节由内筒和在外面包扎的层板组成，多层式的压力容器在20世纪30年代就已开始在工业上使用。其优点是制造设备简单，材料的选用有较大的灵活性。这种结构即使在某一层钢板中出现裂纹，裂纹也只能在该层层板中扩展，不会扩展到其他层板上，所以，安全性高是这种容器的突出优点。它的缺点是生产工序多，劳动生产率低。

    （2） 绕板式。将成卷的薄钢板连续地缠绕在内筒外面，直至达到所需要的壁厚为止，因此，不必逐层包扎和焊接每层层板的纵焊缝。

    （3） 型槽绕带式。在绕带机床上，对型槽钢带通电加热，直到红热状态，再用压辊将钢带压合到内筒表面预先加工出的螺旋沟槽内，使之相互啮合，每绕完一层钢带后再绕下一层，直至达到所需的筒体厚度为止。

    其优点是型槽钢带层层啮合，可使钢带层承受容器的一部分轴向力；筒体上没有贯穿整个壁厚的环焊缝；使用安全性高。缺点是需要使用特殊轧制的型槽钢带和专用机床。

    （4） 热套式。在内筒外面套合上一至数层外筒，组成筒节。通常先将外层筒体加热，使其直径增大，以便套在内层筒体上。冷却后的外层筒体就能紧贴在内筒上，同时对内筒产生一定的预加压缩应力。

    热套式压力容器用的钢板比多层式压力容器的层板厚，层数少，所以生产效率高。

    2. 封头

    封头或端盖是圆筒形容器的重要组成部分，它的形式有半球形、椭圆形、碟形、锥形及平板形等。这些封头在强度及制造上各有其特点。半球形受力状况最佳，但最难制造。封头形式的选择不单取决于强度与制造，在某些情况下，还取决于容器的使用要求。在实际生产中，中低压容器大多采用椭圆形封头；常压和高压容器以及压力容器中的人孔和手孔则采用平盖。

    当容器组装后不再需要开启时（一般是容器中无内件或虽有内件但不需要更换和检修的情况），上、下封头应直接和筒体焊在一起，这样做的好处是能有效地保证密封、节省材料和减少加工制造的工作量。对于因检修和更换内件必须开启的容器，封头和筒体的连接应做成可拆式的，此时在封头和筒体之间就必须有一个密封结构。

    在压力较高的容器中，当封头和筒体焊接时，只能采用球形、椭圆形或锥形封头，而不允许用平盖，这是由于平盖受力状态恶劣，其变形和圆柱形筒体很难协调一致，易于发生事故。平盖在压力容器中，主要用于平盖和筒体为可拆连接的情况下。平盖的通体焊接只能用于常压容器和中、低压容器，这是在压力容器结构设计中必须注意的。

    3. 法兰

    法兰是容器及管道连接中的重要部件。它的作用是通过螺栓和垫片的连接与密封，保证系统不发生泄漏。

    法兰按其所连接的部件不同分为管法兰和容器法兰。用于管道连接的法兰称为管法兰，用于容器顶盖与筒体或管板与容器连接的法兰称为容器法兰。在高压容器中，用于顶盖和筒体连接的并与筒体焊在一起的容器法兰又称为筒体顶部。

    容器法兰按其本身的结构形式不同分为整体法兰、活套法兰和任意形式法兰三种。

    法兰通过螺栓连接，并通过预紧螺栓使垫片压紧而保证密封。法兰螺栓连接是压力容器上用得最多的一种连接结构，如封头和筒体的连接、各种接管的连接，以及人孔、手孔盖的连接等。法兰螺栓连接结构虽然开启不方便，但其结构简单，使用可靠，故在压力容器中得到了广泛的应用。

    4. 密封元件

    密封元件放在两个法兰的接触面之间，或封头与筒体顶部的接触面之间，借助于螺栓等连接件压紧，从而使容器内的液体或气体被封住不致泄漏。

    密封元件按所用材料的不同，可分为非金属密封元件（如石棉垫和橡胶 O 形环等）、金属密封元件（如纯铜垫、铝垫和软钢垫等）和组合式密封元件（如铁包石棉垫、钢丝垫和绕石棉垫等）。

    密封元件按其截面形状的不同，可分为平垫片、三角形垫片、八角形垫片和透镜式垫片等。

    密封结构按其密封原理不同，可分为强制密封和自紧密封两大类。强制密封是依靠螺栓等紧固件的预紧力来保证密封面上有一定的接触压力而实现密封的。自紧密封是依靠容器内介质的压力使密封面产生压力来达到密封的。

    强制密封常用的结构有平垫密封和卡扎里密封等。由于强制密封结构本身的特点，它只适用于直径较小的容器。

    自紧密封常用的结构有双锥密封、伍德密封、O形环密封和C形环密封等。自紧密封多用于大直径的高压容器。

    不同的密封元件和不同的连接件相匹配，构成了各种不同的密封结构。在石油化工用压力容器中常见的密封结构有平垫密封、双锥密封、伍德密封、卡扎里密封、楔形环密封、C形环密封、B形环密封和O形环密封等。一个完善的密封结构应满足以下要求：

    （1） 在升压、降压和正常操作条件下，以及压力、温度波动和介质有腐蚀性等情况下能始终保持严密不漏。

    （2） 结构简单，制造、装拆和检修方便。结构紧凑，在高压密封中，尽量少占高压空间。

    （3） 强度可靠，密封元件耐腐蚀并能多次重复使用。

    一种密封结构要满足上述全部要求往往是比较困难的，但保证容器的密封是密封结构最基本、最重要的要求。

    5. 开孔与接管

    石油化工容器常因工艺要求的检修需要，在筒体或封头上，开设各种孔或安装接管，如人孔、手孔、视镜孔、物料进出口孔，以及安装压力表、液位计、安全阀等接管开孔。

    手孔和人孔用来检查容器的内部并用来洗涤、清洁以及安装和拆卸内部的装置。手孔的内径要使得操作工人的手能自由地通过，并考虑手上握有供安装的零件或安装工具，因此，手孔的直径一般不小于150 mm，人的臂长为650～700 mm，因此，直径大于1 200 mm的容器就不能再用手孔了，而必须改设人孔。人孔的大小应以能使工人进出为准。人孔的形状根据制造方便，以及密封周边为最小的原则来选定。常用的有圆形人孔和椭圆形人孔。椭圆形人孔的最小净尺寸为300～400 mm，圆形人孔直径为400 mm。人孔盖压紧装置的结构与需要开启的次数有关。如开启次数很少，则人孔盖可用简单的盲板配上手柄制成；当开启次数较多时，则采用带铰链螺栓的人孔盖，以利装拆方便。对于可拆封头的容器，一般来说不需另设人孔，但由于人孔的拆装远比拆装大直径的封头快而且方便，所以，也有封头可拆的容器仍设有人孔。

    筒体和封头上开孔后，不但减小了器壁的受力面积，而且还因为开孔造成结构不连续而引起应力集中，使开孔边缘处的应力大大增加，孔边的最大应力要比器壁上的平均应力大几倍，筒体强度被削弱，这对容器的安全运行是很不利的。为了减小孔边的局部应力，常采用开孔补强的方法来减少这种不安全因素的产生。

    开孔是压力容器中的一个主要薄弱环节，对压力容器的疲劳寿命影响较大，因而，压力容器上要尽量减少开孔的数量，尤其要避免开大孔。对于高压容器，要尽量避免在筒体上开孔，而应把开孔位置移到安全裕度较大的封头或筒体顶部。由于薄壁圆筒承受内压时，其环向应力是轴向应力的两倍，因此，如需要在筒体上开孔时，应尽量开成椭圆形孔，且使椭圆的短轴平行于圆筒体轴线，以尽可能减少纵截面的削弱程度，从而使环向应力增加得少一些。由此可知，位于筒体上的人孔一般开成椭圆形，而圆形人孔多开在封头部位。

    6. 支座

    容器靠支座支撑在基础上。根据圆筒形容器的安装位置不同，支座可分为立式容器支座和卧式容器支座两类。常用的立式容器支座有悬挂式支座、支承式支座和裙式支座等。卧式容器支座主要采用鞍式支座。

    上述六大部分（圆筒体、封头、法兰、密封元件、开孔与接管及支座）构成了一台圆筒形压力容器的外壳，这一外壳即为容器本身。而用于化学反应、传热、分离等过程的容器，则在外壳内必须装入工艺所要求的内件，才能构成一台独立而完整的产品。

    根据所需完成的工艺过程不同，内件的形式与结构是千差万别的。有的内件只用于完成单一的工艺过程，其结构比较简单，图5−9所示的分离器内件只是用拉西环或木板做成的填料。

    图5−9 分离器内件

    图5−10 所示的单程列管式换热器内件是由一组固定在上、下管板间的直管组成的。

    图5−11所示为冷激式径向流动氨合成塔内件。在容器内完成多种工艺过程，因此，其内件结构比较复杂。由于经过精制的氮氢混合气体，在高压、高温和触媒的催化作用下，在合成塔内直接合成氨，因此，氨合成塔在本质上是一台反应器。此外，氨的合成反应是放热反应，为了回收反应热，使预热进塔的原料气达到合成反应温度，并维持触媒层的适宜温度（因触媒过热后将失效），合成塔内需设置换热装置。一般来说，氨合成塔的内件由下列三大部分组成：触媒筐为存放触媒并进行合成反应的装置；换热器为回收反应热并预热原料气的装置；电加热器为开工时将原料气加热到反应温度的装置。

    图5−10 单程列管式换热器内件

    图5−11 冷激式径向流动塔