压力容器的结构形式及构成、压力容器用钢.docVIP

海量资料 超值下载 压力容器的结构形式及构成、压力容器用钢第一节 压力容器的结构形式压力容器是为介质的物理反应、化学反应、换热、储存、分离等提供一个密闭空间，其结构一般比较简单。压力容器根据其用途不同，结构形式也多种多样。常见的结构形式主要有球形、圆筒形、箱形、锥形等。现将容器常见结构形式介绍于下：一、球形容器球形容器（图21）的本体是一个球壳，此种结构由许多块预先按一定尺寸压制成形的球面板拼焊而成，直径较大。由于球壳是中心对称的结构，应力分布均匀，球壳体应力是相同直径圆筒形壳体应力的一半，压力截荷相同的情况下所需板材厚度最小，相同容积的结构表面积最小。因此可节省大量材料（与同压力截荷、同容积的圆筒形容器相比，可节约材料3040%）。但由于制造工艺复杂、拼焊要求高，再加上内部工艺附件安装困难，故一般用于大型储罐，也有时用作蒸汽直接加热的容器。二、圆筒形容器圆筒形容器（图22）是轴对称结构，此种结构没有形状突变，应力比较均匀，受力虽不如球形容器，但比其他结构形式好得多，制造工艺较简单，便于内部工艺附件的安装，便于工作介质的流动，因而是使用最普遍的一种压力容器。圆筒形容器一般也采用焊接结构。三、箱形容器箱形结构可分为正方形结构和长方形结构两种。其几何形状突变，应力分布不均，在转角处局部应力较高。这类容器的结构不合理，除常用在压力较低的消毒柜（图23）、汽柜外，一般很少采用。 四、锥形结构容器单纯的锥形结构容器没有，一般用到的都是由圆筒体与锥形组合面的组合结构（图24）。由于锥体与圆筒体连接处结构不连续，产生较高局部应力，锥体的锥角大小也直接关系到容器受力状况。故这类容器通常是生产工艺有特殊要求时采用，如有结晶状或粒状物料需排出等。 第二节 压力容器的基本构成压力容器一般由筒体、封头（端盖）、管板、球壳板、法兰、接管、人（手）孔，支座等部分组成。一、筒体筒体是压力容器的重要部件，与封头或管板共同构成承压壳体，为物料的储存和完成介质的物理，化学反应及共他工艺用途提供所必需的空间。筒体通常用金属板材卷制焊接而成。二、封头（端盖）封头是保证压力容器密闭的重要部件。凡是与筒体采用焊接联接而不可拆的称为封头；与筒体以法兰等联接而可拆的，称为端盖。封头与端盖按其种类不同的分类见表21。1、 凸形封头：这是压力容器广泛采用的封头结构形式。有半球形封头、椭圆形封头、碟形封头及无折边球形封头等四种，详见图26。半球形封头实际上是一个半球体，受力时强度最大，在相同直径及相同压力下所需的厚度最小。但因其深度大，制造较困难，故除用于压力较高、直径较大的储罐及其他有特殊要求的容器外，一般较少采用。椭圆形封头由半椭球体及圆筒体（即直边）两部分组成。由于其曲率半径连续变化，受力状况也较好，与半球形封头相比，制造方便，因而被广泛采用。碟形封头又称带折边球形封头，它由几何形状不同的三个部分组成，中央为球面体，与筒体连接的部分为圆筒体，球面体与圆筒体用过渡圆（即折边）连接。因过渡圆弧半径远小于球体半径，故其受力状况较上述两种封头差，通常只用于压力较低、直径较大的容器。无折边球形封头是一块深度较小的球面体，结构简单、制造方便。但在它与筒体的连接处由于形状突变而存在很高的局部应力，故只适用于直径较小、压力较低的容器上。2、锥形封头：介质中含有颗粒状、粉末状物质或粘稠液体的容器，为便于物料汇集及卸料，容器底部常采用锥形封头；有时为保证气体介质在容器中均匀分布或改变流体流速，也采用锥形封头。锥形封头有带折边和无折边等两种（图27略）。无折边锥形封头是一段圆锥体，圆锥体与圆筒体直接连接造成形状突变而引起局部应力过高，故适用于压力较低且锥体半顶角小于30度的场合。带折边的锥形封头是在锥体与圆筒体之间有一圆弧的折边，可以降低局部应力。3、平板封头：受力时强度最低，相同直径、相同压力下所需厚度最大，除用作人孔盖、手孔盖外，一般很少采用。管壳式热交换器的管板起着壳程封头的作用。对管程起端盖作用。三、法兰由于生产工艺需要和安装检修的方便，不少容器需采用可拆的连接结构，如压力容器的端盖与筒体之间、接管与管道之间的连接。这时通常采用法兰结构。法兰通过螺栓、楔口等连接件压紧密封件保证容器的密封。故法兰连接是由法兰、螺栓、螺母及密封元件所组成的密封连接件。法兰按照所连接的部件可分为容器法兰及管法兰。前者用于容器的端盖与筒体连接；后者用于接管（管道）与管道之间的连接。法兰按其整体性程度分成三种形式：整体法兰、松式法兰和任意式法兰。法兰按其密封面形式又可分为平面法兰、凹凸面法兰及榫槽面法兰。密封元件放在两法兰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力可达到密封的目的。按其所用材料的不同分为非金属密封元件（石棉垫、橡胶O型环等）、金属密封元件（紫铜垫、铝垫、软钢垫等）和组合式密封元件（铁包石棉垫、钢丝缠绕石棉垫等）。按其截面形状又可分为平垫片、三角形垫片、八角形垫片、透镜式垫片等。不同的密封元件和不同的连接件相组配，构成了各种不同的密封结构。1、强制密封：通过坚固端盖与筒体法兰的联接螺栓等强制方式将密封面压紧，从而达到密封的目的，如平垫密封、卡扎里密封等。2、自紧密封：利用容器内介质的压力使密封面产生压紧力来达到密封目的。它的密封力随着介质压力的增大而增大，因而在较高的压力下也能保持可靠的密封性能，如组合式密封、“O”形环密封、“C”形环密封、“B”形环密封、楔形密封、八角垫和椭圆垫密封、平垫自紧密封、伍德密封、氮气式密封等。3、半自紧密封：既利用容器内介质的压力，又利用坚固件的联接使密封面产生压紧力来达到密封的目的，如双锥密封就属于此。四、接管为适应压力容器安全运行及生产工艺的需要而设置于封头（端盖）及筒体上，用于介质的进出、安全附件的安装等。五、人孔、手孔根据结构、介质等情况，压力容器需设置人孔或手孔等检查孔，用于容器的定期检验、检查或清除污物。人孔和手孔按其形状可分为圆形及椭圆形两种；按其封闭形式可分为外闭式及内闭式两种。六、支座支座是用于支承容器重量并将它固定在基础上的附加部件，其结构形式决定于容器的安装方式，容器重量及其他载荷，一般分为三大类：即立式容器支座、卧式容器支座及球形容器支座。立式支座中最常见的有悬挂式支座（耳式支座）、支承式支座及裙式支座主要用于高大的直立容器（塔类）。卧式容器支座的结构形式主要有鞍式支座、支承式支座等。支承式支座只适用于小型容器；鞍式支座常用于大中型容器；圈座适用于薄壁容器及多于两个支承的长容器。球容器中常见的有裙式支座和柱式支座。裙式支座一般用于小型的球型容器。第三节 几种典型压力容器结构介绍一、搅拌式反应锅搅拌式反应锅是应用比较广泛的一种容器，通常称作反应容器，其结构如图213所示。搅拌反应锅通常由锅体、夹套或蛇形管、搅拌器、传动装置等组成。其操作一般是间歇式的。一种或几种反应物料由端盖上加料口加入，在搅拌器搅拌的条件下加速混合，完成物理、化学反应。如果因工艺需要加热或冷却，可在夹套或蛇形管内通入加热蒸汽或冷却水、冷冻剂。反应完成后物料由下部出料口排出。1、反应锅体锅体的筒体部分为圆筒形结构，端盖及下部封头（锅底）大多采用椭圆封头，也有时为半球形封头。端盖与筒体之间利用容器法兰连接。为适应生产工艺需要，端盖上设置进料口、窥视镜、照明灯孔、安全附件接口、备用接口等，下封头底部设置出料口。锅体一般由碳钢制成；对需承受高温、高压的锅体可采用耐高温及高强度的材料制造；对于有腐蚀性或有特殊要求的介质常用不锈钢制造或采用搪瓷的方法。2、加热（冷却）装置为适应生产工艺需要，保证反应过程的顺利进行，经常需加热或冷却。反应锅是一种供加热或冷却的容器。它通常采用夹套结构，在夹套内通加热流体或冷却水（冷冻剂），有时还在锅内设置加热（冷却）蛇形管。夹套一般采用碳钢制作，夹套筒体亦为圆筒形。锅体下封头采用椭圆形或半球形封头。夹套体上设置加热（冷却）流体进、出口、测温孔等。蛇形管安装于锅内与物料直接接触，对于腐蚀性介质应采用耐腐蚀钢管制作。3、搅拌装置（搅拌器）搅拌装置也是搅拌式反应锅的重要组成部分。搅拌的效果直接关系到化学反应的速度。针对物料性质的不同，采用的搅拌器形式也各不相同，常用的有锚式、桨式、涡轮式、推进式等。4、传动装置传动装置由电动机及减速机组成，它为搅拌装置提供动力。基型号、功率决定于工艺要求。5、搅拌式反应锅用的支座有两种：一是耳式支座；另一是支承式支座。具体可按安装位置而定。二、列管式换热器列管式换热器属于管壳式换热器；冷、热流体从管内（管程）及管间（壳程）流过，达到间接换热的目的。它是换热容器中常用的一种。列管式换热器的种类很多，根据结构特点的不同可分为刚性和具有温差补偿的两在类。对于温差不大的多采用刚性结构的固定管板式换热器，这是最常见的一各结构形式。当管壁与壳壁温度相差较大时，必须装设补偿装置，常用的有带膨胀节的固定管板式、浮头式、填料涵式及U形管式换热器。列管式换热器主要由筒体、管板、管束、封头（端盖）等部分组成。1、筒体换热器的筒体通常用钢板卷制焊接而成，根据介质特性可用碳钢、低合金钢、不锈钢、有色金属制作，并设有流体进出口接管、仪表接管等。2、管束管束由无缝管组成，材质通常为优质碳素钢或不锈钢，管壁为冷热流体热量交换的界面。3、管板管板用于固定管束，有的管板还兼作容器法兰。管板与壳体焊接或用法兰连接后，共同构成管间压力空间（壳程）。管束在管板上固定时要考虑密封。常用的固定方法有胀接结合等方法。胀接是目前常用的一种，它是利用胀管器使伸到管板中的管子端部直径扩大产生塑性变形，而管板只达到弹性变形，于是管板与管子之间产生挤压力，达到密封、紧固连接目的。胀接法一般用于压力低于4MPa、温度低于300的条件下。由于高温时管子及管板会发生蠕变，使管板与管子间的挤压力降低，导致连接处泄漏，因此对于高温、高压及易燃、易爆介质的换热器应采用焊接法。4、封头（端盖）换热器的封头通常为椭圆形或半球形，封头（端盖）与管内共同构成管内受压空间（管程）。多程换热器可在封头（端盖）内设置隔板，将封头（端盖）隔成几个区间以适应流体折流的需要。三、夹层锅夹层锅是食品制造行业及饮食等行业广泛使用的一种换热容器，通常用于料液浓缩及食品的蒸制。夹层锅是食品制造行业及饮食等行业广泛使用的一种换热容器，通常用于料液浓缩及食品的蒸制。夹层锅由内胆、夹套、支脚部分组成，上面设有蒸汽进口、出料口和冷凝水排放口，其结构示意图215略。夹层锅是一种间歇式操作的容器，待浓缩的料液加入内胆（或在内胆底部加水，上部篦板安放待蒸食品），夹套内通入蒸汽，依靠内胆壁的间接换热，加热待浓缩液或使内胆下部的水沸腾产生蒸汽，完成料液浓缩或食品蒸制工作。内胆由直筒部分及半球形封头焊而成，通常从卫生要求出发，采用不锈钢制造。夹套也是由直筒与半球形封头构成的，开有蒸汽进口，冷凝水出口及安全阀接口等，其最高工作压力一般为0.4MPa以下。常见的夹层锅多为敞口结构，在底部设置出料口，并配置齿轮传动的可倾结构，以方便浓缩物料的卸出。四、氨油分离器在氨压缩过程中，压缩机的部分润滑油变成油雾夹带在氨气中，如果压缩气体直接进入冷凝器和蒸发器，会污染传热面而导致传热效率降低，因此，氨压缩机后一般需设置氨油分离器。氨油分离器是一种结构较为简单的立式分离容器，通常由上封头（端盖）、下封头、筒体、支座、接管等部分组成。按其工作原理有填料式、离心式、洗涤式等几种。1、填料氨油分离器填料式氨油分离器的下封头与筒体焊接，筒内装有填料，上封头采用端盖结构，有法兰与筒体连接。压缩机排出的气体由分离器筒体下部的进口管进入分离器，与填料表面接触，油雾附着于填料表面，氨气由端盖上部排气管排出，从而达到氨、油分离的目的。2、离心式氨油分离器离心式氨油分离器的上、下封头均直接与筒体焊接，在分离器内部焊有螺旋状隔板，并在器内中间引出管的底部增设了多孔挡液板。自压缩机排出来的带有油蒸气及油滴微粒的氨气，由于螺旋隔板的作用，首先在器内自上而下作螺旋运行，在运动过程中产生的离心力将油滴甩向器壁，并沿器壁流聚分离器底部，达到油、气分离的目的。还有的在油分离器外部设有冷却水套，使气体受到冷却，油蒸气变成油滴，然后流经多孔挡液板，再一次进行分离，提高分离效果。3、洗涤式氨油分离器洗涤式氨油分离器外形结构与离心式氨油分离器相似，其进气管由上封头中心处伸入器内，进气管底端焊有底板，管端四周开有四个放射状出气口，进气管筒内部分的中上部外侧焊有多孔的伞形挡液板，在筒体的中下部焊接有进液管接头，出气管伸入筒内一段长度，引出口向上。分离器工作时，器内保持一定高度的氨液，从压缩机来的混有油蒸气、油滴的气体，由氨液进行洗涤、降温、使油蒸气凝结并分离，由于油的比重大于氨液而沉积于器底，筒体内氨液被混合气体加热而部分汽化，随分离后的氨气经伞形挡液板由出气口引出，洗涤过程中尚未被分离的油滴由伞形挡液板进行分离。这种分离器分离效率高，可分离出80%85%的油量。 第四节 压力容器用材一 、钢材的基本知识金属材料的基本知识仅介绍金属材料的微观结构、基本性能、温度对金属材料性能的影晌等内容。1.1 金属的微观结构1.1.1 碳钢与铸铁由95以上Fe（0.054）C 组成的Fe、C 合金。1）铁的内部结构将铁水缓冷到其凝固点1534以下，铁水就开始结晶，直到全部结晶成固态铁为止，温度才又继续下降。所结晶成的固体是由许多颗粒组成，每个小颗粒具有不规则的外形，叫晶粒。每个晶粒内部都是由无数个原子按一定的规律排列而成。若将各个原子的中心用线条连接起来，组成一个空间格子，可用来说明原子排列的规律性，这种空间格子叫晶格。常见的金属晶格形式： 面心立方晶格 体心立方晶格 Fe 的晶格形式15341390 体心立方排列叫铁1390910 面心立方排列叫铁910以下 体心立方排列叫铁铁 铁 铁这种在固态下晶体结构随温度发生改变的现象叫同素异构转变。它是钢铁能够进行多种热处理而改变其性能的重要依据。2）碳的存在形式固溶体：就是由两种或两种以上的化学元素，在固态下互相溶解构成的单一均相物质。铁素体 碳溶解在体心立方晶格Fe 原子之间形成的固溶体。是低碳钢在常温时的主体相。奥氏体 碳溶解在面心立方晶格Fe 原子之间形成的固溶体。是碳钢在高温时的组织。渗碳体：铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体、奥氏体中时， 剩余的碳与铁形成的铁碳化合物（Fe3C）的晶体组织。石 墨：铸铁中的C 2.06% ，奥氏体最大溶碳量2.06，剩余的C 以石墨形式存在。1.1.2 铁碳合金相图（相图略）铁碳合金相图 是表示不同成分的铁碳合金在不同温度下所具有的状态或组织的关系图。相图的作用 通过铁碳合金相图能掌握钢的组织随成分和温度变化的规律,以便能够正确制定热处理和热加工的工艺，是改变其组织，获得所需要的性能的依据。相图中有：两个组元： 铁（Fe） 性能表现为强度和硬度较低，塑性和韧性较好。渗碳体（Fe3C） 性能表现为硬而脆四个基本相：液相（L）、铁素体（）、奥氏体（）和渗碳体（Fe3C）两个次生相：珠光体（铁素体渗碳体的两相机械混合物）具有良好的强度和硬度又具有良好的塑性和韧性，属常温稳定组织莱氏体（奥氏体渗碳体的两相机械混合物）在平衡状态下：C0.8 珠光体 共析钢C0.8 渗碳体珠光体 过共析钢（ES 过共析钢）GS 线：C0.8的铁碳合金加热时铁素体向奥氏体转变的终了温度线（Ac3），或者冷却时奥氏体向铁素体转变的开始温度线（Ar3）。ES 线： 0.8C2.06的铁碳合金加热时渗碳体向奥氏体转变的终了温度线（Accm），或者冷却时奥氏体向渗碳体转变的开始温度线（Arcm）。PSK 线：铁碳合金加热时珠光体向奥氏体转变的温度线（Ac1），或者冷却时奥氏体向珠光体转变的温度线（Ar1）。1.1.3 碳钢的热处理 热处理：就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却以改变其组织，获得所要求的性能。按照热处理的操作及其过程所发生的组织变化的不同，将热处理分为淬火、回火、退火及化学热处理。淬火：是将钢加热至超过临界温度以上，保温一定时间后,以快速冷却,使其得不到稳定的组织。目的：是为了获得马氏体以提高工件的硬度和耐磨度。回火：是将淬火后的钢重新进行不超过临界温度（GS 线）时加热，使之得到较为稳定的组织。根据对零件机械性能的具体要求回火的加热温度分为低、中、高温三种。目的：消除淬火后工件的内应力，并降低材料的脆性。钢件在淬火后，几乎总是跟着回火。退火：退火处理时用来消除钢材在焊接、铸造或锻造后遗留下来的粗晶组织和内应力，降低硬度，增加塑性和韧性，消除偏析。完全退火将钢加热到GS 线以上2030，经保温后随炉缓冷或埋在保温灰中缓冷。低温退火加热至小于临界点PSK 的温度而后缓慢冷却。目的是消除工件在焊接过程中所形成的内应力，以防脆裂。正火：是退火的一种变态，它与退火不同之处是在静止空气中冷却。1.2 金属材料的基本性能金属材料的基本性能一般包括:机械性能、耐腐蚀性能、物理性能、制造工艺性能和经济性。l.2.1 机械性能指标（5.13/P168）材料的机械性能是指在外力的作用下，材料抵抗破裂和过度变形的能力。它包括材料的强度指标、弹性指标、塑性指标、韧性指标、疲劳强度、断裂韧性和硬度等。1.2.2耐腐蚀性能(化学性能)腐蚀不仅会造成金属的损失，更重要的是会导致金属的破坏，从而威胁到压力管道的安全。事实已证明，许多压力管道的破坏都与材料的腐蚀有关。 材料的选择应避免应力腐蚀的发生，因为它会带来压力管道在不可预知的情况下突然断裂，从而导致重大事故的发生; 选用的材料应有足够的抗介质均匀腐蚀的能力，以便材料不致于在短时间内因腐蚀造成的管道壁厚急剧减薄而失效。1.2.3 物理性能材料的物理性能主要是指：密度(kg/m3)、导热系数、比热、熔点Tm()、线膨胀系数、弹性模量E、比重1.2.4.制造工艺性能材料的制造工艺性能也是影响材料选择的一个重要因素，主要有：1) 切削加工性能; 2)可铸性;3)可锻性; 4)可焊性; 5)热处理性能;1.2.5 材料的经济性材料的选择不能脱离经济性这个杠杆作用，这就是工程材料研究与一般材料研究区别的显著标志。选材的原则：1) 设计选材既要可靠，又要经济，能用低等级材料时就不要选用高等级材料。2) 对材料的制造要求也应适当，要结合使用条件来规定各项检查试验要求。3) 对于每一种金属材料来说，以上各类性能不可能都是优秀的，选用材料时，只能扬长避短，物尽其用。1.3 温度对金属材料性能的影晌1.3.1 金属材料在高温下的性能变化1）材料的蠕变及应力松弛材料的蠕变： 当材料的使用温度超过其熔点的(0.250