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压力容器审核员培训 压力容器基础知识 济南市锅炉压力容器检验研究所毛文帮2008年11月 压力容器简介 一 广义压力容器的定义所谓容器 通常的说法是 由物体构成用于盛装物料的空间构件 通俗地讲 就是化工 炼油 医药 食品等生产所用的各种设备外部的壳体都属于容器 不言而喻 所有承受压力的密闭容器称为压力容器 或者称为受压容器 二 压力容器的压力源容器所盛装的 或在容器内参加反应的物质 称之为工作介质 常用压力容器的工作介质是各种气体 水蒸汽或液体 所以我们这里主要讲气体介质的压力来源 压力来源可以分为气体压力的产生或增大 它来自容器内或容器外二类 容器的气体压力产生于器外时 其压力源一般是气体压缩机或蒸汽锅炉 气体压缩机主要有容积型 活塞式 螺杆式 转子式 滑片式等 和速度型 离心式 轴流式 混流式等 两类 容积型气体压缩机是通过缩小气体的体积 增加气体的密度来提高气体压力的 而速度型气体压缩机则是通过增加气体的流速 使气体的动能转变为势能来提高气体压力的 工作介质为压缩气体的压力容器 其可能达到的最高压力为气体压缩机出口的气体压力 当然 气体在容器内温度大幅度升高或产生其他物理化学变化使压力升高的情况除外 蒸汽锅炉是利用燃料燃烧放出的热量将水加热蒸发而产生水蒸汽的一种设备 由于在相同压力下水蒸汽的体积是饱和水的1000多倍 2 容器的气体压力产生于容器内时 其原因有 容器内介质的聚集状态发生改变 气体介质在容器内受热 温度急剧升高 介质在容器内发生体积增大的化学反应等 由于介质的聚集状态发生改变而产生或增加压力的 一般是由于液态或固态物质在容器内受热 如周围环境温度升高 容器内其他物料发生放热化学反应等 蒸发或分解为气体 体积剧烈膨胀 但因受到容器容积的限制 气体密度大为增加 因而在器内产生压力或使原有的气体压力增加 例如二氧化硫 当温度低于 10 1 标准沸点 时 它在密闭容器内的蒸气压力低于大气压力 而当温度升高至60 时 呈液态的二氧化硫便大量蒸发 其蒸气压力即升高到11 25绝对大气压 又如高分子聚合物固态聚甲醛 受热后 解聚 变为气态 体积约增大1065倍 在密闭容器内也会产生很高的气体压力 由于气体介质在容器内受热而产生或显著增加压力的情况一般是少见的 只有因特殊原因 气体在容器内吸收了大量的热量 温度大幅度升高时压力显著增加的情况才会发生 例如有些贮装易于发生聚合反应的气体容器 如某些碳氢化合物贮罐 在合适条件下单分子气体可以局部发生聚合反应 产生大量的聚合热 使容器内的气体受热 温度大幅度上升 使压力剧烈增高 有时还会因此而发生容器超压爆破事故 由于介质在容器内发生体积增大的化学反应而压力升高的例子较多 例如用碳化钙加水经化学反应生成乙炔气体 体积大为增加 在密闭的容器内会产生较高的压力 又如电解水制取氢和氧的反应 因为1米3的水可以分解成1240米3的氢气和620米3的氧气 体积约增大2000倍 在密闭的容器内也会产生很高的压力 常用的压力容器中 气体压力在容器外增大的较多 在容器内增大的较少 但后者危险性较大 对压力控制的要求也更严格 三 压力容器界限在此讨论的压力容器 主要是指那些容易发生事故 而且事故的危害性较大 须由专门机构进行监督 并按规定的技术管理规范进行制造和使用的压力容器 也就是对压力容器划个界限 哪些按一般设备对待 哪些按特殊设备对待 因而所讲得的系指按特殊设备对待的压力容器 1 划分压力容器的界限应考虑的因素 主要是事故发生的可能性与事故危害性的大小两个方面 目前国际上对压力容器的界限范围尚无完全统一的规定 一般说来 压力容器发生爆炸事故时 其危害性大小与工作介质的状态 工作压力及容器的容积等因素有关 工作介质是液体的压力容器 由于液体的压缩性极小 因此在容器爆破时其膨胀功 即所释放的能量很小 危害性也小 而工作介质是气体的压力容器 因气体具有很大的压缩性 容器爆破时膨胀功 即瞬时所释放的能量很大 危害性也就大 由此可见 工作介质为液体时 即使容器爆破 其危害性也是比较小的 所以一般都不把这类介质为液体的压力容器列入作为特殊设备的压力容器范围内 值得注意的是 这里所说的液体 是指常温下的液体 不包括最高工作温度高于其标准沸点 即标准大气压下的沸点 2 特种设备安全监察条例 容规 对压力容器有相应的界定 四 压力容器的基本要求1 强度 金属抵抗永久变形和断裂的能力 常用的强度判据如屈服强度 抗拉强度 强度是在压力的作用下不允许产生塑性 永久 变形 是涉及安全的主要问题 2 刚度 刚性是在外力作用 制造 运输 安装与使用 下产生不允许的弹性变形 如法兰 密封 管板等 3 稳定性 在外力作用下防止突然失去原有形状的稳定性 如外压及真空容器 4 耐久性5 密封性 五 压力容器的工艺参数压力容器的工艺参数是由生产的工艺要求确定的 是进行压力容器设计和安全操作的主要依据 压力容器的主要工艺参数为压力和温度 一 压力这里主要讨论压力容器工作介质的压力 即压力容器工作时所承受的主要载荷 压力容器运行时的压力是用压力表来测量的 表上所显示的压力值为表压力 在各种压力容器的规范中 经常出现工作压力 最高工作压力和设计压力等概念 观将其定义分述如下 1 工作压力 工作压力也称操作压力 系指容器顶部在正常工艺操作时的压力 即不包括液体静压力 2 最高工作压力 系指容器顶部在工艺操作过程中可能产生的最大表压力 即不包括液体静压力 压力超过此值时 容器上的安全装置就要动作 容器最高工作压力的确定与工作介质有关 3 设计压力 系指在相应设计温度下用以确定容器计算壁厚及其元件尺寸的压力 一般不小于最高工作压力 由于考虑问题的角度不一样 不同规范对设计压力的选取原则可能会略有差异 容规 规定容器的设计压力 应略高于容器在使用过程中的最高工作压力 装有安全装置的容器 其设计压力不得小于安全装置的开启压力或爆破压力 二 温度1 介质温度 系指容器内工作介质的温度 可以用测温仪表测得 2 设计温度 压力容器的设计温度不同于其内部介质可能达到的温度 系容器在正常工作过程中 在相应设计压力下 表壁或元件金属可能达到的最高或最低温度 设计规定 对设计温度的选取有如下规定 1 当容器的各个部位在工作过程中可能产生不同温度时 可取预计的不同温度作为各相应部位的设计温度 2 对有内保温的容器 应作壁温计算或以工作条件相似容器的实测壁温作为设计温度 六 压力容器的分类压力容器的型式繁多 根据不同压力容器可有许多分类方法 常用的有以下几种 一 按压力分类按所承受压力 P 的高低 压力容器可分为低压 中压 高压 超高压四个等级 具体划分如下 1 低压容器 0 P100MPa 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 壳体内部承受介质压力 容器和外压 壳体外部承受介质压力 容器两大类 这两类容器是截然不同的 其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 而外压容器的设计则主要考虑稳定性问题 其次 反映在安全性上 外压容器相对内压容器安全 三 按设计温度分类按设计温度 t 的高低 压力容器可分为低温容器 t 20 常温容器 20 t 450 和高温容器 t 450 四 从安全技术管理角度分类按安全技术管理分类 压力容器可分为固定式容器和移动式容器两大类 1 固定式容器系指有固定的安装和使用地点 工艺条件和使用操作人员也比较田定 一般不是单独装设 而是用管道与其他设备相连接的容器 如合成塔 蒸球 管壳式余热锅炉 热交换器 分离器等 2 移动式容器 系指一种贮装容器 如气瓶 汽车槽车 铁路槽车等 其主要用途是装运有压力的气体 这类容器无固定使用地点 一般也没有专职的使用操作人员 使用环境经常变迁 管理比较复杂 较易发生事故 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 分离容器和贮运容器 1 反应容器 系指主要用来完成介质的物理 化学反应的容器 如反应器 反应釜 发生器 分解锅 分解塔 聚合釜 高压釜 合成塔 变换炉 蒸煮锅 蒸球等 2 换热容器 系指主要用来完成介质的热量交换的容器 如管壳式废热锅炉 热交换器 冷却器 冷凝器 蒸发锅 加热器 硫化锅 消毒锅 蒸压釜 蒸煮器 染色器等 3 分离容器 系指主要用来完成介质的流体压力平衡和气体净化分离等的容器 如分离器 过滤器 集油器 缓冲器 贮能器 洗涤器 吸收塔 铜洗塔 干燥塔等 4 贮运容器 系指主要用来盛装生产和生活用的原料气体 液体 液化气体等的容器 如各种型式的贮槽 槽车 铁路槽车 公路槽车 在一种容器中 如同时具有两个以上的工艺作用原理时 应按工艺过程中的主要作用来划分 六 容规 对压力容器的分类为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在生产过程中的重要作用等 容规 将其适用范围的容器划分为三类 现将上述分类中所提及的废热锅炉名词解释如下 废热锅炉 一种利用化学反应热 烟气余热等废热来生产蒸汽的设备 按照热源不同 前者主要是利用化学反应热 后者则利用烟气余热 上述分类中的废热锅炉为管壳式 管壳式废热锅炉按 压力容器安全技术监察规程 的规定进行管理 而烟道式的则按照 蒸汽锅炉安全技术监察规程 的规定进行管理 七 其他分类方法1 按容器的壁厚有薄壁容器和厚壁容器之分 a 薄壁容器 K Do Di 1 2 厚壁容器 K Do Di 1 22 按壳体的几何形状有球形容器 圆筒形容器 圆锥形容器之分 3 按制造方法有焊接容器 锻造容器 铆接容器 铸造容器及各式组合制造容器之分 4 按结构材料可有钢制容器 铸铁容器 有色金属容器和非金属容器之分 5 按容器的安放形式则有立式容器 卧式容器等之分 另外按制造许可级别分类 一般考虑如下一些因素 1 按压力 品种 介质及易燃介质分类A按压力分为低 中 高及超高压 前三种在材料 失效判据 准则 计算方法 制造要求上基本一致 而超高压则截然不同 B按介质毒性及易燃性分类 主要出自安全考虑 即一旦发生事故 爆炸 泄漏等 的危害程度 2 按制造许可级别分类A按制造许可级别分类 一般考虑如下一些因素安全性及制造难易程度的不同 这里涉及P P V 介质特性 材料强度级别等 工作 安放 位置分为固定与移动 移动的安全要求高于固定 且应对减轻自重 防冲击 各类仪表的装设做特殊考虑 材料 金属与非金属制容器在制造与检验方法上有很大不同 考虑制造特点 利于专业化生产 如球罐 B对不同制造许可级别的企业 提出不同的资源条件与安全质量要求 许可条件 压力容器一般结构 济南市锅炉压力容器检验研究所毛文帮2008年10月 压力容器一般结构 一 压力容器结构概述1 压力容器一般是由筒体 又称壳体 封头 又称端盖 法兰 接管 人孔 支座 密封元件 安全附件等组成 它们统称为过程设备零部件 这些零部件大都有标准 其典型过程设备有换热器 反应器 塔式容器 储存容器等 浮头式换热器 浮头式换热器 反应器结构示意 板式塔的结构示意图 球形容器结构示意图 储存容器结构示意图 固定管板式换热器 U形管式换热器 2 填料函双壳程换热器 釜式重沸器 2 压力容器的结构形状 压力容器的结构形状主要有圆筒形 球形 和组合形 圆筒形容器是由圆柱形筒体和各种成型封头 半球形 椭圆形 碟形 锥形 所组成 球形容器由数块球瓣板拼焊成 承压能力很好 但由于安置内件不便和制造稍难 故一般用作贮罐 3 压力容器的主要受压元件 压力容器的元件主要有筒体 封头 端盖 人孔盖 人孔法兰 人孔接管 膨胀节 开孔补强圈 设备法兰 球罐的球壳板 换热器的管板和换热管 M36以上的主螺栓及公称直径大于250mm的接管和管法兰均作为主要受压元件 上述的元件在 容规 中称之为主要受压元件 二 压力容器零部件 1 压力容器常用的零部件有筒体 封头 法兰 支座 人孔 手孔 开孔补强等 为了便于设计 互换及批量生产 这些零部件都已经标准化 系列化 并在各种过程设备上通用 压力容器零部件是容器不可缺少的组成部分 压力容器特定的操作条件不仅要求其主体必须满足要求 而且零部件也应符合结构 材料 性能 强度等方面的要求 作为受压元件的零部件 如同壳体一样 也纳入质量管理与保证的监控范围 这对压力容器的整体质量和确保安全使用有着十分重要的意义 2 为了便于组织生产 降低成本 利于互换 我国各有关部门对压力容器零部件进行了标准化和系列化工作 并制定了国家标准和满足行业特点的行业标准 随着经济的发展和生产技术的不断提高曾多次修定 目前已日臻完善 3 压力容器的设计应包括结构设计 选择 并不仅包括设计计算与材料选择 其中结构是设计计算的基础 即根据各类承压零部件不同的结构 形状 分别进行设计计算 筒体圆柱形筒体是压力容器主要形式 制造容易 安装内件方便 而且承压能力较好 因此应用最广 圆筒形容器又可以分为立式容器和卧式容器 由于容器的筒体不但存在与容器封头 法兰相配的问题 而且卧式容器的支座标准也是按照容器的公称直径系列制定的 所以不但管子有公称直径 筒体也制定了公称直径系列 对于用钢板卷焊的筒体 用筒体的内径作为它的公称直径 其系列尺寸有300 400 500 600 等 如果筒体是用无缝钢管制作的 用钢管的外径作为筒体的公称直径 封头压力容器封头 常见的形式有凸形封头 包括半球形封头 椭圆形封头 碟形封头 球冠形封头 锥形封头 变径段 平盖等 1 半球形封头 半球形封头由球壳的一半作成 与其他形状的封头相比 封头壳壁在压力作用下产生的应力最小 因此它所需要的壁厚最薄 用材比较节省 但半球形封头深度大 制造比较困难 尤其对加工设备条件较差的中小型设备制造厂困难更大 而对于大直径 Di 3m 的半球形封头可用数块钢板在大型水压机成型后拼焊而成 半球形封头还用于高压容器上代替平封头 以节省钢材 2 椭圆形封头 椭圆形封头纵剖面的曲线部分是半个椭圆形 直边段高度为h 因此椭圆形封头是由半个椭球和一个高度为h的圆筒形筒节构成 椭圆形的曲率是连续的 其应力也是连续的 封头各部分的薄膜应力 随着坐标轴的变化而变化 而且与长短轴的比值DN 2 H h 有关 DN 2 H h 2为标准椭圆形封头 直边段是为了使焊缝避开边缘应力区 封头的标准为JB T4746 2002 钢制压力容器用封头 3 碟形封头是由三部分组成 第一部分是以半径为Ri的球面部分 第二部分是以半径为Di 2的圆筒形部分 第三部分是连接这两部分的过渡区 其曲率半径为r Ri与r均以内表面为基准 由于第一部分与第三部分是两个不同的曲面 故在交点 处曲率半径有一个突然的变化 在b点处不仅由内压引起的拉应力 还有边缘力矩引起的边缘弯曲应力 在过渡区和圆筒部分交界点a处也有缘应力存在 其边缘应力的大小与Di r有关 当r Di之比值愈小 即曲率变化愈厉害 则边缘应力愈大 3 碟形封头 碟形封头同样在碟形壳体边缘为周向压应力 为了使这部分壳体不致于失稳 具有足够稳定性 GB150 1998中规定对于Ri 0 9Di r 0 17Di的碟形封头 原标准碟形封头 其有效厚度应不小于封头内直径的0 15 其他碟形封头的有效厚度应不小于0 30 Di JB T4746 2002 钢制压力容器用封头 中分DHA和DHB两种类型 DHA型封头Ri 1 0Di r 0 15Di DHA型封头Ri 1 0Di r 0 15Di 4 球冠形封头 球冠形封头可用作端封头 也可以用作容器中两独立受压室的中间封头 由于封头为一球面且无过渡区 在连接边缘有较大边缘应力 要求封头与筒体联接处的T形接头采用全焊透结构 在任何情况下 与球冠形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度 否则 应在封头与圆筒间设置加强段过渡连接 圆筒加强段的厚度应与封头等厚 5 锥形封头 锥形封头有无折边锥形封头和折边锥形封头 带折边的锥形封头由三部分组成 即锥形部分 半径为r的圆弧过渡部分和圆筒部分 过渡部分是为了降低边缘应力 而直边部分是为了避免边缘应力叠加在封头和筒体的连接焊缝上 6 锥形封头 对于轴对称的锥形封头大端 当锥壳半顶角 30 时 可以采用无折边结构 30 时 应采用带过渡段的折边结构 对于锥形封头小端 当锥壳半顶角 45 时 可以采用无折边结构 45 时 应采用带过渡段的折边结构 JB T4746 2002 钢制压力容器用封头 中规定了封头型式 7 平盖作为封头承受介质的压力时所产生的弯曲应力较大 在等厚度 同直径条件下 平板内产生的最大弯曲应力是圆筒壁薄膜应力的20 30倍 所以平盖封头的壁厚比同直径的筒体壁厚大的多 而且平盖封头还会对筒体造成较大的边缘应力 因此 它的结构简单 制造方便但承压容器的封头一般都不采用平盖 只是压力容器上的人孔 手孔采用平盖 或直径较小的高压容器及小直径的常压容器 一般也采用平盖 常见封头型式及参数 碟形封头 折边锥形封头 折边锥形封头 球冠形封头 6 支座是用来支承容器重量和用来固定容器的位置 支座一般分为立式容器支座 卧式容器支座 立式容器支座分为耳式支座 支承式支座 腿式支座和裙式支座 卧式容器多使用鞍式支座 耳式支座 一般由两块筋板及一块底板焊接而成 耳座的优点是简单 轻便 缺点是对器壁易产生较大的局部应力 耳座适用于公称直径不大于4000mm的立式圆筒形容器 支座数量一般应采用四个均布 容器直径小于等于700mm时 支座数量允许采用2个 耳式支座 JB T4725 92 图2 2 2耳式支座 耳式支座 支座与筒体连接处是否加垫板 应根据容器材料与支座连接处的强度或刚度决定 对低温容器的支座 一般要加垫板 对于不锈钢制设备 当用碳钢制作支座时 也需在支座与筒连接处加垫板 若容器壳体有热处理要求时 支座垫板应在热处理前焊接在器壁上 为改善容器的受力情况 将支座垫板四角倒圆 并在垫板中心开一通气孔 以利于焊接或热处理时气体的排放 支承式支座 JB T4724 92 支承式支座是由数块钢板焊接成 A型 图2 2 3 也可以用钢管制作 B型 支承式支座适用于下列条件的钢制立式圆筒形容器 公称直径DN800 4000mm 圆筒长度L与公称直径DN之比L DN 5 容器总高度HO 10m 支承式支座型式分为A B型两类 A型支承式支座 图2 2 3A型承式支座 腿式支座 JB T4713 92 腿式支座是将角钢或钢管直接焊在筒体上或筒体的加强板上 图2 2 4是焊在加强板上的支腿 A型 腿式支座适用于安装在刚性基础 且符合下列条件的容器 公称直径DN400 1600mm 圆筒长度L与公称直径DN之比L DN 5 容器总高度H1 5000m 腿式支座 JB T4713 92 腿式支座不适用于通过管线直接与产生脉动载荷的机器设备刚性连接的容器 对此类容器应选用裙座等支承型式 以避免振动 如经计算 确认无问题时 可不受此限制 支座数量一般应采用三个或四个均布 A AN型支座具有易与容器圆筒相吻合 焊接安装较为容易的优点 B BN型支座具有在所有方向上都具有相同截面系数 具有较高抗压失稳能力的优点 标准考虑了支腿与圆筒连接处局部应力问题 故分为带垫板和不带垫板 符合下列情况之一 应设置垫板 用合金制的容器壳体 容器壳体有热处理要求 与支腿连接处的圆筒有效厚度小于JB T4712 92表4给出的最小厚度 垫板材料一般与容器壳体材料相同 腿式支座 JB T4713 92 图2 2 4A型腿式支座 裙式支座 适用于高大型或重型立式容器的支承 裙式支座型式有圆筒形和圆锥形两种形式 通常采用圆筒型裙座 圆锥形裙座一般用于以下情况 塔径D 1000m 且H D 30或D 1000m 且H D 25 基本风压q 0 5KN m2或地震烈度 8度时 圆锥形裙座的半锥角 15 裙座上须开孔 排气孔裙座顶部须开设 80 100的排气孔 以排放可能聚结在裙座与封头死区的有害气体 对于有人孔的矮裙座或者顶部在封头拼接焊缝处开有缺口的可以不开设排气孔 排液孔裙座底部须开设80 100的排液孔 一般孔径 50 中心高50mm的长圆孔 人孔裙座上须开设人孔 以方便检修 人孔一般为圆形 当截面削弱受到限制或为方便拆卸塔底附件 如接管等 可开长圆孔 引出管通道孔 裙式支座 考虑到管子热膨胀 在支承筋与引出管之间应保留一定间隙 裙座与塔体封头连接裙座直接焊接在塔底封头上 可采用对接焊缝或搭接焊缝 在没有风载荷或地震载荷时 对接焊缝承受容器重量产生的压缩载荷 搭接焊缝则承受剪切载荷 相比而言 搭接焊缝受力情况较差 在一些小塔或受力较小的情况下采用 裙座与塔壳体过渡段塔壳设计温度低于 20 或高于250 时 裙座壳顶部分的材料应与塔下封头材料相同 裙座壳体过渡段长度取4倍保温层厚度 但不小于500mm 对奥氏不锈钢塔 其裙座壳体过渡段高度不小于300mm 材料同底封头 裙座保护层当塔内或周围容器内有易燃 易爆介质时 一旦发生火灾 裙式支座型式会因温度升高而丧失强度 故裙座应设防火层 当裙座D 1500mm时 仅外面敷设防火层 当裙座D 1500mm时 两侧均敷设50mm石棉水泥层 当塔内操作温度很高 塔体与裙座的温度差引起不均匀热膨胀 会使裙座与塔底封头连接焊缝受力情况恶化 此时须对裙座加以保温 鞍式支座鞍式支座是由底板 腹板 筋板和垫板组焊而成 它适用于双支点支承的钢制卧式容器的支座 鞍式支座型式 按鞍座实际承载的大小分为轻型 A 重型 B 两种 鞍座分固定式 F 和滑动式 S 两种安装形式 鞍式支座 图2 2 5鞍式支座 鞍式支座 鞍式支座型式选择 重型鞍座可满足卧式换热器 介质比重较大或L D较大卧式容器的要求 轻型鞍座则满足一般卧式容器的使用要求 容器因温度变化 固定侧应采用固定鞍座 滑动侧采用滑动鞍座 固定鞍座一般设在接管较多的一侧 采用三个鞍座时 中间鞍座宜选固定鞍座 两侧鞍座可选滑动鞍座 为改善容器的受力情况 将垫板四角倒圆 并在垫板中心开一通气孔 以利于焊接或热处理时气体的排放 为使垫板按实际需要设置或与容器等厚 标准中垫板厚度允许改变 对于DN 900mm容器 鞍座分为带垫板和不带垫板两种 考虑到封头的加强作用 鞍座应尽可能靠近封头 即A应小于或等于D0 4 从受力情况考虑 A不宜大于0 2L 当需要时 A最大不得大于0 25L 当容器基础是钢筋混凝土时 滑动鞍座底板下面必须安装基础垫板 基础垫板必须保持平整光滑 法兰法兰连接主要优点是密封可靠和足够的强度 缺点是不能快速拆卸 制造成本较高 法兰分类主要有以下方法 1 按其被连接的部件分为压力容器法兰和管法兰 2 按法兰接触面的宽窄可分为窄面法兰和宽面法兰 宽面法兰是指垫片接触面分布于法兰螺栓中心圆内外两侧的法兰连接 一般用于压力很低场合 窄面法兰是指垫片接触面位于法兰螺栓孔包围的圆周内的法兰连接 3 按整体性程度分为整体法兰 松式法兰和任意式法兰 整体法兰 指法兰环 颈部及圆筒三者有效地连接成一整体的法兰 共同承受法兰力矩的作用 松式法兰 指法兰与圆筒未能有效地连接成一整体的法兰 计算中认为法兰力矩完全由法兰环本身来承担 典型松式法兰有活套法兰 任意式法兰 指整体性程度介于上述二者间的法兰 其圆筒与法兰环虽未形成一整体结构 但可作为一个接构元件 共同承受法兰力矩 法兰密封面 法兰密封面分为平面密封面 凹凸面密封面 榫槽面密封面 平面法兰密封面具有结构简单 加工方便 且便于进行防腐衬里等的优点 由于这种密封面和垫片的接触面积较大 如预紧不当 垫片易被挤出密封面 也不宜压紧 密封性能较差 适用于压力不高的场合 一般使用在PN 2 5MPa的压力下 凹凸面法兰密封面相配的两个法兰结合面是一个凹面和一个凸面 安装时易于对中 能有效地防止垫片被挤出密封面 密封效果优于平面密封 榫槽面法兰密封面相配的两个法兰结合面是一个榫面和一个槽面 密封面更窄 由于受槽面的阻挡 垫片不会被挤出压紧面 且少受介质的冲刷和腐蚀 安装时易于对中 垫片受力均匀 密封可靠 适用于易燃 易爆和有毒介质的运用 只是由于垫片很窄 更换时较为困难 压力容器法兰压力容器法兰标准为JB4701 4707 2000 压力容器法兰 它包括法兰 垫片及等长双头螺柱等8个标准 其中法兰分三种 甲型平焊法兰 乙型平焊法兰及长颈法兰 其中长颈法兰受力情况最好 甲型平焊法兰受力最差 故长颈法兰使用范围最宽 甲型平焊法兰一般采用钢板制作 由于其最大厚度有限 所以只能适用于低压情况 为此只宜配用软垫片 如石棉橡胶板 匹配螺柱 螺母材料可选用Q235 A 对于乙型平焊法兰和长颈对焊法兰 对PN 1MPa的情况下 采用软垫片所需螺栓载荷较小 因此配置螺柱材料为35钢等 对PN 1MPa的情况下 由于螺栓载荷逐步变成受操作压力控制 压紧垫片所需螺栓载荷相对为平衡内压轴向力所需的螺栓载荷为小 尤其在大规格直径螺栓规格时 因此采用不同垫片时 它们螺栓载荷相差不很大 标准中允许采用相同的螺柱配置并以要求较大螺栓载荷的垫片进行考虑 螺柱材料为40MnB或40Cr等 可供匹配垫片包括非金属垫圈 缠绕垫和金属包垫 压力容器法兰对于高应力和较大直径规格的法兰 由于所需螺栓载荷很大 因此采用了高强度的螺柱材料 如40MnVB和35CrMoA等 以保证法兰有较紧凑的结构尺寸 受力合理 法兰的拼接焊缝须经百分之百射线或超声检测 对长颈法兰 当工作压力大于或等于0 8倍本标准中规定的最大允许工作压力时 法兰与圆筒的对接焊缝必须进行100 射线或超声检测 检测方法按JB4730 射线检测II级合格 超声波检测I级合格 当法兰所在容器图样对容器壳体的检测要求未能满足上述要求时 则该要求应在图样中标明 对甲型平焊法兰 乙型平焊法兰与圆筒或短节间的连接焊缝应进行磁粉或渗透检测 检测方法按JB4730 I级合格 容器法兰垫片 容器法兰垫片有 非金属软垫片 JB T4704 2000 缠绕垫片 JB T4705 2000 金属包垫片 JB T4706 2000 缠绕垫分为四种形式 A型 基本型 不带加强环 用于榫槽密封面 B型带内加强环 用于凹凸密封面 C型带外加强环 用于平面密封面 D内外均有加强环 用于光滑密封面 管法兰国际管法兰标准主要有两个体系 即以德国DIN 包括原苏联 为代表的欧洲管法兰体系和以美国ANSI管法兰为代表的美洲管法兰体系 除此之外 还有日本JIS管法兰 但在石油化工装置中一般仅用于公用工程 而且在国际上影响较小 标准HG20592 20635 97 钢制管法兰 垫片 紧固件 中HG20592 20614属于欧洲体系 HG20615 20635 97属于美洲体系 HG管法兰 欧洲体系 的公称压力等级按DIN标准 公称压力范围 0 25 0 6 1 0 1 6 2 5 4 0 6 3 10 0 16 0 25 0MPa等10个压力等级 公称直径范围 10 2000mm 法兰型式有板式平焊 带颈平焊 带颈对焊 整体 承插焊 螺纹 对焊环松套 平焊环松套 法兰盖 衬里法兰等10种 密封面型式有突面 凹凸面 榫槽面 环连接面 全平面等5种 人孔与手孔压力容器检查孔包括人孔与手孔 开设检查孔的目的是为了检查容器在使用过程中是否产生裂纹 变形 腐蚀等缺陷 对压力容器检查孔的要求见 容规 第45条 容规 第46 47条列出不开设检查孔压力容器条件 人孔和手孔均巳标准化 可根据设计需要和操作条件直接选用 选用时应综合考虑公称压力 公称直径 设计温度以及人 手孔的结构和材料等诸方面的因素 人 手孔的类型很多 选择使用上有较大的灵活性 通常可以根据操作需要 压力 重量大小 安装位置以及开启频繁程度等方面确定人 手孔的类型 具体有以下考虑 1 工作压力较高时宜选用对焊法兰人 手孔 反之多用平焊法兰人 手孔 2 安装位置较高 检修不便的容器上宜选用回转盖或吊盖型式的人 手孔 3 若选择吊盖人孔时 当人孔筒节轴线水平安装 应选垂直吊盖人孔 当人孔筒节轴线垂直安装 应选水平吊盖人孔 4 人 手孔需经常打开时 可选用快开式的人 手孔结构 开孔与开孔补强为了使压力容器能正常操作 在筒体和封头上常设置如进 出料口 压力表 温度计等接口及视镜 液面计等附件 为了安全以及维修方便 因此 在容器上开孔是不可避免的 主要是要考虑开孔的位置 大小 连接结构和开孔补强问题 压力容器开孔后 不但削弱器壁强度 而且 在开孔附近形成应力集中 1 应力集中系数 容器的开孔集中程度是用应力集中系数K来表征的 K 的定义是开孔处的最大应力值与开孔时最大薄膜应力之比 开孔接管处的应力集中系数主要受下列因素影响 容器的形状和应力状态由于孔周边的最大应力是随薄膜应力的增加而上升的 圆壳的薄膜应力是球壳的两倍 所以圆筒壳的应力集中系数大于球壳 同理 圆锥壳的集中系数则高于圆筒壳 开孔的形状 大小及接管壁厚开方孔时应力集中系数最大 椭圆孔次之 开圆孔最小 接管轴线与壳体法线不一致时 开孔将变为随圆形而使应力集中系数增大 开孔直径越大 接管壁厚越小 应力集中系数越大 故减小孔径或增加接管壁厚均可降低应力集中系数 插入式接管的应力集中系数小于平齐接管 容器开孔接管处应力集中的特点 在实际上生产中 容器壳体开孔后均需焊上接管或凸缘 而接管处的应力集中与壳体开小圆孔时的应力集中并不相同 在操作压力作用下 壳体与开孔接管在连接处各自的位移不相等 而最终的位移却必须协调一致 因此 在连接点处将产生相互约束力和弯矩 故开孔接管处不仅存在孔边集中应力和薄膜应力 还有边缘应力和焊接应力 另外 压力容器的结构形状 承载状态及工作环境等 对接管处的应力集中的影响均较开孔复杂 所以 容器接管处的应力集中较小孔严重得多 应力集中系数可达3 6 但其衰减迅速 具有明显的局部性 不会使壳体引起任何显著变形 故可允许应力峰值超过材料的平均屈服应力 开孔补强的目的的在于使孔边的应力峰值降低至允许值 容器大开孔与小开孔的区别 不论大开孔还是小开孔 其孔边的应力集中都是存在的 但容器孔边应力集中的理论分析是借助于无限大平板上开小圆孔为基础的 但大开孔时 除有拉 压 应力外 还有很大的弯曲应力 且其应力集中范围超出了开小孔时的局部范围 在较大范围内破坏了壳体的东半球膜应力状态 因此 小开孔的理论分析就不适用了 当壳体上开孔直径大于GB150中的规定时 其补强结构和计算需作特殊考虑 须提出特殊制造要求 超高压容器基本知识1 超高压容器主要特点 A压力高 100MPa 1000MPa 规格较小 B 属厚壁容器 D外 D内 1 5 内 外壁应力水平相差大 不可能简化 C 采用锻造方法制造 对材料 锻件 要求高强度 优良的塑性 韧性 无可焊性要求 D 内 外壁要求精加工 零 部件间多采用法兰 螺纹连接 机加工量大 要求高 E 尚无统一的标准 许多问题尚待研讨 2 设计要求 对开孔 形状过渡区等应力集中部位应进行应力分析计算校核 3 制造要求 原材料 锻件 质量是关键 要求采用真空脱气喷粉 炉外精炼 电渣重熔等先进冶炼技术 保证钢的纯净度 保证优良力学性能 强度 塑性 韧性 断裂韧性等 锻造比一般应大于3 制造期间至少做二次 热处理前后各一次 100 超声 探母材 筒体表面应做100 磁粉或渗透 内 外表面均需精加工 对表面粗糙度有较严要求 防应力集中 超高压容器基本知识4 提高耐压强度 承载能力 的途径 A 采用多层热套结构 利用层间过盈 使外筒对内筒材料造成预压应力 在承受内压时使各层的应力水平趋于均匀 提高了外层材料的利用率 超高压热套与高压热套容器的三大区别 层间过盈量的选取 前者经精确力学计算 后者按套合工艺选取 套合表面 前者需经精加工 以确保过盈量准确 后者无需加工或只需粗加工 后者需通过热处理消除套合应力 前者不允许 B 自增强处理 通过压力使内壁材料屈服 外壁仍属弹性 造成内壁材料承受预压应力 从而提高其初始屈服压力 自增强压力应经慎重计算与控制 并关注材料本身的屈服比 C 采用绕丝结构 在内筒外缠绕高强度不锈钢丝 在缠绕时可通过加热等办法精确控制缠绕预应力 使内筒材料呈预压缩状态 压力容器结构设计的