压力容器结构设计课件.pptx

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1、压力容器结构设计,整体结构,单层式,多层式,绕板式,型槽绕带式,热套式,锻焊式,安全性高，但是生产工序多，劳动生产率低。,不必逐层包扎层板和焊接每层层板的焊缝,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；但是需要特殊轧制的型槽钢带和专用机床。,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,一、压力容器的结构,a)单层卷焊：b)锻焊结构：总结了整体锻造和单层卷焊容器的优点，进行了有机的结合。质量 好，适用于重要场合，如核工业、加氢反应器等。,整体锻造水晶釜,2、制造： 用装置将层板逐层、同心地 包扎在内筒上； 借纵焊

2、缝的焊接收缩力使层 板和内筒、层板与层板之间 互相贴紧，产生一定的预紧 力； 筒节上均开有安全孔报 警。,筒体,深环焊缝,筒节,内层1225mm,外层412mm的多层层板,为避免裂纹沿壁厚方向扩展，各层板之间的纵焊缝应相互错开75。,筒节的长度视钢板的宽度而定，层数则随所需的厚度而定。,一、多层包扎式,1、结构：,图2-1 多层包扎筒节,一、多层包扎式(续),一、多层包扎式(续),5、应用情况：目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式筒体结构。,3、优点：制造工艺简单，不需大型复杂加工设备；安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力； 减少了脆性破坏的可能 性；包

3、扎预应力改善筒体的应力分布； 对介质适应性强，可选 择合适的内筒材料。,4、缺点： 筒体制造工序多、周期长、效率 低、钢材利用率低（仅60%左 右）； 深环焊缝对制造质量和安全有显 著影响。无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法用超声检测，只能射线检测；焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降；环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。,1、结构，制造： 内筒（厚度 30mm）卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节，将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。,图2-2 热套筒节,二、热套式,二、热套式(续),1、结构：由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是

4、在多层包扎式 筒体的基础上发展起来的。2、制造：内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面连续 缠绕若干层35mm厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道 纵焊缝，需要2个楔形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆 或三块“瓦片”制成。3、优点：机械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可达 90%以上）。4、缺点：中间厚两边薄，累积间隙。,图23绕板式,三、绕板式,1、结构：错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构。2、制造： 将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封头； 在整个长度上逐层包扎层板，待全长度上包扎好并 焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。3、优点：环、纵焊缝错开，筒体与封头或法兰间的环焊

5、缝为一 定角度的斜面焊缝，承载面积增大。,图24 整体多层包扎式厚壁容器筒体,四、整体多层包扎式,以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁,两种结构,型槽绕带式,扁平钢带倾角错绕式,型槽绕带式 用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内 筒上，端面形状见图2-5（a），内筒外表面上预先加 工有与钢带相啮合的螺旋状凹槽。,缠绕时，钢带先经电加热，再进行螺旋缠绕，绕制后依次用空气和水进行冷却，使其收缩产生预紧力，可保证每层钢带贴紧；各层钢带之间靠凹槽和凸肩相互啮合(见图2-5（b）)，缠绕层能承受一部分由内压引起的轴向力。,五、绕带式,图2-5 （a）型槽绕带式筒体 （b）型槽钢带结构示意图,缩套环,双锥面垫

6、片,焊缝,（a）,（b）,五、绕带式（续）,（2）扁平钢带倾角错绕式 中国首创的一种新型绕带式筒体；该结构已被列入 ASME -1和ASME -2标准的规范案例，编号分别 为 2229和2269。,图2-5（c） 扁平钢带倾角错绕式筒体,五、绕带式（续）,与其它类型厚壁筒体相比，扁平钢带倾角错绕式筒体结构具有设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易等优点。,结构：,内筒厚度约占总壁厚的1/61/4，采用 “预应力冷绕”和“压棍预弯贴紧”技术，环向1530倾角在薄内筒外交错缠绕扁平钢带。,钢带宽约80160mm、厚约416mm，其始末两端分别与底封头和端部法兰相焊接。,五、绕带式（续）,结

7、构设计遵循的原则,结构不连续处应平滑过渡,在引起应力集中或消弱强度的结构应相互错开，避免高应力叠加,避免采用刚性过大的焊接结构,受热系统及部件的涨缩不要受限制,二 主要零部件的结构设计,1.一般要求,各受压部件应有足够的强度，并装有可靠的安全保护设施，防止超压；,受压元件、部件的结构形式、开孔和焊缝的布置应尽量避免或减小复合应力和应力集中；,承重结构在承受设计载荷时应具有足够的强度、刚度、稳定性及防腐蚀性；,容器的结构应便于安装、检修和清洗,2.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 。,a.半球形封头,b.椭圆形

8、封头,c.碟形封头,d.球冠形封头,2-6 常见容器封头的形式,封头设计：优先选用封头标准中推荐的型式与参数，根据受 压情况进行强度或刚度计算，确定合适的厚度。,（1）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（Di3m）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。,薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，最理想的结构形式。,一、半球形封头,半球形封头为半个球壳，

9、如图2-6(a)所示。,1.受内压的半球形封头,优点,缺点,深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。,应用,高压容器。,二、椭圆形封头,（2）椭圆形封头椭圆形封头是个半椭球体。它的纵剖面是条半椭圆曲线。曲线的曲率半径连续变化，没有形状突变处。直边段高度为h。因而封头的应力分布比较匀称，受力状况比碟形封头优越。我国规定的标准椭圆形封头，长径与高度之比为2.0。这样，封头和与它相连接的圆筒体就可以采用相同的材料和相等的壁厚，组焊比较方便。近期制造的锅炉与压力容器，大部分都采用椭圆形封头。,二、椭圆形封头（续）,二、椭圆形封头（续）,避免封头和筒体的连接焊缝处出现经向曲

10、率半径突变，以改善焊缝的受力状况。,由半个椭球面和短圆筒组成。,直边段作用：,中、低压容器。,应用：,(1) 受内压（凹面受压）的椭圆形封头,受力：薄膜应力不连续应力。,（3）碟形封头碟形封头又称带折边的球形封头。它由几何形状不同的三个部分组成：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。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，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%

11、Di。,三、碟形封头,（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。 任何情况下，与球罐型封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度。否则，应在两者之间设加强段过渡连接。加强段的厚度应与封头等厚。,四、球冠形封头,结构简单、制造方便，常用作容器中两独立受压 室中间封头，端盖。无转角过渡，存在相当大的不连续应力，其应力分布不甚合理。,碟形封头当r=0时，球面与筒体直接连接，如图2-6（d）所示,优点：,缺点：,（6）锥形封头锥形封头实际上是一段锥形圆筒体。锥形封头可以与容

12、器的圆筒体直接焊接，称为无折边的锥形封头；也可以用过渡圆弧部分（俗称折边）与圆筒体焊接连接。称带折边锥形封头。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。,五、锥形封头,轴对称锥壳,无折边锥壳,折边锥壳,特点：结构不连续，应力分布不理想,五、锥形封头,（a）无折边锥壳； （b）大端折边锥壳； （c）折边锥壳,图2-7 锥壳结构形式,平盖,理论分析：以圆平板应力分析为基础，分为周边固支或简支；,实际上：介于固支和简支之间；,工程计算：采用圆平板理论

13、为基础的经验公式，通 过系数K来体现平盖周 边的支承情况，K值越 小,平盖周边越接近固支； 反之就越接近于简支。,几何形状：圆形、椭圆形、长圆形、矩形及正方形等。,焊接接头,一、焊接接头形式,对接接头,角接接头及 T字形接头,搭接接头,焊接接头形式,（a）对接接头； （b）角接接头； （c）搭接接头图2-8 焊接接头的三种形式,受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得到保证。,1对接接头,结构：,两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头。,特点：,应用：,最常用的焊接结构形式。,焊接坡口为保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般将焊件连接处预先加工成

14、各种形状。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。,二、坡口形式,图2-11 压力容器焊接接头分类,易于保证焊接质量，所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。,四、压力容器焊接结构设计的基本原则,1尽量采用对接接头,角焊缝，改用对接焊缝图2-12（a）改为（b）和（c）。减小了力集中，方便了无损检测，有利于保证接头的内部质量。,举例：,图2-12 容器接管的角接和对接,（a）,（b）,（c）,2尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷,选择合适的坡口形式，如双面焊；当容器直径较小，且无法从容器内部清根时，应选用单

15、面焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或采用带垫板的坡口等。,指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下空隙的现象。未熔透导致脆性破坏的起裂点，在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。,未熔透,改进,图2-13 板厚不等时的对接接头,开孔带来的问题,削弱器壁的强度,产生高的局部应力,开孔,人孔（手孔）的作用 检修和检查设备内部空间，以及安装和拆卸设备内部装置,容器开设人孔、手孔的规定1.最少数量与最小尺寸的规定,2符合下列条件之一的压力容器可不开设检查孔 (1)筒体Di300mm的压力容器。 (2) 容器上设有可以拆卸的封头、盖板或其他能够开关的盖子，而且它们的尺寸不小于规定； (3)无腐蚀或

16、轻微腐蚀，无需作内部检查和清理的压力容器； (4)制冷装置用压力容器； (5)换热器。 如不属于上述五种情况。但由于某种特殊原因而不能开设检查孔时，应该采取以下措施： (1)对容器的全部纵向与环向焊缝作100无损检测； (2)在设计图样上注明计算厚度、且在压力容器使用期间或检测时重点进行测厚检查； (3)相应缩短检验周期。,快开式人孔,法 兰,法兰连接由一对法兰、垫片和螺栓组成，借助螺栓把两部分设备连接在一起，并压紧垫片使连接处紧密不漏 。在压力容器应力分析中，法兰具有特殊性，不仅法兰本身是一个承受外载荷的结构部件，而且法兰连同螺栓和垫片成为承受初始预紧力的装配结构(螺栓法兰连接系统)，它们的

17、失效表现为泄漏，要解决法兰连接的问题，需要对整个系统的特性进行分析。,法兰连接的基本问题是在各种操作条件下，设备内的介质不会通过法兰接头向外或向内(在真空或减压条件下)发生泄漏，即是法兰接头紧密性问题。,螺栓法兰连接设计,（1）法兰压紧面的选择,压紧面主要根据工艺条件、密封口径以及垫片等进行选择。,全平面（a）突面（b）凹凸面（c）榫槽面（d）环连接面（或称T型槽）（e）等其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。,形式：,图2-16,螺栓法兰连接设计,（a）全平面,（b）突面,（c）凹凸面,（d）榫槽面,（e）环连接面（T型槽）,图2-16,凹凸面法兰连接,榫槽面法兰连接,突面压紧面：,简单，加工

18、方便，装卸容 易，易于防腐衬里。压紧面可以是平滑的，适用 于PN2.5MPa场合，带沟槽的（ 24条、宽深 为0.8mm0.4mm、截面为 三角形周向沟槽），防止非金 属垫片被挤出，适用更广。 容器法兰可用至6.4MPa，管 法兰甚至可用至2542MPa， 但随着公称压力的提高，适用 的公称直径相应减小。,由榫面、槽面配合构成，垫片安放在槽内，不会被挤出压紧面，较少受介质的冲刷和腐蚀，所需螺栓力较小，但结构复杂，更换垫片较难，只适用于易燃、易爆和高度或极度毒性危害介质等重要场合。,凹凸压紧面：,榫槽压紧面：,各压紧面结构简介,安装易于对中，有效防止垫片被挤出，适用于PN6.4MPa的容器法兰和

19、管法兰。,三 几种典型设备的结构设计要点, 球罐 管壳式换热器,分类,外观,壳体构造方式,支撑方式,球形,椭球形,单数,球壳层数,多数,桔瓣式,足球瓣,混合式,支柱式支座,筒形或锥形裙式支座,球壳组合方案,球 罐,典型结构示例,圆球形单层纯桔瓣式赤道正切球罐,支柱,拉杆,操作平台,盘梯,人孔、接管、液面计压力计、温度计、安全泄放装置等,上下极板、上下温带板、赤道板,附件,罐体,图2-17 赤道正切柱式支承单层壳球罐1-球壳；2-液位计导管；3-避雷针；4-安全泄放阀；5-操作平台；6-盘梯；7-喷淋水管；8-支柱；9-拉杆,罐体,作用,球形储罐主体，储存物料、承受物料工作压力和液柱静压力,按其

20、组合方式分,纯桔瓣式罐体,足球瓣式罐体,混合式罐体,罐体,（1）纯桔瓣式罐体,球壳全部按桔瓣片形状进行分割成型后再组合,图2-18 赤道正切柱式支承单层壳球罐1-球壳；2-液位计导管；3-避雷针；4-安全泄放阀；5-操作平台；6-盘梯；7-喷淋水管；8-支柱；9-拉杆,特点,缺点,应用,球壳拼装焊缝较规则，施焊组装容易，加快组装进度并实施自动焊；便于布置支柱，焊接接头受力均匀，质量较可靠。,球瓣在不同带位置尺寸大小不一，互换有限；下料成型复杂，板材利用率低；球极板尺寸往往较小，人孔、接管等容易拥挤，有时焊缝不易错开。,适用于各种容量的球罐。,（2）足球瓣式罐体,由四边形或六边形组成,图2-19

21、 足球瓣式球罐1-顶部极板；2-赤道板；3-底部极板；4-支柱；5-拉杆；6-扶梯；7-顶部操作平台,特点,缺点,应用,每块球壳板尺寸相同，下料成型规格化，材料利用率高，互换性好，组装焊缝较短，焊接及检验工作量小。,焊缝布置复杂，施工组装困难，对球壳板的制造精度要求高。,容积小于120m3的球罐。,（3）混合式罐体,1-上极2-赤道带3-支柱4-下极,图2-20 混合式球罐,特点,赤道带、温带桔瓣式极板足球瓣式材料利用率高焊缝长度缩短球壳板数量减少适用于大型球罐,球罐支柱与球壳板焊接接头避免搭在一起，球壳应力分布均匀,极板尺寸比纯桔瓣式大，易布置人孔及接管,管壳式换热器,基本类型,一、固定管板

22、式,二、浮头式,三、U形管式,四、填料函式,五、釜式重沸器,一、固定管板式换热器,结构,双管程固定管板换热器,适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。,优点,结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。,缺点,当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。,应用,为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。,二、浮头式,结构,浮头端可自由伸缩，无热应力,浮头式换热器,优点管间和管内清洗方便，不会产生热应力；缺点结构复杂

23、，造价比固定管板式换热器高， 设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖 在操作中无法检查，制造时对密封要求较 高。应用壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易 结垢的场合。,三、U形管式换热器,结构,U形管,U形管式换热器,优点 结构比较简单、价格便宜，承压能力强。 受弯管曲率半径限制，布管少； 管束最内层管间距大，管板利用率低； 缺点 壳程流体易短路，传热不利。 当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更 换，内层管只能堵死，坏一根U形管相当 于坏两根管，报废率较高。 管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要 应用 清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的 场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢 的高温、高压、腐蚀

24、性大的物料。,四、填料函式,结构,填料函式密封,优点 结构较浮头式简单，加工制造方便； 节省材料，造价比较低廉; 管束从壳体内可抽出; 管内、管间都能进行清洗，维修方便。缺点 填料处易泄漏。 应用 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、 易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填 料的物性限制。 注：填料函式换热器现在已很少采用。,与浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便；可处理不清洁、易结垢介质，能承受高温、高压（无温差应力）。,特点,2 管壳式换热器结构,管程与管束中流体相通的空间,壳程换热管外面流体及相通空间,管程,壳程,管程,2.1 管程结构,一、换热管,二、管板,三、管箱,四、管束分程,

25、五、换热管与管板连接,一、换热管,1.换热管型式,光管,强化传热管,翅片管（在给热系数低侧）,螺旋槽管,螺纹管,2.换热管尺寸,192、252.5和382.5mm无缝钢管252和382.5mm不锈钢管,标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等,小管径,单位体积传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体,粘性大或污浊的流体,大管径,3.换热管材料,金属材料,碳素钢,低合金钢,不锈钢,铜,铜镍合金,铝合金,钛等,非金属材料,石墨,陶瓷,聚四氟乙烯等,4.换热管排列形式及中心距,三角形布管多，但不易清洗；正方形及转角正方形较易清洗

26、,管桥强度,清洗通道,P1.25d0,表6-1 常用换热管中心距/mm,管壳式换热器结构,二、管板,作用,用来排布换热管；将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。,1.管板材料,力学性能介质腐蚀性（及tube-tubesheet间电位差对腐蚀影响）贵重钢板价格,流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造；腐蚀性较强时，用不锈钢、铜、铝、钛等材料，为经济考虑，采用复合钢板或堆焊衬里。,2.管板结构,厚度满足强度前提下，尽量减少管板厚度,热应力,厚度计算标准,GB151管壳式换热器美国管式换热器制造商协会标准TEMA西德AD标准,厚度,“厚管板”GB151管壳式换热器、 美国管式换热器制造商协会标准TEMA,“薄管板”西德AD标准，厚度一般为8-20mm,三、管箱,作用流体送入换热管和送出换热器， 在多管程结构中，还起到改变流体流向的作用。,结构形式决定因素清洗？管束分程？,(a),(b),(c),(d),特点,清洗时要拆除管线；该结构适用于较清洁的介质。,换热器管箱,四、管束分程,管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程,换热面积要变大,管数增加,流速下降,传热系数下降,多管程,管子加长,折流板缺口垂直左右布置,隔板与挡管,