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1、第二章 高压容器,第二章 高压容器,第一节 概述 第二节 高压容器筒体的结构 第三节 高压容器的主要零部件设计 第四节 高压容器的密封结构 第五节 超高压容器,3,第一节 概述,一、高压容器的应用 二、高压容器的结构特点 三、高压容器的材料,4,第一节 概述,工程上： 10 MPa P设 100 MPa 高压容器 100 MPa以上 超高压容器 一般属于三类容器 本章专门介绍其特殊的结构和设计方法,一、高压容器的应用,5,一、高压容器的应用,军事工业：炮筒、核动力装置 化学和石油化工：合成氨、合成甲醇、合成尿素、油类加氢等合成反应的高压反器、高压缓冲与贮存容器。 电力工业：核反应堆，水压机的蓄
2、力器 发展现状：直径4.5米，壁厚280毫米，重约1000吨, 压力2000MPa,第一节 概述,6,二、高压容器的结构特点,高压容器设计与制造技术发展的核心问题： 既要随着生产的发展能制造出大壁厚的容器 又要设法尽量减小壁厚以方便制造。 高压容器特点： 1 结构细长(长径比可达28) 2 采用平盖或球形封头 3 密封结构特殊多样(多种自紧式密封) 4 高压筒身限制开孔,第一节 概述,7,三、高压容器的材料,筒体与封头的特殊要求： 1) 强度与韧性 为了提高材料强度以减少壁厚，一般采用 低合金钢，如16MnR、15MnVR和18MnMoNBR。 同时为了保证韧性，加入少量（2%）Ni和Cr，
3、并控制P和S含量0.004%,第一节 概述,8,三、高压容器的材料,筒体与封头的特殊要求： 2) 制造工艺性能 具有良好的焊接性能包括可焊性、吸气性、抗热裂与冷裂倾向、抗晶粒粗大倾向等、 具有良好的可锻性,第一节 概述,9,三、高压容器的材料,筒体与封头的特殊要求： 3) 其他要求 耐腐蚀性 原材料检验要求较高 耐高温性能：高温下有较高强度，抗珠光体球化与石墨化能力较强,第一节 概述,10,一、高压筒体的结构型式及设计选型,（一）整体锻造式：直径300800mm，长度12m 优点：性能优良，缺点：加工费用高 （二）单层式:单层卷焊、单层瓦片和无缝钢管式。 优点：加工简单，缺点：材料设备受限制
4、（三）多层式：层板包扎式、热套式和绕板式 （四）绕带式：中国独创（浙大）,第二节 高压容器筒体的结构,11,一、高压筒体的结构型式及设计选型,（一）整体锻造式 最早采用的筒体型式,筒体和法兰可整段而出或用螺纹连接，锻造容器的质量较好,特别是和与焊接性能较差的高强钢所制作的超高压容器,受锻造条件限制,一般直径为100-800mm,长度不超过12米。,第二节 高压容器筒体的结构,12,一、高压筒体的结构型式及设计选型,（二）单层式 单层厚壁高压容器有种形式： 单层卷焊式：直径工序少，周期短效率高 单层瓦片式：生产效率比单层卷焊差，费工费时 无缝钢管式：效率高，周期短 以上三种形式被三方面因素制约：
5、 1）厚壁材料来源； 2）大型机械条件； 3）纵向和环向深厚焊逢中缺陷检测；,第二节 高压容器筒体的结构,13,（三）多层式 1）层板包扎式 特点：1.只需薄板，原材料供应方便(4-12mm) 2.只需卷板机和包扎机； 3.改善筒体应力分布(内层压应力) 4.比单层安全 5.内筒可采用与筒体不同的结构 缺点：1.生产效率低 2.层板材料利用率低 3.层板间间隙较难控制 4.导热性差,一、高压筒体的结构型式及设计选型,第二节 高压容器筒体的结构,14,一、高压筒体的结构型式及设计选型,（三）多层式 2)热套式不同直径过盈配合的圆筒。 特点：1.生产效率高，中厚板，层数少 2.材料来源广泛利用率高
6、 3.焊缝质量容易保证 3)绕板式薄板均匀地缠绕在内筒上。 特点：1.效率高，不需一片一片地下料； 2.材料利用率高，基本没有边角余料； 3.机械化程度高，绕板机上一次完成。 缺点：探伤困难，焊接残余应力大，坡口量大。,第二节 高压容器筒体的结构,15,一、高压筒体的结构型式及设计选型,四）扁平钢带缠绕式 对原材料要求一般 材料利用率相当高 缠绕机简单 制造方便 成本低,第二节 高压容器筒体的结构,16,一、高压筒体的结构型式及设计选型,（五）设计选型原则 各种结构型式的高压容器主要是围绕如何用经济的方法获得大厚度这一问题。 设计选型时必须综合原材料来源，配套的焊条焊丝、制造厂所具备的设备条件
7、和工夹具条件，以及对特殊材料的焊接能力、热处理要求及工厂装备条件等。 作充分调查论证后才能做到选型正确，确有把握。,第二节 高压容器筒体的结构,17,一、高压螺栓设计 二、高压容器的开孔补强,第三节 高压容器的主要零部件设计,18,第三节 高压容器的主要零部件设计,一、高压螺栓设计,(一) 高压螺栓设计要求,高压螺栓承受压力和温差载荷(工作温度高于装配时的温度)，压力与温度有波动，有因各种变化引起的冲击载荷，工作条件较复杂，结构设计时应予考虑。,采用中部较细的双头细牙螺栓温差应力小，柔度大，耐冲击，抗疲劳。中间直径略小于螺栓根径。细牙螺纹有利于自锁，根径比粗牙螺纹大。容器的主螺栓，埋入法兰的一
8、端常凸出一点，预埋时可顶紧螺栓孔底部，使各圈螺纹受力均匀。主螺栓的螺母端可以钻注油孔，润滑螺纹。埋入的螺纹长度等于螺纹公称外径。 要有较高加工精度高压螺栓的螺纹公差精度应达到精密的要求，螺栓与螺母有较好的配合。 螺母与垫圈采用球面接触当螺栓孔与法兰面的垂直度有偏差时，为防止产生附加的弯矩而采用螺母和垫圈的球面接触，可进行自位调节，并可大大减少螺栓的附加弯矩。,螺栓与螺母材料的选用强度上选用比中低压容器螺栓强度更高的材料，要具有足够的塑性与韧性。,19,第三节 高压容器的主要零部件设计,二、高压容器的开孔补强,20,第四节 高压容器的密封结构,一、高压密封的结构形式 二、主要密封结构的设计计算,
9、21,第四节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,高压下的密封设计，从密封原理与密封结构上总的原则如下。 采用金属垫圈高压密封面的比压大大超过中低压容器的密封比压才能满足高压密封的要求，非金属垫片材料无法达到如此大的密封比压。高压容器常用的金属垫圈是延性好的退火铝、退火紫铜或软钢。 采用窄面密封代替中低压容器中的宽面密封有利于提高密封面比压，可大大减少总的密封力，减小密封螺栓的直径，也有利于减小法兰与封头的结构尺寸。甚至将窄面密封演变成线接触密封。 利用介质压力达到自紧密封利用介质的高压来帮助密封。首先使垫圈预紧，工作时随压力提高使垫片压紧，达到自紧的目的。自紧式密封比中低压
10、容器中常用的强制密封更为可靠和紧凑。,22,第四节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,依靠紧固件(螺栓)压紧垫圈达到预紧并保证工作时也能密封，称为强制密封。 常见的强制式高压密封结构是平垫密封结构。与中低压容器中常用的法兰垫片密封相似，但将非金属垫片改为金属垫圈，将宽面密封改为窄面密封。 窄面金属垫圈为退火紫铜、退火铝或10钢制成的扁平金属圈。预紧和工作密封靠端部大法兰的主螺栓施加足够的压紧力。预紧时使垫圈产生塑性变形堵塞微小的泄漏通道。预紧力的大小与垫片的宽度和材料的屈服强度有关。,(一) 平垫密封,23,第四节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,(一
11、) 平垫密封,内压上升后压力作用在顶盖上传至主螺栓、使其弹性伸长，垫片回弹，需保持垫片有一定的比压。无论预紧还是工作状态，尽可能减小垫片的宽度。为防止因垫圈塑性变形咬死密封口无法拆卸，顶盖可配46个起卸螺栓，使螺栓的端面顶住法兰端面，将平盖顶开。,平垫密封的的优点是结构简单。 缺点是主螺栓直径过大，法兰与平盖的外径也随之加大，变得笨重； 装拆主螺栓都极不方便； 不适合温度与压力波动较大的场合，对垫片压紧力变化敏感易引起泄漏。 因此一般仅用于200以下的场合，容器内径也不大。,24,第四节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,这也是强制式密封，但为了解决拧紧与拆卸主螺栓的困难，
12、改用螺纹套筒来代替主螺栓，见右图。 螺纹套筒与顶盖和法兰上的螺纹是间断的螺纹，每隔一定角度(10一30)螺纹断开，装配时只要将螺纹套筒旋转相应角度就可装好， 垫片的预紧力靠预紧螺栓施加，通过压环传递给三角形截面的垫圈。 介质压力引起的轴向力由螺纹套筒承担，预紧螺栓的直径比平垫密封的主螺栓小。预紧方便是卡扎里密封最大的优点。,(二) 卡扎里密封,25,第四节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,改进卡扎里密封(见右图)是为改善套筒螺纹锈蚀给拆卸增加困难的情况，仍采用主螺栓，但预紧仍依靠预紧螺栓，主螺栓不需拧得很紧，从而装拆较为省力。 卡扎里密封中的压环材料一般应采用强度较高硬度
13、也较高的35CrMo钢或优质钢45、35钢。密封垫圈材料与金属平垫相同。 卡扎里密封适宜平垫密封不适用的较大直径，如直径在1m以上、压力在30MPa以上的情况，但设计温度在350 Co以下较合适。,(二) 改进的卡扎里密封,26,第四节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,(三)楔形垫与平垫自紧密封,工作时浮动的端盖受内压作用升高将楔形垫压紧，达到自紧目的。楔形垫有两个密封面，靠斜面受力所得径向分力将垫与筒体压紧。这种结构虽有自紧作用，但仍有主螺栓，主螺栓不仅要提供预紧力，浮动端盖所受到的介质载荷也将由主螺栓承担。因此主螺栓较大，使法兰尺寸也较大。,27,第四节 高压容器的密
14、封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,(三)楔形垫与平垫自紧密封,平垫自紧密封，其结构如图522所示，亦称布里奇曼密封。它由螺栓套筒进行预紧，工作时内压载荷加在端盖上，从而使金属平垫更加压紧。这种密封结构取消了大螺栓，预紧及工作密封载荷均由螺纹套筒承担，但大直径的装拆困难，较少采用。,28,第四节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,空心金属“O”形环是用外径不超过12mm的金属小圆管弯制而成的。,(四) 空心金属O型环密封,“O”形环放在密封槽内，预紧时紧固件将管子压扁，回弹力为“O”形环的密封面压紧力。如果管内充以惰性气体或能升温后气化的固体，可形成3.510.5MP
15、a压力，或在环内侧钻若干小孔使环内与工作介质连通，可加强自紧密封作用。,充气“O”形环工作时，升温后管内压力增加，补偿了由于温度升高使材料回弹能力降低的影响，起自紧作用。,“O”形环密封结构简单，密封可靠，经验较多。可从中低压到超高压的密封，压力可达280MPa，个别甚至达350700MPa。温度从常温到350OC。“O”形环常用奥氏体不锈钢小管制成，为改善密封性能，常在“O”形环外表面镀银。,29,第四节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,钢质“C”形密封环形状如图：,(五) C型密封,环的上下面有一圈突出的圆弧，这是线接触密封。由紧固件预紧时“C”形环受到弹性的轴向压缩
16、，允许少量屈服。工作时顶盖上浮，一方面密封环回弹张开，另一方面由内压作用在环的内腔而使环进一步张开，使线接触处仍旧压紧，压力越高越紧。“C”形环是自紧式密封环。,“C”形环的优点是结构简单，无主螺栓，特别适合于快开连接，但由于使用大型设备的经验不多，一般只用于内径1000mm以内32MPa压力以下及350oC以下的场合。,30,第四节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,这是保留主螺栓但属自紧式的密封结构，用双锥面的软钢密封垫圈，两个30o锥面是密封面，垫有软金属垫，如退火铝、退火紫铜或奥氏体不锈钢等。,(六) 双锥密封,预紧时双锥垫内表面与平盖贴紧。 当内压升高平盖上浮时一方面靠双锥垫自身的弹性扩张(称为回弹)而保持密封锥面仍有相当的压紧力，另一方面又靠介质压力使双锥垫径向向外扩张，进一步增大双锥密封面的压紧力。,31,第四节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,这是一种使用得最早的自紧式高压密封结构。,(七) 伍德密封,平盖是一个可上下浮动的端盖8，安装时先放入容器顶
