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1、【知识目标】了解压力容器基本组成和类型，高压容器的结构类型、特点和应用情况。 【能力目标】能对特定设备进行容器类别划分、对于不同工艺条件选择合适的压力容器结构形式。,第十章 压力容器基础知识,一、压力容器的基本结构 化工设备的外壳称之为容器。若容器同时具备以下条件的称之为压力容器。 最高工作压力大于或等于0.1MPa(不含液柱静压力)； 内直径(非圆形截面指断面最大尺寸)大于或等于0.15m，且容积大于或等于0.025m3； 介质为气体、液化气体或最高温度大于或等于标准沸点的液体。 压力容器的压力主要来源于压缩机、蒸汽锅炉、液化气体的蒸发压力及化学反应产生的压力等。 钢制圆筒形化工容器典型结构
2、由圆柱形筒体和两端的成型封头组成，并设有各种接管（如进口、出口、压力表、液面计等、人孔（或手孔），接管、人孔（或手孔）与容器间用法兰联接。我国已制定了化工容器零部件标准，例如封头、法兰、支座、人孔、手孔等，设计时可直接选用。,第一节 压力容器的分类及基本要求,化工容器的基本结构 1鞍式支座；2封头；3封头拼焊焊缝；4补强圈；5人孔； 6筒体纵向拼焊焊缝；7筒体；8接管法兰；9压力表与安全阀,1、按压力等级划分 容器内部工作压力大于外界压力时，称为内压容器；内部工作压力小于外界的压力，称为外压容器。内部工作压力等于外界的压力，称为常压容器。按内压容器的设计压力（P）分为低压、中压、高压和超高压四
3、个压力等级： (1)低压(代号L)：0.1 MpaP1.6Mpa； (2)中压(代号M)：1.6 MpaP10Mpa； (3)高压(代号H)：10 MpaP100Mpa； (4)超高压(代号U)：P100Mpa。 2、按壁厚的大小来划分 （1）薄壁容器容器的壁厚和内径Di之比/Di0.1；或容器的外径D0和内径Di之比D0/Di1.2。 （2）厚壁容器容器的壁厚和内径Di之比/Di0.1；或容器的外径D0和内径Di之比D0/Di1.2。,二、化工容器的分类,3、按容器的管理等级划分 根据容器的内压高低、介质的危害程度等将压力容器划分为三类,类别越高，设计、制造、检验、管理等方面的要求越严格。,
4、4、按压力容器在生产过程中作用原理划分 （1）反应容器（代号R） 主要用于完成介质的物理、化学反应，如反应器、反应釜、分解塔、合成塔、变换炉、煤气发生炉等； （2）换热容器（代号E） 主要用于完成介质的热量交换，如热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、加热器等； （3）分离容器（代号S）主要用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离，如分离器、过滤器、缓冲器、洗涤塔、吸收塔、干燥塔等； （4）储存容器（代号C，其中球罐代号为B）主要用于盛装生产用的原料气体、液体、液化气等，如各种形式的储罐。 如果一种压力容器，同时具备两个以上的工艺作用原理，则应按工艺过程中的主要作用来划分。,三、化工设备的基本要求
5、 1、安全性要求 （1）强度 指容器抵抗外力破坏的能力。强度不足，会引起塑性变形、断裂甚至爆破，盲目提高强度则会使设备变的笨重，浪费材料。 （2）刚度 指容器抵抗外力使其变形的能力。壁厚过小，虽能满足强度要求，但制造、运输、安装过程中会发生较大变形，故还要根据刚度要求确定其壁厚。 （3）稳定性 指容器或零部件在外力作用下维持原有形状的能力。受外压容器可能出现突然压瘪的失稳问题，从而使得容器不能正常工作。 （4）耐蚀性 指容器抗腐蚀的能力。 （5）密封性 阻止介质泄漏的能力。密封失效，会引起污染、中毒甚至是燃烧或爆炸事故。 2、合理性要求结构简单，避免复杂加工工序；尽量采用标准件；便于操作、维修
6、、运输、吊装。 3、经济技术性要求 降低产品成本。,高压操作可提高反应速度，改进热量的回收，并能缩小设备体积等，随着化学工业的迅速发展，高压工艺过程获得了越来越广泛的应用。如氨合成塔、尿素合成塔、甲醇合成塔、石油加氢裂化反应器等压力一般在1530MPa之间，高压聚乙烯反应器的压力在200MPa左右。 常见的高压容器的结构有以下几种： (1)单层圆筒结构包括整体锻造式、锻焊式、单层卷焊式、单层瓦片式等。 (2)多层圆筒结构包括多层包扎式、多层热套式、多层绕丝式、多层绕板式、绕带式等。,第二节 高压容器,高压容器也是由筒体、简体端部、平盖或封头、密封结构以及一些附件组成，但因其工作压力较高，一旦发
7、生事故危害极大，因此，高压容器的强度及密封等就显得特别重要。高压容器在结构方面有如下特点： （1）多为轴对称结构受力情况好，制造方便，容易密封。 （2）筒体结构复杂多层包扎式、多层热套式、绕板式、绕带式。 （3）开孔受限制开口附近应力很高，为了不削弱筒壁的强度，孔尽可能开在端盖上。 （4）密封结构特殊结构复杂，加工要求高。,一、高压容器的总体结构和特点,高压容器总体结构 1主螺栓；2主螺母；3平盖；4筒体端部；5内筒； 6层板层（或扁平钢带层）；7环焊接接头；8纵焊接接头；9管法兰； 10孔口；11球形封头；12管道螺栓；13管道螺母；14平封头,1、单层圆筒结构 （1）整体锻造式圆筒大型钢锭
8、去除浇口、冒口等缺陷，在中心穿孔、加入心轴后锻造，然后进行内、外壁切削加工而成。 优点是结构简单，组织密实，材料均匀，筒体无焊缝，机械强度高。缺点是需要大型冶炼、锻造和热处理设备，生产周期长、金属切削量较大、材料利用率低、制造成本高。一般用于直径小于1500mm、 长度不超过12m的压力容器。 （2）锻焊式圆筒根据筒体设计长度，先锻造成若干个筒节，然后通过深环焊缝将各个筒节连接起来，最后进行焊后热处理消除热应力和改善焊缝区金相组织。 这种结构造价很高，故常用于制造一些有特殊要求和安全性较高的压力设备，如制造加氢反应器，煤液化反应器、核容器等。,二、高压容器的筒体结构及应用,整体锻造式圆筒,锻焊
9、式圆筒和和单层卷焊式圆筒,（3）单层卷焊式圆筒将厚钢板在常温或加热、卷圆、焊接纵焊缝、焊接环焊缝，连接成需要长度的圆筒体。该结构加工工序少，制造简单，自动化程度高，生产效率高。 （4）单层瓦片式圆筒将厚钢板加热后在水压机上压制成瓦片形状的“瓦坯”，焊接纵焊缝将“瓦坯”组对成圆筒节，然后按照需要的长度组焊成圆筒体。纵焊缝多，较费工时，制造复杂，一般较少采用。 上述几种圆筒结构尽管结构简单，使用经验丰富，但它们都有一些共同的缺点： 除整体锻造式厚壁圆筒外，不能完全避免较薄弱的深焊缝(包括纵焊缝和环焊缝)，焊接检验和消除缺陷较困难。 大型锻件及厚钢板的性能不及薄钢板，不同方向力学性能差异较大，发生低
10、应力脆性破坏的可能性也较大。 应力沿壁厚不是均匀分布，材料未得到充分利用。,2、多层圆筒结构 （1）多层包扎式圆筒由内筒和外面包扎的多层层板两部分组成。434mm的优质碳素钢板或813mm的不锈钢板卷焊成内筒筒节、磨平纵焊缝并无损检测、层板卷制、割边、包扎到内筒外面直至需要的厚度，构成筒节。筒节端部加工、封焊、环焊缝焊接连成简体。 在包扎式圆筒中，每个筒节还开设有直径为6mm的安全孔和数个通气孔。一方面可以防止环焊缝焊接时把空气密封在层板间造成不良影响，另一方面可作为操作时的安全孔使用，一旦内筒因腐蚀或其他一些原因产生破裂，高压介质会从安全孔渗漏出来，以便及时处理，防止事故发生。 这种结构不需
11、大型复杂加工设备、安全性高、筒壁的预压应力提高了容器的承载能力，对腐蚀性介质内筒用耐蚀钢板，层板用普通钢材可以降低成本。缺点是制造工序多，包扎工艺难度大，生产周期长、钢材利用率较低(仅60左右)、筒节间深环焊缝质量难保证。,多层包扎式厚壁容器,（2）多层热套式圆筒将两个或多个圆筒套在一起组成的厚壁圆筒。首先是把2580mm的中厚钢板卷焊成几个直径不同但可以过盈配合的筒节，外层筒节加热后套人内层筒节，再将深环焊缝组焊成一个筒体。 这种结构与多层包扎式圆筒相比，不仅具有前者大多数优点，而且还避免了工序多、生产周期长的缺点。2580mm的中厚钢板制作圆筒抗脆性能又比单层筒体好；各层圆筒纵焊缝能进行1
12、00%探伤，纵焊缝质量易于保证。由于只能热套短圆筒，故筒深环焊缝数较多，存在缺陷的可能性增大，焊接和无损检测的工作量大；需要大型设备加工坡口和进行整体热处理的加热炉。,a 双层热套式厚壁圆筒 b 外筒焊缝不焊接的热套式结构 多层热套式厚壁圆筒,(3)多层绕板式圆筒由内筒、绕板层、保护筒和楔形板组成。制造时把筒体分成多个筒节，厚度1040mm钢板卷焊内筒，所绕钢板的宽度与内筒的长度相同。在内筒外点焊楔形板，将厚度为35mm的薄板端部与楔形板的厚端焊接，机器带动内筒转动，薄板即被连续地缠绕在内筒上，直至达到简体的设计厚度。最后在绕板的端部焊接一块楔形板，再包上610mm厚的钢板作为保护筒，即构成一
13、个厚壁筒节。 与多层包扎式圆筒相比，多层绕板式圆筒纵向焊缝少、机械化程度高、绕制快、材料利用率高(达到90%以上)、操作简便。但仍然存在深环焊缝问题。,绕板式圆筒卷制示意图 1-绕板层；2-夹紧棍；3-内筒；4-压棍；5-楔形板； 6，7-滚轮架；8-剪板机；9-矫平机；10-托棍,(4)多层绕带式圆筒在内筒外壁上以一定的预应力绕上数层钢带制造而成。钢带有扁平钢带和型槽钢带两种。目前使用较多的是扁平钢带式圆筒。 倾角错绕扁平钢带式圆筒在厚度不小于16总壁厚的内筒外面，以相对于圆筒体环向150300的缠绕宽80160mm、厚度为48mm的热轧扁平钢带。钢带端与筒体焊牢，每层钢带按多头螺纹方式绕制
14、，层与层之间按左右螺旋错开。绕卷时用油压装置压紧钢带以产生预压应力。 该结构兼有绕带式和多层包扎式筒体的优点，与厚板卷焊圆筒相比，工效提高1倍，降低焊接和热处理能耗80，减少钢材消耗20，降低制造成本约3050；筒体全长没有深的纵向和环向焊缝结构，制造设备简单，方法易掌握 。但筒体环向强度有所削弱。,扁平钢带式圆筒 扁平钢带式圆筒绕制示意图,(5)多层绕丝式筒体 由内筒、钢丝层和法兰组成。内筒为单层整锻式筒体，高强度钢丝以一定的预拉应力逐层沿环向缠绕在内筒上，直至所需的厚度。 缠绕在内筒外面的钢丝层只能承受环向和径向的应力，而不能承受轴向力，绕丝式筒体的轴向力应由内筒或框架来承担。 绕丝式筒体
15、具有钢丝缠绕力易于控制、使用安全、选材容易等优点，在超高压场合获得应用，其内压可达1000MPa以上，直径可达2000mm。 现在也有用玻璃纤维缠绕、环氧树脂固化的玻璃钢缠绕设备。,玻璃钢缠绕圆筒形设备,玻璃钢缠绕的钢瓶,玻璃钢缠绕储罐,玻璃钢缠绕钢瓶,【本章小结】 1、容器的分类：（1）按压力等级划分可分为低压、中压、高压和超高压四类；（2）按壁厚的大小来划分可分为薄壁容器和厚壁容器；（3）按容器的管理等级分类可分为一、二、三类容器；（4）生产过程中作用原理来分可分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器、储存压力容器。 2、化工生产对化工设备的要求，安全性足够的强度、刚度、稳定性、耐蚀性和密封性；合理性尽量减少制造过程中加工量、采用标准件，便于设备安装操作和维修；经济技术性降低产品总成本，提高市场竞争力。 3、高压容器结构特点：轴对称结构、结构复杂、开孔受限、密封结构较特殊。 4、高压容器的结构类型：(1)单层圆筒结构整体锻造式、锻焊式、单层卷焊式、单层瓦片式等。 (2)多层圆筒结构多层包扎式、多层热套式、多层绕丝式、多层绕板式、绕带式等。,本课件中部分图片和动画素材采集自北京东方仿真控制技术有限公司，特此致谢！,
