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1、锅炉、与压力容器安全对策(二) 续前 21椭圆形封头Ellipsoidal head 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。因而封头的应力分布比较匀称，受力状况比碟形封头优越。椭圆形封头的最大应力值取决于它的长短轴比值实际上就是封头半径与封头高度比，即Ri/r。封头的相对高度大，加工制造比较困难，但壳壁应力较小；封头高度小一些虽然成形较易，但壳壁应力较大。高度过小即长短轴比太大的封头，会在封头的赤道处产生很大的环向压缩应力，其数值可以达到封头顶部最大应力的几倍。在这种状况下，会使封头因受过高的压应力而产生局部塌瘪，或因受过高的剪应力而破裂。压
2、力容器椭圆形封头的长短轴比半径与高度比一般不应超过2.5。我国规定的标准椭圆形封头，半径与高度之比为2.0。这样，封头和与它相连接的圆筒体就可以采纳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，大部分都采纳椭圆形封头。 22锥形封头Conical head 锥形封头实际上是一段锥形圆筒体。因为它的顶端并不以锥尖封闭，而是用法兰等结构与小盖板或管道连接。锥形封头的大端，可以与容器的圆筒体直接焊接，也可以用过渡圆弧部分俗称折边与圆筒体焊接连接。前者称为无折边的锥形封头；后者，即带有过渡圆弧部分的，称带折边锥形封头。无折边锥形封头由锥体直接连接圆筒体壳体形状发生突变，在连接处四周产
3、生较大的附加弯曲应力，压力容器用得较少。只是一些压力较低、直径也较小的容器有时采纳，但锥体半顶角不能大于30，并应采纳局部强化结构。带折边锥形封头有过渡圆弧部分，锥体与筒体的形状过渡比较平缓，受力状况比无折边的好一些。这种封头的最大应力值与半顶角大小有关，半顶角越大，最大应力值越高，承压所需的壁厚也越大。标准带折边锥形封头的半顶角有30与45两种，过渡部分的曲率半径与筒体直径之比值规定为0.15。就耐压强度而论，锥形封头比半球形、椭圆形、碟形封头都要差。有一部分压力容器采纳锥形封头，首先是因为它制造比较方便。厚度较小而直径又不很小的锥体，只要用一般的卷板机加上简单的辅助装置即可卷轧成形。但更主
4、要的是因为操作使用工艺过程的需要。例如当容器内的介质含有颗料状或粉未状的物料，或者是粘稠的液体时，为了便于汇合并卸放物料，容器的底部就行用锥形封头。有时为了使气体在容器内均匀分而或者要稳定地改变流体的流速，也须采纳锥形封头。 23人孔与手孔Manhole and handhoie 人孔与手孔是为了检查容器的内部空间，对容器内部进行清洗、安装拆卸器内附属装置而在容器开设的。公称直径不小于1000mm的容器，如果不能利用端盖、接管等可拆装置进入器内的，都应开设人孔，以便检修时工作人员能进入器内，对容器内壁是否存在腐蚀、磨损、裂痕等缺陷进行宏观检查或表面探伤，或对缺陷作适当的处理等。直径小的容器，如
5、果不能利用其它可拆结构进行检查的，也应开设检查用的手孔。常用的人孔或手孔型式不圆形或椭圆形两种。圆形孔制造方便，应用广泛。椭圆形孔制造较困难，其优点是器壁上的开孔面积可以小一些。立式容器的椭圆形人孔，一般开在圆筒体因为这样可以把椭圆孔的短径放在容器的轴线方向上，既可以减低开孔对筒体强度的削弱，也适宜于人的进出因人孔在水平方向较宽而垂直方向较窄。卧式容器，开设在圆筒上的人孔应为圆形，椭圆形人孔只开在碟形封头上。容器上的人孔或手孔，是在壳体上的开孔处焊接上接口短管或利用孔边翻折成短管，并用盖板封闭。人孔或手孔的封闭，有内闭式和外闭式两面种。内闭式人孔或手孔的孔盖放在开孔的里面，用螺栓把紧在孔外边放
6、置并支承在孔边的横杆上。这种型式多采纳椭圆和不定期有沟槽的盖板，因为这样才便于放置密封垫式和安放孔盖。内闭式孔盖的安放虽较为困难，但它的密封性能较好。容器内的压力可以进一步压紧孔盖，有自紧密封的作用。特别是它可以防止因垫片等的失交效而导致器内介质大量喷出。适用于锅炉以及介质为高温或有毒气体的容器。 24多层容器Multiplelayer cylindrical vessel 多层容器通常是指由多层板筒体与锻制的封头焊接而成的厚壁圆筒形容器。多层板厚壁筒体的壳壁由数层或数十层紧密贴合的金属板组合构成。层板的组合方法可以采纳包扎焊接法、绕板法和热套法等。多层容器具有以下的一些优点：1可以通过层板组
7、合工艺，在板与板之间产生接触压力，组合后在筒体内层存在压缩预应力，外层存在拉伸预应力。筒体承受内压时，壳壁上的应力即可以较均匀地分布，壳体材料能较充分地利用；2介质对碳钢有腐蚀性时，可以用耐腐蚀合金作内筒，用碳钢或其它强度较高的低合金钢板作层板，能充分发挥两种材料的优越性能，节省贵重金属；3壳壁材料存在有裂痕原材料的或焊接的等严重缺陷时，缺陷不易越层扩展；4使用的薄板，比同一钢种的厚钢板具有较好的抗脆裂性能，脆性破坏的可能性较小；5制造不需要大型锻压设备。多层板厚壁筒体的缺点是它的深而窄的环焊缝不易热处理，特别是多层筒节与锻制的端部法兰或封头的联接限制，有时会因此而发生脆裂。由于多层容器结构上
8、和制造上都具有较多的优点，近年来制造的高压容器，特别是石油化工用的大型高压容器，多采纳这种结构。 25层板包扎焊接厚壁圆筒Platewrapped thick cylinder 层板包扎焊接筒体是由假设干段短筒节和端部法兰组焊而成。筒节由一具用中厚钢板一般为1525mm卷焊的内筒，再在其外面包扎焊接上多层一般为十多层的薄钢板板厚为612mm构成。每层层板都是先卷压成两块圆形，包扎时将它紧贴在内筒外面，用工卡具拉紧后焊接两条缝。焊缝表面用砂轮磨平又用同样的方法一层一层地包扎、焊接，直到达到所需要的壁厚为止。各层板间的纵焊缝互相错开，以减小纵焊缝对筒体强度的削弱。包扎焊接时，每层层板的焊缝冷却收缩
9、，即可以使板与板紧密结合，或产生层间接触压力。筒节上通常开有一个穿透各层板不包括内筒的小孔，作为信号孔泄漏孔，如果容器内筒在运行中破裂泄漏即能及时发现，防止缺陷持续扩展。层板包扎焊接式高压容器是三十年代由美国斯米思AOSmich公司采纳后，很快即传至世界各国。我国在五十年代中期即已试制成功。现在很多化肥设备用的高压容器仍然采纳这种结构。 26绕板式厚壁圆筒Platecoiled thick eylider 绕板厚壁圆筒是在层板包扎焊接式的基础上发展起来的。它也是用筒节组焊而成。筒节是在内筒外面连续卷绕上厚35mm的带状钢板假设干圈，最后再包焊一个外筒。为了使绕板中卷绕开始和终结时不会因突然的凸
10、起而在旁边形成间隙，在绕板的始端和未端都焊上一段较长的楔形板，使其逐渐减薄过渡。绕板时用压力辊对内筒及绕层施加压力，使层板被拉紧贴合在内筒上。这种厚壁筒体除了内筒及外筒以外，整个绕板层占筒壁厚度的绝大部分都没有纵焊接缝，但由于受带状钢板宽度的限制，筒节一般不能作得太长，这就势必使整个筒体的环焊缝增多，而厚壁筒体的深而窄的焊缝又是个薄弱环节。制造绕板式厚壁筒体的效率要比层板包扎焊接式高得多，因为它的绕板是连续进行的，不象层板包扎焊接那样要采用间歇操作。这种结构的高压容器，日本采纳得较多，我国也有一些容器制造厂试生产过。 27多层热套组合式厚壁圆筒Shrinkfit thick cylinder
11、多层热套组合式厚壁筒体是由假设干个通常为三或四个用中等厚度一般为2050mm的钢板卷焊的圆筒体经加热套合制成的筒节，再由假设干段筒节和端部法兰组焊而成的。筒节中的每一层圆筒，外径都不小于外一层圆筒的内径，所以要求将外圆筒加热膨胀或内圆筒冷缩后才能进行装配，并利用它们之间的过盈量来调节控制层间的预应力，以改善容器在受内压时应力分布不均匀的状况。这种结构最先在军械工业采纳，近年来由于制造工艺的改善简化，套合面的加工精度要求降低，只需要粗加工或喷砂处理即可装配，对过盈量的要求也较宽，因而可以大量用作高压容器的制造。多层热套组合厚壁筒体制造工艺简单。制造周期较短，成本也较低。我国近期制定的大型氨合成塔
12、有的就是采纳这种结构。 28绕带容器Banded cylindrical vessel 绕带容器的筒体是由一个用钢板卷焊而成的内筒和在其外面缠绕的多层钢带构成。它也具有多层容器的一些优点，而且可以直接缠绕成所需要的整个筒体长度，不需要由多段筒节组焊，可以减少许多深而窄的环焊缝。绕带容器所用的钢带，横断面形状有槽型和平型两种。槽型钢带绕制的容器，钢板卷焊的内筒外壁车削有与钢带断面形状相配的多头螺旋槽，以便与其上紧靠地绕上的一排槽型钢带相扣合，钢带的始端与未端焊接固定。在整个筒体长度上绕满一层后，再在钢带外面持续缠绕假设干层，直至获得所需的筒壁厚度。由于槽型钢带内外面都带有凸凹槽，缠绕时，外层钢带
13、内面的凸起部分正好与内层钢带，一面拉紧，并用辊子紧压和定向，绕完后钢带自然冷却收缩，其内层产生预应力。这种钢带形状复杂，尺寸要求较严，轧制困难。钢带之间的扣合，必须几个面同时贴紧，是多次静不定问题，因此带层之间总有局部的贴合不良现象。爆炸试验结果说明，槽型钢带绕制容器都是横向断裂，说明这种结构轴向强度弱于周向强度。扁钢带绕制的容器，是先将钢板卷焊的内筒与锻制的端部法兰对焊成整体长度的圆筒，再在外面按多头螺旋的形式，缠绕多层扁平钢板，钢带端部与锻制法兰焊接固定。钢带由专用装置压紧，以产生一定的预应力。钢带以与径向断面成2631的角度缠绕，使其能承受部分的轴向载荷。相邻两层钢带又按左旋和右旋的方式
14、互相错开，以避免筒壁产生附加扭矩，改善内筒的受力状态。所以这种容器又称倾角错绕扁平钢带容器。平型钢带容器是我国创造的一种高压容器结构，它同时具有层板包扎焊接与槽型钢带绕制所有的优点。由于制造设备简单、方法容易掌握，而且钢带来源广泛，又节省材料，成本低，因而在我国的小型化肥厂已被子广泛采纳。 29自加强容器Autofretted vessel 自加强容器是在使用前先经过自加强处理的厚壁圆筒形容器。所谓加强处理是在制成都的厚壁圆筒内施加足够的内压力远高于容器的正常操作压力，使它的内层材料屈服，并产生塑性变形，而外层材料则仍坚持弹性状态。经过一定时间的坚持压力后，马上压力卸除。由于筒壁内层材料在加载
15、时已经塑性变形，卸压后必定分有残余变形而不能回复到原来的状态。外层的弹性区却在卸压后又力图恢复它原有的尺寸，产生弹性收缩，但被内层发生残余变形部分所限制，因而外层材料产生拉应力，内层材料产生压应力。经过这样处理的厚壁筒体就存在内壁受压缩外壁受拉伸的残余应力。这样的容器在投入使用以后，再承内压力时，筒体在内压作用下沿壁厚的不均匀分布状态就会得到改善，容器筒体的屈服承载能力即有所加强。这种利用容器自身的变形和所产生的残余应力来平衡它在工作时的应力，以加强容器造业，以提升炮筒的弹性强度。近年来自加强技术已逐渐转移到石油化工工业，用以提升超高压容器的强度。在这方面，近期也进行了许多理论和实验研究。一些试验证实，经自加强处理的容器、管道，不但可提升屈服承载能力，还因为它内壁存有压缩残余应力，使工作时内壁平均应力降低，因而疲惫强度也显著提升。内壁有缺陷的容器，经自加强处理后其疲惫循环次数有的可提升几倍。自加强处理，还有利于容器焊接残余应力的消除。自加强处理只适用于厚壁容器，而不适用于薄壁容器，因为它不建立一个有利的残余应力的结构。 30气瓶Gas cylinder 气瓶是一种专供盛装和运输气体或液化气体用的移动式容器。为了适应这种专门用途的需要，气瓶的形状和结构就必须简单、紧凑，重量较轻，易于搬运和使
