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　　一、壓力容器的結構

　　從形狀上看，壓力容器主要為圓柱形，少數為球形或其他形狀。

　　2．結構設計遵循的原則

　　①結構不連續處應平滑過渡。受壓殼體存在幾何形狀突變或其他結構上的不連續，都會產生較高的不連續應力。因此，設計時應盡量避免。對于難以避免的結構不連續，應采用平滑過渡的形式，防止突變。

　　②引起應力集中或削弱強度的結構應相互錯開，避免高應力疊加。在壓力容器中，不可避免地存在一些局部應力較高或對部件強度有所削弱的結構，如開孔、轉角、焊縫等部位。設計時應將這些結構相互錯開，以防止局部應力疊加。

　　③避免采用剛性過大的焊接結構。剛性大的焊接結構不僅使焊接構件因施焊時的膨脹和收縮受到約束而產生較大的焊接應力，而且使殼體在操作條件波動時的變形受到約束而產生附加的彎曲應力。因此，設計時應采取措施予以避免。

　　④受熱系統及部件的脹縮不要受限制。受熱部件的熱膨脹如果受到外部或自身的限制，在部件內部就會產生熱應力。設計時應使受熱部件不受外部約束，減小自身約束。最理想的狀態是容器的各部分在運行時，能按設計預定方向自由膨脹。

　　二、主要零部件的結構設計

　　壓力容器的結構比較簡單，基本上都是由筒體、封頭、接管、法蘭、支座等零部件組成。壓力容器的結構設計除了容器的整體結構設計外，主要進行的就是零部件的結構設計，包括焊縫結構設計、容器各部位開孔設計等。
       3．焊接接頭

　　焊接接頭形式是由相焊的兩焊件相對位置所決定的，主要有對接接頭、搭接接頭和角接接頭等。對接接頭所形成的結構基本上是連續的，能承受較大的靜載荷和動載荷，是焊接結構中最完善和最常用的結構形式。搭接接頭、角接接頭所形成的焊縫都是角焊縫，承壓后，角焊縫及其附近應力狀態比較復雜。所以，壓力容器的主體焊接接頭中不采用搭接接頭和角接接頭。

　　接頭形式一般根據焊縫在結構中的受力狀態及部位選擇。對壓力容器上的焊接接頭形式主要有以下要求。

　　①壓力容器主要受壓元件的主焊縫(縱向和環向焊縫，封頭、管板的拼接焊縫等)應采用全焊透的對接接頭形式。

　　②當凸形封頭與筒體的連接因條件限制不得不采用搭接時，應雙面搭接，搭接的長度不應小于封頭厚度的3倍，且不應小于25mm。

　　③當必須采用角焊結構時，要選用合理的焊接坡口形式，盡量雙面焊接，保證焊透。在任何情況下，焊角尺寸都不得小于6mm。對平封頭和管板，還應采用必要的加強結構。

　　④壓力容器接管(凸緣)與筒體(封頭)、殼體連接，平封頭與簡體連接，有下列情況之一的，原則上采用全焊透形式。

　　a．介質為易燃或毒性程度為極度危害和高度危害的壓力容器。

　　b．作氣壓試驗的壓力容器。

　　c．第三類壓力容器。

　　d．低溫壓力容器。

　　e．按疲勞準則設計的壓力容器。

　　f．直接受火焰加熱的壓力容器。

　　為了使壓力容器上焊縫分布均勻、避免焊接殘余應力相互疊加，有關壓力容器規程中對焊縫的數量和布置作了如下的具體規定。

　　①簡體拼接時，對最短筒節的長度要求是中低壓鍋爐不應小于300mm；高壓鍋爐不應小于600mm。每節筒體，對縱向焊縫的數量要求是簡體內徑Di≤1800mm時，拼接焊縫不多于2條；Di>1800mm時，拼接焊縫不多于3條。每節筒體兩條縱焊縫中心線間的外圓弧長，中低壓鍋爐不應小于300mm；高壓鍋爐不應小于600mm。相鄰筒節的縱向焊縫應相互錯開，兩焊縫中心線間的外圓弧長不得小于鋼板厚度的3倍，且不得小于100mm。

　　②封頭和管板應盡量用整塊鋼板制成。如必須拼接，封頭、管板的內徑Di≤2200mm時，拼接焊縫不多于1條，Di>2200mm時，拼接焊縫不多于2條；封頭拼接焊縫離封頭中心線距離應不超過0．3Di，并不得通過扳邊人孔，且不得布置在人孔扳邊圓弧上；管板上整條拼接焊縫不得布置在扳邊圓弧上，且不得通過扳邊孔；由中心圓板和扇形板組成的凸形封頭，焊縫的方向只允許是徑向和環向的。徑向焊縫之間的最小距離應不小于壁厚的3倍，且不小于100mm。

　　③管子對接焊縫不應布置在管子的彎曲部分。

　　④受壓元件主要焊縫及其鄰近區域，應避免焊接零件。如不能避免時，焊接零件的焊縫可穿過主要焊縫，而不要在焊縫及其鄰近區域中止。

　　⑤開孔、焊縫和轉角要錯開。開孔邊緣與焊縫的距離應不小于開孔處實際壁厚的3倍，且不小于100mm。在凸形封頭上開孔時，孔的邊緣與封頭周邊間的投影距離應不小于封頭外徑的10％。開孔及焊縫不允許布置在部件轉角處或扳邊圓弧上，并應離開一定距離。

　　4．開孔

　　為了便于對壓力容器定期進行內部檢驗和清理，在壓力容器上應開設必要的人孔、手孔和檢查孔。開孔后，不僅降低了部件的承載能力，而且還因為開孔造成結構不連續，在開孔邊會產生應力集中。因此，在進行部件結構設計時，對壓力容器開孔的數量和尺寸作了嚴格的規定。

　　對壓力容器上開設人孔、手孔的數量規定如下。

　　①壓力容器內徑Di≥1000mm的，應至少開設1個人孔。

　　②500mm≤Di<1000mm的，應開設1個人孔或2個手孔

　　③300mm≤Di<500的，至少應開設2個手孔。

　　壓力容器上開孔的尺寸應符合下列規定。

　　①壓力容器上圓形人孔直徑應不小于400mm，橢圓形人孔尺寸應不小于400mm×300mm；圓形手孔直徑應不小于100mm，橢圓形手孔尺寸應不小于75mm×50mm。

　　②在圓筒體上開孔，對于內徑不大于1500mm的圓筒，最大孔徑應不大于筒體內徑的1／2，且不大于500mm；對于內徑大于1500mm的圓筒，最大孔徑應不大于簡體內徑的1／3，且不大于1000mm。

　　③凸形封頭或球形容器開孔，最大孔徑應不大于殼體內徑的1／2；錐形封頭的開孔最大直徑應不大于孔中心處錐體內徑的1／3。

　　④壓力容器上設有可拆的封頭(蓋板之類)，或其他能夠開關的蓋子，凡能起到人孔或手孔的作用，可不必再設置人孔或手孔。但其尺寸應不小于所代替的人孔或手孔規定尺寸。

　　⑤如壓力容器上設置螺紋管塞檢查孔，則可不再設置手孔。螺紋管塞的公稱管徑應不小于50mm。

　　壓力容器上開設的人孔、頭孔、手孔、清洗孔、檢查孔的位置應合理，能滿足安裝、檢修和清理的需要。

　　5．法蘭結構設計要點

　　法蘭的結構設計必須注意壓緊面形狀和結構形式的選擇。

　　要保證法蘭連接的緊密性，必須合理地選擇壓緊面的形狀。最常采用的壓緊面形狀有平面、凹凸面、榫槽面和梯形槽等四種。平面形壓緊面用于壓力不高的場合(p≤2．5MPa)，其密封性能較差，但結構簡單，加工方便，便于進行防腐和襯里；凹凸形壓緊面適用于中壓且溫度較高的場合，其主要優點是密封性能好，墊片易于對中，壓緊時能防止墊片被擠出；榫槽形壓緊面適于易燃、易爆和有毒介質的密封，密封性能可靠，但更換墊片較困難；梯形槽壓緊面常與橢圓墊和八角墊配用，用于較高壓力的場合，這是因為槽的錐面與墊圈形成線(或窄面)接觸密封，此種結構常在壓力(p≥6．4MPa)、溫度(t≥350℃)較高時采用。

　　三、幾種典型設備的結構設計要點

　　2．管殼式換熱器

　　下面以管殼式換熱器的重要部件為例，介紹其結構設計的要點。

　　(1)管箱  包括管箱短節和分程隔板(多程換熱器)兩部分。

　　管箱短節結構設計要保證“最小內側深度”的要求。

　　①軸向開口的單程管箱，不得小于接管內直徑的1／3。

　　②多程管箱，應保證兩程間最小流通面積不小于1．3倍每程管子的流通面積。此外，短節筒體厚度必須滿足剛度要求。

　　分程隔板結構設計要點如下。

　　①保證強度要求(承受兩側流體壓差)和剛度要求。

　　②水平分程隔板應開設φ6mm的排凈孔。

　　③對于大直徑和兩側流體溫差很大時，宜設計為雙層結構的分程隔板。

　　④分程隔板下緣應與管箱密封面齊平。

　　(2)圓筒  固定管板式換熱器最小厚度應不小于6mm(高合金鋼筒體不小于4．5mm)，圓筒的最小厚度隨公稱直徑增大而增厚。

　　必須指出，圓筒的長度是在以換熱管長度為標準長度的前提下按結構計算確定的，否則會造成換熱管的不標準而帶來材料的嚴重浪費。

　　(3)接管  其結構設計應符合有關規定。此外，接管應與殼體表面齊平；接管應盡量沿殼體的徑向或軸向設置；接管與外部管線可采用焊接連接；設計溫度不低于300℃時，必須采用整體法蘭；必要時可設置溫度計口、壓力表接口及液面計接口；對于不能利用接管(或接口)進行放氣和排液的換熱器，應在管程和殼程的最高點設置放氣口，最低點設置排液口，其DNmin＝20mm；立式換熱器在需要時可設置溢流口。

　　(4)換熱管  U形彎管段的彎曲半徑應不小于2倍管子外徑。

　　如果需要，允許換熱管拼接，但拼接焊縫不得超過1條(直管)或2條(U形管)，且最小管長不得小于300mm。

　　(5)管板  結構設計時必須注意與螺栓、螺母、墊片、管箱的正確、合理和可靠的接合，而且還要考慮為了強化傳熱而進行分程等方面的要求。

　　①管板上管孔的布置必須符合換熱管標準排列形式的要求，即正三角形排列、轉角正三角形排列、正方形排列、轉角正方形排列等四種形式。

　　②管孔中心距一般不得小于1．25倍的換熱管外徑，即t≥1．25d0。對于分程隔板槽兩側相鄰管孔中心距要求不小于，加上隔板槽寬度。

　　③布管區的最大直徑必須小于布管限定圓的要求，以避免過分靠近殼壁而影響制造和安裝。對于固定管板換熱器或U形管換熱器，設計時要限制管束最外層換熱管外表面至殼體內壁的最短距離b3＝0．25d0，且不小于10mm。

　　④管板密封面的連接尺寸及制造、檢驗要求等應按照JB 4700～4707—92《壓力容器法蘭規定》。

　　⑤分程隔板槽一般槽深不小于4mm；分程隔板槽的寬度碳鋼為12mm，不銹鋼為11mm。分程隔板槽拐角處的倒角為45°，倒角的寬度b為分程墊片的圓角半徑R加1～2mm。此項要求常被設計者所疏忽，造成不能安裝或泄漏。

　　⑥管板與圓筒、管箱短節的連接形式必須考慮殼程壓力的大小、管板是否兼作法蘭、介質的性質和有無間隙腐蝕存在。尤其要注意如下幾點。

　　a．當殼程壓力ps>4．0MPa時，要采用“變角接為對接”的結構形式，以改善受力條件。

　　b．當殼程介質可能存在間隙腐蝕時，則不可采用襯環進行焊接，因為焊接后的襯環恰好與殼壁形成間隙而造成腐蝕。

　　⑦多管程的管板前端與后端的結構絕不相同(見GB 151—89圖1—7)，有多種類型可供選擇。管程分程應注意如下幾點。

　　a．應盡可能使各管程的管數大致相等。

　　b．使分程隔板槽形狀簡單，密封長度較短。

　　(6)換熱管與管板的連接  正確選定換熱管與管板的連接方式，對設計者至關重要，為此必須嚴格區分其結構特點、適用范圍與應用場所。下面按最常用的連接形式介紹其要點。

　　①強度脹接  為保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的脹接。其適用范圍如下。

　　a．設計壓力小于等于4MPa。

　　b．設計溫度小于等于300℃。

　　c．操作中應無劇烈的振動，無過大的溫度變化及無嚴重的應力腐蝕。

　　最小脹接長度取以下三者的最小值。

　　a．管板名義厚度減去3mm。

　　b．50mm。

　　c．換熱管外徑的2倍。

　　具體的結構形式及尺寸見GB 151—1999。

　　②強度焊  保證換熱管與管板連接的密封性能和抗拉脫強度的焊接。適用于GB 151—1999標準規定的設計壓力(PN≤35MPa)，但不適用于有較大振動及有間隙腐蝕的場合。其結構形式及尺寸按GB 151—1999的規定。

　　③脹焊并用  適用于密封性能要求較高的場合，承受振動和疲勞載荷的場合，有間隙腐蝕的場合，采用復合管板的場合。

　　a．強度脹加密封焊(保證換熱管與管板連接密封性的焊接)。這種連接形式是指管板與換熱管連接處的抗拉脫強度由脹接來保證，而密封性能主要由脹接并輔之以密封焊接來保證。

　　b．強度焊加貼脹(消除換熱管與管孔之間縫隙的輕度脹接)。此種連接形式是指換熱管與管板的密封性主要由二者承擔，而抗拉脫強度主要由焊接承受。貼脹的目的是用以消除或降低殼程產生間隙腐蝕和減弱振動對管板與換熱器連接處的損害。貼脹與強度焊或強度脹配合使用，由設計者根據使用條件確定。

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