1、第二章第二章 设设 计计第二节 结构设计整整体体结结构构单层式单层式多层式多层式绕板式绕板式型槽绕带式型槽绕带式热套式热套式锻焊式锻焊式安全性高，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整体结构整体结构单层式单层式优点优点简单简单深环、纵焊缝，焊接深环、纵焊缝，焊接缺陷检测和消除困难；缺陷检测和消除困难；且结构本身缺乏阻止裂且结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的能力；纹快
2、速扩展的能力；大型锻件、厚钢板性大型锻件、厚钢板性能比薄钢板差，不同方能比薄钢板差，不同方向力学性能差异大，韧向力学性能差异大，韧脆转变温度较高，发生脆转变温度较高，发生低应力脆性破坏的可能低应力脆性破坏的可能性也较大；性也较大；加工设备要求高。加工设备要求高。缺点缺点组合式组合式2、制造：、制造：用装置将层板逐层、同心地用装置将层板逐层、同心地 包扎在内筒上；包扎在内筒上；借纵焊缝的焊接收缩力使层借纵焊缝的焊接收缩力使层 板和内筒、层板与层板之间板和内筒、层板与层板之间 互相贴紧，产生一定的预紧互相贴紧，产生一定的预紧 力；力；筒节上均开有安全孔筒节上均开有安全孔报报 警。警。筒体筒体深环焊
3、缝深环焊缝筒节筒节内层内层1225mm外层外层412mm的多层层板的多层层板为避免裂纹沿壁厚为避免裂纹沿壁厚方向扩展，各层板方向扩展，各层板之间的纵焊缝应相之间的纵焊缝应相互错开互错开75。筒节的长度视钢板的筒节的长度视钢板的宽度而定，层数则随宽度而定，层数则随所需的厚度而定。所需的厚度而定。一、多层包扎式一、多层包扎式1、结构：、结构：图图2-1 多层包扎筒节多层包扎筒节一、多层包扎式一、多层包扎式(续续)一、多层包扎式一、多层包扎式(续续)5、应用情况：、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。筒体结构。3
4、、优点：、优点：制造工艺简单，不需大制造工艺简单，不需大型复杂加工设备；型复杂加工设备；安全可靠性高，层板间安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力；向厚度方向扩展的能力；减少了脆性破坏的可能减少了脆性破坏的可能 性；性；包扎预应力改善筒体的包扎预应力改善筒体的应力分布；应力分布；对介质适应性强，可选对介质适应性强，可选 择合适的内筒材料。择合适的内筒材料。4、缺点：、缺点：筒体制造工序多、周期长、效率筒体制造工序多、周期长、效率 低、钢材利用率低（仅低、钢材利用率低（仅60%左左 右）；右）；深环焊缝对制造质量和安全有显深环焊缝对制造质量和安全有显 著
5、影响。著影响。无损检测困难，环焊缝的两侧均无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法用超声检测，只能射有层板，无法用超声检测，只能射线检测；线检测；焊缝部位存在很大的焊焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降；大而韧性下降；环焊缝的坡口切环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。削工作量大，且焊接复杂。1、结构，制造：、结构，制造：内筒（厚度内筒（厚度 30mm）卷焊成直径不同但可）卷焊成直径不同但可过盈配合过盈配合的筒节，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
6、筒节。贴合的厚壁筒节。图图2-2 热套筒节热套筒节二、热套式二、热套式2、优点：、优点：工序少，周期短，且具有工序少，周期短，且具有包扎式筒体的大多数优点。包扎式筒体的大多数优点。3、缺点：、缺点：筒体要有较准确的过盈量，筒体要有较准确的过盈量，卷筒的精度要求很高，且套卷筒的精度要求很高，且套 合时需选配套合；合时需选配套合；套合时贴紧程度不很均匀；套合时贴紧程度不很均匀；套合后，需热处理以消除套合后，需热处理以消除 套合预应力及深环焊缝的焊套合预应力及深环焊缝的焊 接残余应力。接残余应力。二、热套式二、热套式(续续)1、结构：、结构：由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包扎式由内筒、绕板
7、层和外筒三部分组成，是在多层包扎式 筒体的基础上发展起来的。筒体的基础上发展起来的。2、制造：、制造：内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面连续内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面连续 缠绕若干层缠绕若干层35mm厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道 纵焊缝，需要纵焊缝，需要2个楔形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆个楔形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆 或三块或三块“瓦片瓦片”制成。制成。3、优点：机械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可达优点：机械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可达 90%以上）。以上）。4、缺点：、缺点：中间厚两边薄，累积间
8、隙。中间厚两边薄，累积间隙。图图23绕板式绕板式三、绕板式三、绕板式1、结构、结构：错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构。：错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构。2、制造、制造：将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封头；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。焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。3、优点、优点：环、纵焊缝错开，筒体与封头或法兰间的环焊缝为一：环、纵焊缝错开，筒体与封头或法兰间的环焊缝为一 定角度的斜面焊缝，承载面积增大。定角度的斜面焊缝
9、，承载面积增大。内筒内筒包扎层板包扎层板端部法兰端部法兰底封头底封头图图24 整体多层包扎式厚壁容器筒体整体多层包扎式厚壁容器筒体 四、整体多层包扎式四、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以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁两种结构两种结构型槽绕带式型槽绕带式扁平钢带倾角错绕式扁平钢带倾角错绕式(1)型槽绕带式型槽绕带式 用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内 筒上，端面形状见图筒上，端面形状见图2-5（a），内筒外表面上预先加），内筒外表面上预先加 工有与钢带相啮合的螺旋状凹槽。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
10、，绕制后依次缠绕时，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钢带贴紧；各层钢带之间靠凹槽和凸肩相互啮合(见图见图2-5（b）)，缠绕层能承受一部分由内压引起的轴向力。，缠绕层能承受一部分由内压引起的轴向力。五、绕带式五、绕带式图图2-5（a）型槽绕带式筒体）型槽绕带式筒体（b）型槽钢带结构示意图）型槽钢带结构示意图缩套环缩套环双锥面垫片双锥面垫片焊缝焊缝（a）（b）五、绕带式（续）五、绕带式（续）五、绕带式（续）五、绕带式（续）缺点：钢带需由钢厂专门轧
11、制，尺寸公差要求缺点：钢带需由钢厂专门轧制，尺寸公差要求 严，技术要求高；为保证邻层钢带能相严，技术要求高；为保证邻层钢带能相 互啮合，需采用精度较高的专用缠绕机互啮合，需采用精度较高的专用缠绕机 床。床。优点：筒体具有较高的安全性，机械化程度优点：筒体具有较高的安全性，机械化程度 高，材料损耗少，且由于存在预紧力，高，材料损耗少，且由于存在预紧力，在内压作用下，筒壁应力分布较均匀。在内压作用下，筒壁应力分布较均匀。（2）扁平钢带倾角错绕式）扁平钢带倾角错绕式 中国首创的一种新型绕带式筒体；该结构已被列入中国首创的一种新型绕带式筒体；该结构已被列入 ASME-1和和ASME-2标准的规范案例，
12、编号分别标准的规范案例，编号分别 为为 2229和和2269。内筒内筒钢带层钢带层底封头底封头端部法兰端部法兰 图图2-5（c）扁平钢带倾角错绕式筒体扁平钢带倾角错绕式筒体五、绕带式（续）五、绕带式（续）与其它类型厚壁筒体相比，扁平钢带倾角错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。靠性高、在线安全监控容易等优点。结构：结构：内筒厚度约占总壁厚的内筒厚度约占总壁厚的1/61/4，采用采用“预应力冷绕预应力冷绕”和和“压棍预弯贴紧压棍预弯贴紧”技术，技术，环向环向1530倾角在薄内筒外交错缠绕
13、扁平钢倾角在薄内筒外交错缠绕扁平钢带。带。钢带宽约钢带宽约80160mm、厚约、厚约416mm，其始末，其始末两端分别与底封头和端部法兰相焊接。两端分别与底封头和端部法兰相焊接。优点：优点：五、绕带式（续）五、绕带式（续）结构设计遵循的原则结构设计遵循的原则结构不连续处应平滑过渡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，避免高应力叠加相互错开，避免高应力叠加避免采用刚性过大的焊接结构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，并装有各受
14、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；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缝的布置应尽量避免或减小复合应力和应力集中；应力集中；承重结构在承受设计载荷时应具有足够的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；强度、刚度、稳定性及防腐蚀性；容器的结构应便于安装、检修和清洗容器的结构应便于安装、检修和清洗2.封头封头种类封头种类凸形封头凸形封头锥壳锥壳变径段变径段平盖平盖紧缩口紧缩口半球形封头半球形封头椭圆形封头椭圆形封头碟形封头碟形封头球冠形封头球冠形封头a.
15、半球形封头半球形封头b.椭圆形封头椭圆形封头c.碟形封头碟形封头d.球冠形封头球冠形封头2-6 常见容器封头的形式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。压情况进行强度或刚度计算，确定合适的厚度。薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，最理想的结构形式。薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，最理想的结构形式。一、半球形封头一、半球形封头半球形封头为半个球壳，如图半球形封头为半个球壳，如图2-6(a)所示。所示。1.受内压的半球形封头受内压的半球形封头优点优点缺点缺点深度大，直径小时，
16、整体冲压困难，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。大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。应用应用高压容器。高压容器。二、椭圆形封头二、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率避免封头和筒体的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。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，如图由半个椭球面和短圆筒组成，如图2-6（b）所示。）所示。直边段作用：直边段作用：中、低压容器。中、低压容器。应用：应用：(1)受内压（凹面受压）的椭圆形封头受内压（凹面受压）的椭圆形封头 受力：薄膜应力受力：薄
17、膜应力不连续应力。不连续应力。三、碟形封头三、碟形封头 不连续曲面，存在较大边缘弯曲应力。边缘弯曲应不连续曲面，存在较大边缘弯曲应力。边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它部位，故受力状况不佳。部位，故受力状况不佳。结构结构带折边球面封头，由半径为带折边球面封头，由半径为Ri的的球面体球面体、半径为、半径为r的的过渡过渡环壳环壳和和短圆筒短圆筒等三部分组成，见图等三部分组成，见图2-6（c）。）。优点优点过渡环壳降低了封头深度，方便成型，且压制碟形过渡环壳降低了封头深度，方便成型，且压制碟形封头的钢模加工简单，应用广泛。封头的钢模加工
18、简单，应用广泛。缺点缺点结构简单、制造方便，常用作容器中两独立受压结构简单、制造方便，常用作容器中两独立受压 室中间封头，端盖。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。分布不甚合理。四、球冠形封头四、球冠形封头碟形封头当碟形封头当r=0时，球面与筒体直接连接，如图时，球面与筒体直接连接，如图4-15（d）所示）所示优点：优点：缺点：缺点：4锥壳锥壳轴对称锥壳轴对称锥壳无折边锥壳无折边锥壳折边锥壳折边锥壳特点：特点：结构不连续，应力分布不理想结构不连续，应力分布不理想应用应用排放固体颗粒和悬浮或粘稠液体排放固体颗粒和悬浮
19、或粘稠液体不同直径圆筒体的中间过渡段不同直径圆筒体的中间过渡段中、低压中、低压容器容器（a）无折边锥壳；）无折边锥壳；（b）大端折边锥壳；）大端折边锥壳；（c）折边锥壳）折边锥壳 图图2-7 锥壳结构形式锥壳结构形式平盖平盖理论分析：理论分析：以圆平板应力分析以圆平板应力分析为基础，分为周边为基础，分为周边固支或简支；固支或简支；实际上：介于实际上：介于固支和简支之间；固支和简支之间；工程计算：采用圆平板理论工程计算：采用圆平板理论 为基础的经验公式，通为基础的经验公式，通 过系数过系数 来体现平盖周来体现平盖周 边的支承情况，边的支承情况，K值越值越 小小,平盖周边越接近固支平盖周边越接近固
20、支；反之就越接近于简支。反之就越接近于简支。几何形状：几何形状：圆形、椭圆形、长圆形、椭圆形、长圆形、矩形及正方圆形、矩形及正方形等。形等。一、焊接接头形式一、焊接接头形式 对接接头对接接头角接接头及角接接头及 T字形接头字形接头搭接接头搭接接头焊接接头形式焊接接头形式（a）对接接头；）对接接头；（b）角接接头；）角接接头；（c）搭接接头）搭接接头图图2-8 焊接接头的三种形式焊接接头的三种形式受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得到保证。易得到保证。1对接接头对接接头 结构：结构：两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或两个相互连接零
21、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。同一弧面内进行焊接的接头。特点：特点：应用：应用：最常用的焊接结构形式。最常用的焊接结构形式。结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力集中结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力集中比较严重，且焊接质量也不易得到保证。比较严重，且焊接质量也不易得到保证。2角接接头和角接接头和T型接头型接头 结构：结构：两个相互连接零件在接头处的中面相互垂直或相交成两个相互连接零件在接头处的中面相互垂直或相交成某一角度进行焊接的接头。两构件成某一角度进行焊接的接头。两构件成T字形焊接在一起字形焊接在一起的接头，叫的接头，叫T型接头。角接接头和型接头
22、。角接接头和T字接头都形成角焊字接头都形成角焊缝。缝。特点：特点：某些特殊部位：接管、法兰、夹套、管板和凸缘的焊某些特殊部位：接管、法兰、夹套、管板和凸缘的焊接等。接等。应用：应用：3搭接接头搭接接头 主要用于加强圈与壳体、支座垫板与器壁以及凸缘主要用于加强圈与壳体、支座垫板与器壁以及凸缘与容器的焊接。与容器的焊接。结构：结构：两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中面两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中面相互平行，进行焊接的接头。相互平行，进行焊接的接头。特点：特点：属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不连续，承载后接头部位受
23、力情况较差。连续，承载后接头部位受力情况较差。应用：应用：焊接坡口焊接坡口为保证全熔透和焊为保证全熔透和焊接质量，减少焊接接质量，减少焊接变形，施焊前，一变形，施焊前，一般将焊件连接处预般将焊件连接处预先加工成各种形状。先加工成各种形状。不同的焊接坡口，不同的焊接坡口，适用于不同的焊接适用于不同的焊接方法和焊件厚度。方法和焊件厚度。二、坡口形式二、坡口形式 形形V型型单边单边V形形U形形J形形基本坡口形状基本坡口形状组合形状组合形状坡口形状坡口形状图图2-9 坡口的基本形式坡口的基本形式特例：一般接头应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。特例：一般接头应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊
24、接。J型型U型型单边单边V型型V型型I型型双双V形坡口由两个形坡口由两个V形坡口和一个形坡口和一个I形坡口组合而成形坡口组合而成图图2-10 双双V形坡口形坡口三、压力容器焊接接头分类三、压力容器焊接接头分类圆筒部分的纵向接头（多层包扎容器层板层纵向接头圆筒部分的纵向接头（多层包扎容器层板层纵向接头除外）、球形封头与圆筒连接的环向接头、各类凸形除外）、球形封头与圆筒连接的环向接头、各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头。接的接头。目的：目的：为对口错边量、热处理、无损检测、焊缝尺寸等方面为对口错边量、热处理、无损检测、焊缝尺
25、寸等方面有针对性地提出不同的要求，有针对性地提出不同的要求，GB150根据根据，根据，根据该接头所连接两元件的该接头所连接两元件的以及以及，把接，把接头分成头分成A、B、C、D四类，如图四类，如图2-11。A类：类：图图2-11 压力容器焊接接头分类压力容器焊接接头分类必须必须掌握掌握壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与接管连接的接头。但已规定为头、长颈法兰与接管连接的接头。但已规定为A、C、D类的焊接接头除外。类的焊接接头除外。B类：类：平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与
26、壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头。包扎容器层板层纵向接头。C类：类：接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头。但接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头。但已规定为已规定为A、B类的焊接接头除外。类的焊接接头除外。D类：类：易于保证焊接质量，所有的纵向及环向焊接接头、凸易于保证焊接质量，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。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
27、的基本原则四、压力容器焊接结构设计的基本原则1尽量采用对接接头尽量采用对接接头角焊缝，改用对接焊缝图角焊缝，改用对接焊缝图2-12（a）改为（）改为（b）和（）和（c）。减小了应力集中，方便了无损检测，有利于保证接头减小了应力集中，方便了无损检测，有利于保证接头的内部质量。的内部质量。举例：举例：图图2-12 容器接管的角接和对接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，应选用单面较小，且无法从容器内部
28、清根时，应选用单面焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或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。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，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。在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。未熔透未熔透改进改进尽可能采用等厚度焊接，对于不等厚钢板的对接，尽可能采用等厚度焊接，对于不等厚钢板的对接，应将较厚板按一定斜度削薄过渡，然后再进行焊接，应将较厚板按一定斜度削薄过渡，然后再进行焊接，以避免形状突变，减缓应
29、力集中程度。一般当薄板以避免形状突变，减缓应力集中程度。一般当薄板厚度厚度2不大于不大于10mm，两板厚度差超过，两板厚度差超过3mm；或当；或当薄板厚度薄板厚度2大于大于10mm，两板厚度差超过薄板的，两板厚度差超过薄板的30%，或超过，或超过5mm时，均需按图时，均需按图2-13的要求削薄厚的要求削薄厚板边缘。板边缘。3尽量减少焊缝处的应力集中尽量减少焊缝处的应力集中 接头常常是脆性破坏和疲劳破坏的起源处，因此，在设计接头常常是脆性破坏和疲劳破坏的起源处，因此，在设计焊接结构时必须尽量减少应力集中。焊接结构时必须尽量减少应力集中。措施：措施：图图2-13 板厚不等时的对接接头板厚不等时的对
30、接接头尽量减少填充金属量；尽量减少填充金属量；保证熔透，避免产生各种焊接缺陷；保证熔透，避免产生各种焊接缺陷；便于施焊，改善劳动条件；便于施焊，改善劳动条件；减少焊接变形和残余变形量，对较厚元件焊接应减少焊接变形和残余变形量，对较厚元件焊接应 尽量选用沿厚度对称的坡口形式，如尽量选用沿厚度对称的坡口形式，如X形坡口等。形坡口等。五、压力容器常用焊接结构设计五、压力容器常用焊接结构设计主要内容：主要内容：选择合适的焊缝坡口，方便焊材选择合适的焊缝坡口，方便焊材(焊条或焊丝）伸焊条或焊丝）伸入坡口根部，以保证全熔透。入坡口根部，以保证全熔透。坡口选择因素：坡口选择因素：开孔带来的问题开孔带来的问题
31、削弱器壁的强度削弱器壁的强度产生高的局部应力产生高的局部应力开孔开孔法法 兰兰法兰的结构设计必须注意压紧面形状和结构形式的选择一、螺栓法兰连接的密封性设计一、螺栓法兰连接的密封性设计螺栓法兰连接螺栓法兰连接设计关键要解设计关键要解决两个问题决两个问题1.保证连接处保证连接处“紧密不漏紧密不漏”；2.法兰应具有足够的强度，法兰应具有足够的强度，不致因受力而破坏。不致因受力而破坏。实际应用中主要是泄漏，很少有强度不足而破坏。实际应用中主要是泄漏，很少有强度不足而破坏。密封性能：密封性能：压紧面压紧面垫片垫片螺栓法兰连接设计螺栓法兰连接设计（1）法兰压紧面的选择法兰压紧面的选择 压紧面主要根据压紧面
32、主要根据工艺条件工艺条件、密封口径密封口径以及以及垫片垫片等进行选择。等进行选择。全平面（全平面（a）突面（突面（b）凹凸面（凹凸面（c）榫槽面（榫槽面（d）环连接面（或称环连接面（或称T型槽）（型槽）（e）等）等其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。形式：形式：图图2-16螺栓法兰连接设计螺栓法兰连接设计（a）全平面全平面（b）突面突面（c）凹凸面凹凸面（d）榫槽面榫槽面（e）环连接面（环连接面（T型槽）型槽）图图2-16凹凸面法兰连接凹凸面法兰连接榫槽面法兰连接榫槽面法兰连接突面压紧面：突面压紧面：简单，加工方便，装卸容简单，加工方便，装卸容 易，易于防腐
33、衬里。易，易于防腐衬里。压紧面可以是平滑的，适用压紧面可以是平滑的，适用 于于PN2.5MPa场合，场合，带沟槽的（带沟槽的（24条、宽条、宽深深 为为0.8mm0.4mm、截面为、截面为 三角形周向沟槽），防止非金三角形周向沟槽），防止非金 属垫片被挤出，适用更广。属垫片被挤出，适用更广。容器法兰可用至容器法兰可用至6.4MPa，管管 法兰甚至可用至法兰甚至可用至2542MPa，但随着公称压力的提高，适用但随着公称压力的提高，适用 的公称直径相应减的公称直径相应减小小。由榫面、槽面配合构成，垫由榫面、槽面配合构成，垫片安放在槽内，不会被挤出片安放在槽内，不会被挤出压紧面，较少受介质的冲刷压紧
34、面，较少受介质的冲刷和腐蚀，所需螺栓力较小，和腐蚀，所需螺栓力较小，但结构复杂，更换垫片较难，但结构复杂，更换垫片较难，只适用于易燃、易爆和高度只适用于易燃、易爆和高度或极度毒性危害介质等重要或极度毒性危害介质等重要场合。场合。凹凸压紧面：凹凸压紧面：榫槽压紧面：榫槽压紧面：各压紧面结构简介各压紧面结构简介安装易于对中，有效防止垫片安装易于对中，有效防止垫片被挤出，适用于被挤出，适用于PN6.4MPa的容器法兰和管法兰。的容器法兰和管法兰。三 几种典型设备的结构设计要点 球罐球罐 管壳式换热器管壳式换热器 分类分类外观外观壳体构造方式壳体构造方式支撑方式支撑方式球形球形椭球形椭球形单数单数球壳
35、层数球壳层数多数多数桔瓣式桔瓣式足球瓣足球瓣混合式混合式支柱式支座支柱式支座筒形或锥形裙式支座筒形或锥形裙式支座球壳组合方案球壳组合方案球球 罐罐典型结构示例典型结构示例圆球形单层纯桔瓣式圆球形单层纯桔瓣式赤道正切球罐赤道正切球罐支柱支柱拉杆拉杆操作平台操作平台盘梯盘梯人孔、接管、液面计人孔、接管、液面计压力计、温度计、压力计、温度计、安全泄放装置等安全泄放装置等上下极板、上下极板、上下温带板、上下温带板、赤道板赤道板附件附件罐体罐体图图2-17 赤道正切柱式支承单层壳球罐赤道正切柱式支承单层壳球罐1-球壳；球壳；2-液位计导管；液位计导管；3-避雷针；避雷针；4-安全泄放阀；安全泄放阀；5-
36、操作平台；操作平台；6-盘梯；盘梯；7-喷淋水管；喷淋水管；8-支柱；支柱；9-拉杆拉杆罐体罐体作用作用球形储罐主体，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组合方式分按其组合方式分纯桔瓣式罐体纯桔瓣式罐体足球瓣式罐体足球瓣式罐体混合式罐体混合式罐体罐体罐体（1 1）纯桔瓣式罐体）纯桔瓣式罐体球壳全部按桔瓣片球壳全部按桔瓣片形状进行分割成型形状进行分割成型后再组合后再组合图图2-18 赤道正切柱式支承单层壳球罐赤道正切柱式支承单层壳球罐1-球壳；球壳；2-液位计导管；液位计导管；3-避雷针；避雷针；4-安全泄放阀；安全泄放阀；5-操作平台；
37、操作平台；6-盘梯；盘梯；7-喷淋水管；喷淋水管；8-支柱；支柱；9-拉杆拉杆特点特点缺点缺点应用应用球壳拼装焊缝较规则，施焊组装容易，加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，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。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，板尺寸往往较小，人孔、接管等容易拥挤，有时焊缝不易错开。有时焊缝不易错开。适用于各种容量的球罐。适用于各种容
38、量的球罐。（2）足球瓣式罐体）足球瓣式罐体由四边形或六边形组成由四边形或六边形组成 图图2-19 足球瓣式球罐足球瓣式球罐1-顶部极板；顶部极板；2-赤道板；赤道板；3-底部极板；底部极板；4-支柱；支柱；5-拉杆；拉杆；6-扶梯；扶梯；7-顶部操作平台顶部操作平台特点特点缺点缺点应用应用每块球壳板尺寸相同，下料成型规格化，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。短，焊接及检验工作量小。焊缝布置复杂，施工组装困难，对球壳焊缝布置复杂，施工组装困难，对球壳板的制造精度要求高。板的制造精度要求高。容积小于容积小
39、于120m3的球罐。的球罐。（3）混合式罐体）混合式罐体1-上极上极2-赤道带赤道带3-支柱支柱4-下极下极图图2-20 混合式球罐混合式球罐特点特点赤道带、温带赤道带、温带桔瓣式桔瓣式极板极板足球瓣式足球瓣式材料利用率材料利用率高高焊缝长度焊缝长度缩短缩短球壳板数量球壳板数量减少减少适用于适用于大型球罐大型球罐球罐支柱与球壳板焊接接头球罐支柱与球壳板焊接接头避免搭在一起，球壳应力分布均匀避免搭在一起，球壳应力分布均匀极板尺寸极板尺寸比纯桔瓣式大，易布置人孔及接管比纯桔瓣式大，易布置人孔及接管组组 合合 方方 式式 壳壳 片片 分分 割割成成 型型 形形 式式 优优 点点 缺缺 点点 应应 用
40、用 纯纯 桔桔 瓣瓣 式式 球球 壳壳 全全 部部按按 桔桔 瓣瓣 片片形形 状状 进进 行行分分 割割 成成 型型后后 再再 组组 合合 球球 壳壳 拼拼 装装 焊焊 缝缝较较 规规 则则，施施 焊焊 组组装装 容容 易易，实实 施施 自自动动 焊焊；便便 于于 布布 置置支支 座座，焊焊 接接 接接 头头受受 力力 均均 匀匀，质质 量量较较 可可 靠靠。球球 瓣瓣 在在 不不 同同 带带 位位置置 尺尺 寸寸 大大 小小 不不一一，互互 换换 有有 限限；下下 料料 成成 型型 复复 杂杂，板板 材材 利利 用用 率率 低低；球球 极极 板板 尺尺 寸寸 往往 往往较较 小小，人人 孔孔
41、、接接管管 等等 容容 易易 拥拥 挤挤，有有 时时 焊焊 缝缝 不不 易易 错错开开。适适 用用 于于 各各 种种容容量量 的的球球罐罐。足足 球球 瓣瓣 式式 由由 相相 同同 或或相相 似似 的的 四四边边 形形 或或 六六边边 形形 组组 焊焊而而 成成 每每 块块 球球 壳壳 板板 尺尺寸寸 相相 同同，下下 料料 成成型型 规规 格格 化化，材材 料料利利 用用 率率 高高，互互 换换性性 好好，组组 装装 焊焊 缝缝较较 短短，焊焊 接接 及及 检检验验 工工 作作 量量 小小。焊焊 缝缝 布布 置置 复复 杂杂，施施 工工 组组 装装 困困 难难，对对 球球 壳壳 板板 的的
42、制制 造造精精 度度 要要 求求 高高。容容积积 小小于于120m3球球 罐罐。材材 料料 利利 用用 率率 高高 焊焊 缝缝 长长 度度 缩缩 短短 壳壳 板板 数数 量量 少少 极极 板板 尺尺 寸寸 大大，易易布布 置置 人人 孔孔 及及 接接管管 避避 免免 球球 罐罐 支支 座座与与 球球 壳壳 板板 焊焊 接接接接 头头 搭搭 在在 一一 起起，球球 壳壳 应应 力力 分分 布布均均 匀匀。管壳式换热器管壳式换热器基本类型基本类型一、固定管板式一、固定管板式二、浮头式二、浮头式三、三、U形管式形管式四、填料函式四、填料函式五、釜式重沸器五、釜式重沸器一、固定管板式换热器一、固定管板
43、式换热器（a)BEM立 式 固 定 管 板 式 换 热 器结构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。侧压力不高的场合。优点优点结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价结构简单、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。低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点缺点当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相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。差较大时，壳体和管束
44、中将产生较大的热应力。应用应用 为减少为减少热应力热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件，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。（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。二、浮头式二、浮头式结构结构浮头端可自由伸缩，无热应力浮头端可自由伸缩，无热应力浮头端浮头端浮头式换热器浮头式换热器优点优点管间和管内清洗方便，不会产生热应力；管间和管内清洗方便，不会产生热应力；缺点缺点结构复杂，造价比固定管板式换热器高，结构复杂，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
45、较在操作中无法检查，制造时对密封要求较 高。高。应用应用壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易 结垢的场合。结垢的场合。三、三、U U形管式换热器形管式换热器结构结构（C）BIU U形 管 式 换 热 器U U形管形管U U形管式换热器形管式换热器 优点优点 结构比较简单、价格便宜，承压能力强。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；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；管束最内层管间距大，管板利用率低；缺点缺点 壳程流体易短路，传热不利。壳程流体易短路，传热不利。当管子泄漏损坏时，只有外层当管子泄漏损坏时，只有
46、外层U U形管可更形管可更 换，内层管只能堵死，坏一根换，内层管只能堵死，坏一根U U形管相当形管相当 于坏两根管，报废率较高。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管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要 应用应用 清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的清洗，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场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢 的高温、高压、腐蚀性大的物料。的高温、高压、腐蚀性大的物料。四、填料函式四、填料函式(d)AFP填 料 函 双 壳 程 换 热 器结构结构填料函式密封填料函式密封优点优点 结构较浮头式简单，加工制造方便；结构较浮头式
47、简单，加工制造方便；节省材料，造价比较低廉节省材料，造价比较低廉;管束从壳体内可抽出管束从壳体内可抽出;管内、管间都能进行清洗，维修方便。管内、管间都能进行清洗，维修方便。缺点缺点 填料处易泄漏。填料处易泄漏。应用应用 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填 料的物性限制。料的物性限制。注：填料函式换热器现在已很少采用。注：填料函式换热器现在已很少采用。与浮头式、与浮头式、U U形管式换热器一样，形管式换热器一样，清洗维修方便；清洗维修方便；可处理不清洁、易结垢介质，能可处理不清洁、易结垢介质，
48、能承受高温、高压（无温差应力）。承受高温、高压（无温差应力）。特点特点2 管壳式换热器结构管壳式换热器结构管程管程与管束中流体相通的空间与管束中流体相通的空间壳程壳程换热管外面流体及相通空间换热管外面流体及相通空间（a)BEM立 式 固 定 管 板 式 换 热 器2.1 管程结构管程结构一、换热管一、换热管二、管板二、管板三、管箱三、管箱四、管束分程四、管束分程五、换热管与管板连接五、换热管与管板连接一、换热管一、换热管1.换热管型式换热管型式光管光管强化传热管强化传热管翅片管（在给热系数低侧）翅片管（在给热系数低侧）螺旋槽管螺旋槽管螺纹管螺纹管2.换热管尺寸换热管尺寸192、252.5和和3
49、82.5mm无缝钢管无缝钢管252和和382.5mm不锈钢管不锈钢管标准管长标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等等小管径小管径单位体积传热面积增大、单位体积传热面积增大、结构紧凑、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体用于较清洁的流体粘性大或污浊的流体粘性大或污浊的流体大管径大管径3.换热管材料换热管材料金属材料金属材料碳素钢碳素钢低合金钢低合金钢不锈钢不锈钢铜铜铜镍合金铜镍合金铝合金铝合金钛等钛等非金属材料非金属材料石墨石墨陶瓷陶瓷聚四氟乙烯等聚四氟乙烯等4.换热管排列形式及
50、中心距换热管排列形式及中心距60309045p三角形布管多，但不易清洗；三角形布管多，但不易清洗；正方形及转角正方形较易清洗正方形及转角正方形较易清洗管桥强度管桥强度清洗通道清洗通道P1.25d0表表6-1 常用换热管中心距常用换热管中心距/mm换热管外径换热管外径do1214192532384557换热管中心距换热管中心距1619253240485772管壳式换热器结构管壳式换热器结构二、管板二、管板作用作用用来排布换热管；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。承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。
