压力容器安全设计要求

压力容器安全结构设计

一、压力容器的结构

从形状上看，压力容器主要为圆柱形，少数为球形或其他形状。

2．结构设计遵循的原则

①结构不连续处应平滑过渡。受压壳体存在几何形状突变或其他结构上的不连续，都会产生较高的不连续应力。因此，设计时应尽量避免。对于难以避免的结构不连续，应采用平滑过渡的形式，防止突变。

②引起应力集中或削弱强度的结构应相互错开，避免高应力叠加。在压力容器中，不可避免地存在一些局部应力较高或对部件强度有所削弱的结构，如开孔、转角、焊缝等部位。设计时应将这些结构相互错开，以防止局部应力叠加。

③避免采用刚性过大的焊接结构。刚性大的焊接结构不仅使焊接构件因施焊时的膨胀和收缩受到约束而产生较大的焊接应力，而且使壳体在操作条件波动时的变形受到约束而产生附加的弯曲应力。因此，设计时应采取措施予以避免。

④受热系统及部件的胀缩不要受限制。受热部件的热膨胀如果受到外部或自身的限制，

在部件内部就会产生热应力。设计时应使受热部件不受外部约束，减小自身约束。最理想的状态是容器的各部分在运行时，能按设计预定方向自由膨胀。

二、主要零部件的结构设计

压力容器的结构比较简单，基本上都是由筒体、封头、接管、法兰、支座等零部件组成。压力容器的结构设计除了容器的整体结构设计外，主要进行的就是零部件的结构设计，包括焊缝结构设计、容器各部位开孔设计等。

3．焊接接头

焊接接头形式是由相焊的两焊件相对位置所决定的，主要有对接接头、搭接接头和角接接头等。对接接头所形成的结构基本上是连续的，能承受较大的静载荷和动载荷，是焊接结构中最完善和最常用的结构形式。搭接接头、角接接头所形成的焊缝都是角焊缝，承压后，角焊缝及其附近应力状态比较复杂。所以，压力容器的主体焊接接头中不采用搭接接头和角接接头。

接头形式一般根据焊缝在结构中的受力状态及部位选择。对压力容器上的焊接接头形式主要有以下要求。

①压力容器主要受压元件的主焊缝(纵向和环向焊缝，封头、管板的拼接焊缝等)应采用

全焊透的对接接头形式。

②当凸形封头与筒体的连接因条件限制不得不采用搭接时，应双面搭接，搭接的长度不应小于封头厚度的3倍，且不应小于25mm。

③当必须采用角焊结构时，要选用合理的焊接坡口形式，尽量双面焊接，保证焊透。在任何情况下，焊角尺寸都不得小于6mm。对平封头和管板，还应采用必要的加强结构。

④压力容器接管(凸缘)与筒体(封头)、壳体连接，平封头与简体连接，有下列情况之一的，原则上采用全焊透形式。

a．介质为易燃或毒性程度为极度危害和高度危害的压力容器。

b．作气压试验的压力容器。

c．第三类压力容器。

d．低温压力容器。

e．按疲劳准则设计的压力容器。

f．直接受火焰加热的压力容器。

为了使压力容器上焊缝分布均匀、避免焊接残余应力相互叠加，有关压力容器规程中对焊缝的数量和布置作了如下的具体规定。

①简体拼接时，对最短筒节的长度要求是中低压锅炉不应小于300mm；高压锅炉不应小于600mm。每节筒体，对纵向焊缝的数量要求是简体内径Di≤1800mm时，拼接焊缝不多于2条；Di>1800mm时，拼接焊缝不多于3条。每节筒体两条纵焊缝中心线间的外圆弧长，中低压锅炉不应小于300mm；高压锅炉不应小于600mm。相邻筒节的纵向焊缝应相互错开，两焊缝中心线间的外圆弧长不得小于钢板厚度的3倍，且不得小于100mm。

②封头和管板应尽量用整块钢板制成。如必须拼接，封头、管板的内径Di≤2200mm时，拼接焊缝不多于1条，Di>2200mm时，拼接焊缝不多于2条；封头拼接焊缝离封头中心线距离应不超过0．3Di，并不得通过扳边人孔，且不得布置在人孔扳边圆弧上；管板上整条拼接焊缝不得布置在扳边圆弧上，且不得通过扳边孔；由中心圆板和扇形板组成的凸形封头，焊缝的方向只允许是径向和环向的。径向焊缝之间的最小距离应不小于壁厚的3倍，且不小于100mm。

③管子对接焊缝不应布置在管子的弯曲部分。

④受压元件主要焊缝及其邻近区域，应避免焊接零件。如不能避免时，焊接零件的焊缝可穿过主要焊缝，而不要在焊缝及其邻近区域中止。

⑤开孔、焊缝和转角要错开。开孔边缘与焊缝的距离应不小于开孔处实际壁厚的3倍，且不小于100mm。在凸形封头上开孔时，孔的边缘与封头周边间的投影距离应不小于封头外径的10％。开孔及焊缝不允许布置在部件转角处或扳边圆弧上，并应离开一定距离。

4．开孔

为了便于对压力容器定期进行内部检验和清理，在压力容器上应开设必要的人孔、手孔和检查孔。开孔后，不仅降低了部件的承载能力，而且还因为开孔造成结构不连续，在开孔边会产生应力集中。因此，在进行部件结构设计时，对压力容器开孔的数量和尺寸作了严格的规定。

对压力容器上开设人孔、手孔的数量规定如下。

①压力容器内径Di≥1000mm的，应至少开设1个人孔。

②500mm≤Di<1000mm的，应开设1个人孔或2个手孔

③300mm≤Di<500的，至少应开设2个手孔。

压力容器上开孔的尺寸应符合下列规定。

①压力容器上圆形人孔直径应不小于400mm，椭圆形人孔尺寸应不小于400mm×

300mm；圆形手孔直径应不小于100mm，椭圆形手孔尺寸应不小于75mm×50mm。

②在圆筒体上开孔，对于内径不大于1500mm的圆筒，最大孔径应不大于筒体内径的1／2，且不大于500mm；对于内径大于1500mm的圆筒，最大孔径应不大于简体内径的1／3，且不大于1000mm。

③凸形封头或球形容器开孔，最大孔径应不大于壳体内径的1／2；锥形封头的开孔最大直径应不大于孔中心处锥体内径的1／3。

④压力容器上设有可拆的封头(盖板之类)，或其他能够开关的盖子，凡能起到人孔或手孔的作用，可不必再设置人孔或手孔。但其尺寸应不小于所代替的人孔或手孔规定尺寸。

⑤如压力容器上设置螺纹管塞检查孔，则可不再设置手孔。螺纹管塞的公称管径应不小于50mm。

压力容器上开设的人孔、头孔、手孔、清洗孔、检查孔的位置应合理，能满足安装、检修和清理的需要。

5．法兰结构设计要点

法兰的结构设计必须注意压紧面形状和结构形式的选择。

要保证法兰连接的紧密性，必须合理地选择压紧面的形状。最常采用的压紧面形状有平面、凹凸面、榫槽面和梯形槽等四种。平面形压紧面用于压力不高的场合(p≤2．5MPa)，其密封性能较差，但结构简单，加工方便，便于进行防腐和衬里；凹凸形压紧面适用于中压且温度较高的场合，其主要优点是密封性能好，垫片易于对中，压紧时能防止垫片被挤出；榫槽形压紧面适于易燃、易爆和有毒介质的密封，密封性能可靠，但更换垫片较困难；梯形槽压紧面常与椭圆垫和八角垫配用，用于较高压力的场合，这是因为槽的锥面与垫圈形成线(或窄面)接触密封，此种结构常在压力(p≥6．4MPa)、温度(t≥350℃)较高时采用。

三、几种典型设备的结构设计要点

2．管壳式换热器

下面以管壳式换热器的重要部件为例，介绍其结构设计的要点。

(1)管箱包括管箱短节和分程隔板(多程换热器)两部分。

管箱短节结构设计要保证“最小内侧深度”的要求。

①轴向开口的单程管箱，不得小于接管内直径的1／3。

②多程管箱，应保证两程间最小流通面积不小于1．3倍每程管子的流通面积。此外，短节筒体厚度必须满足刚度要求。

分程隔板结构设计要点如下。

①保证强度要求(承受两侧流体压差)和刚度要求。

②水平分程隔板应开设φ6mm的排净孔。

③对于大直径和两侧流体温差很大时，宜设计为双层结构的分程隔板。

④分程隔板下缘应与管箱密封面齐平。

(2)圆筒固定管板式换热器最小厚度应不小于6mm(高合金钢筒体不小于4．5mm)，圆筒的最小厚度随公称直径增大而增厚。

必须指出，圆筒的长度是在以换热管长度为标准长度的前提下按结构计算确定的，否则会造成换热管的不标准而带来材料的严重浪费。

(3)接管其结构设计应符合有关规定。此外，接管应与壳体表面齐平；接管应尽量沿壳体的径向或轴向设置；接管与外部管线可采用焊接连接；设计温度不低于300℃时，必须采用整体法兰；必要时可设置温度计口、压力表接口及液面计接口；对于不能利用接管(或接口)进行放气和排液的换热器，应在管程和壳程的最高点设置放气口，最低点设置排液口，其DNmin＝20mm；立式换热器在需要时可设置溢流口。

(4)换热管U形弯管段的弯曲半径应不小于2倍管子外径。

如果需要，允许换热管拼接，但拼接焊缝不得超过1条(直管)或2条(U形管)，且最小管长不得小于300mm。

(5)管板结构设计时必须注意与螺栓、螺母、垫片、管箱的正确、合理和可靠的接合，而且还要考虑为了强化传热而进行分程等方面的要求。

①管板上管孔的布置必须符合换热管标准排列形式的要求，即正三角形排列、转角正三角形排列、正方形排列、转角正方形排列等四种形式。

②管孔中心距一般不得小于1．25倍的换热管外径，即t≥1．25d0。对于分程隔板槽两侧相邻管孔中心距要求不小于，加上隔板槽宽度。

③布管区的最大直径必须小于布管限定圆的要求，以避免过分靠近壳壁而影响制造和安装。对于固定管板换热器或U形管换热器，设计时要限制管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离b3＝0．25d0，且不小于10mm。

④管板密封面的连接尺寸及制造、检验要求等应按照JB 4700～4707—92《压力容器法兰规定》。

⑤分程隔板槽一般槽深不小于4mm；分程隔板槽的宽度碳钢为12mm，不锈钢为11mm。分程隔板槽拐角处的倒角为45°，倒角的宽度b为分程垫片的圆角半径R加1～2mm。此项要求常被设计者所疏忽，造成不能安装或泄漏。

⑥管板与圆筒、管箱短节的连接形式必须考虑壳程压力的大小、管板是否兼作法兰、介质的性质和有无间隙腐蚀存在。尤其要注意如下几点。

a．当壳程压力ps>4．0MPa时，要采用“变角接为对接”的结构形式，以改善受力条件。

b．当壳程介质可能存在间隙腐蚀时，则不可采用衬环进行焊接，因为焊接后的衬环恰好与壳壁形成间隙而造成腐蚀。

⑦多管程的管板前端与后端的结构绝不相同(见GB 151—89图1—7)，有多种类型可供选择。管程分程应注意如下几点。

a．应尽可能使各管程的管数大致相等。

b．使分程隔板槽形状简单，密封长度较短。

(6)换热管与管板的连接正确选定换热管与管板的连接方式，对设计者至关重要，为此必须严格区分其结构特点、适用范围与应用场所。下面按最常用的连接形式介绍其要点。

①强度胀接为保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。其适用范围如下。

a．设计压力小于等于4MPa。

b．设计温度小于等于300℃。

c．操作中应无剧烈的振动，无过大的温度变化及无严重的应力腐蚀。

最小胀接长度取以下三者的最小值。

a．管板名义厚度减去3mm。

b．50mm。

c．换热管外径的2倍。

具体的结构形式及尺寸见GB 151—1999。

②强度焊保证换热管与管板连接的密封性能和抗拉脱强度的焊接。适用于GB 151—1999标准规定的设计压力(PN≤35MPa)，但不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合。其结构形式及尺寸按GB 151—1999的规定。

③胀焊并用适用于密封性能要求较高的场合，承受振动和疲劳载荷的场合，有间隙腐蚀的场合，采用复合管板的场合。

a．强度胀加密封焊(保证换热管与管板连接密封性的焊接)。这种连接形式是指管板与换热管连接处的抗拉脱强度由胀接来保证，而密封性能主要由胀接并辅之以密封焊接来保证。

b．强度焊加贴胀(消除换热管与管孔之间缝隙的轻度胀接)。此种连接形式是指换热管与管板的密封性主要由二者承担，而抗拉脱强度主要由焊接承受。贴胀的目的是用以消除或降低壳程产生间隙腐蚀和减弱振动对管板与换热器连接处的损害。贴胀与强度焊或强度胀配合使用，由设计者根据使用条件确定。