压力容器基础知识-塔器

钢制塔式容器制造基础知识

1、主要内容

钢制塔式压力容器应用、分类、基本结构、制造过程中的筒体成形及控制、塔体开孔及接管装配、塔盘的制造与组装、裙座组装、分段长距离运输的长塔组装、塔器成品检验等内容。

2、主要引用标准或文献

JB/T4710 钢制塔式容器

JB/T4710-2005《钢制塔式容器》设计压力不大于35MPa，高度H大于10m、且高度H与平均直径D之比大于5的裙座支承钢制塔式容器。

GB150.1~4 压力容器

HG20652 塔器设计技术规定

JB/T1205 塔盘技术条件

TSG R0004 固定式压力容器安全技术监察规程

3、塔器的分类、基本结构及制造工艺流程简介

3.1、塔器的分类

1）按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解析塔、萃取塔、增湿塔、干燥塔、反应塔。

2）按操作压力分为加压塔、常压塔、和减压塔。

3）按内件结构分为填料塔和板式塔。

（1）填料塔：内装有一段或数段填料，作为气、液接触，实现传质传热的基本条件。液体沿填料表面呈膜状自上而下流动，气体呈连续相自下而

上与液体作逆向流动，并进行气、液两相的传质和传热。两相的组分浓度或温度沿塔高呈连续变化。特点：填料塔的基本特点是结构简单、压力降小、效率高、宜采用耐腐蚀材料制造。对于易发泡和热敏性的物料，分离程度要求高的操作，更显出其优越性。不过当填料塔塔径增大时，会引起气、液分布不均匀，接触不良，出现效率下降。此外填料塔的检修工作量大，损耗大。

（2）板式塔：塔内装有一定数量的塔板，作为气、液接触，实现传质、传热的基本构件。板式塔按结构分：有泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌型塔等。

筛板塔的塔盘分为整块式塔盘（DN≤700mm）和分块式塔盘。整块式塔盘又分根据塔盘组装方式不同可分为定距管式及重叠式两类。采用整块式塔盘时，塔体由若干个塔节组成，每个塔节中装有一定数量的塔盘，塔节之间采用法兰连接。分块式塔盘：直径较大的板式塔，为便于制造、安装、检修，可将塔盘分成数块，通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔盘支承件上。为了进行塔内清洗和维修，使人能进入各层塔盘，在塔盘板接近中央处设置一块通道板。各层塔盘板上的通道板最后开在同一垂直位置上，以有利于采光和拆卸。通道应为上下均可拆的连接结构。从上方或下方松开螺母，将双面可拆结构的椭圆垫旋转90度，拆去塔盘。塔盘板安放在焊接于塔壁的支承圈上，塔盘板与支承圈的连接用卡子，卡子由卡板、椭圆垫板、圆头螺钉及螺母等零件组成。塔盘上所开的卡子孔通常为长圆形，这是考虑大塔体椭圆度公差及塔盘板尺寸公差等因素。特点：效率高、处理量大而压力降也较大的特点。其最大特点是多种形式，不同性能的塔盘使板式塔有着广泛的适用性。

3.2、塔器的基本结构

塔器基本结构由塔体、支座、内件、附件四部分组成。填料塔与板式塔

的区别主要在于内件的不同。

1）塔体

塔体是塔器的外壳。常见的塔体由等直径、等壁厚的圆筒和上、下封头组成。对于大型塔器，为了节约用材，亦可采用不等直径、不等壁厚的塔体。塔体满足的工艺条件（塔径、塔高、操作压力、操作温度）和地震载荷、风载荷、偏心载荷在操作、检修、试压、安装及运输时的强度、刚度与稳定性要求。

2）支座

塔体支座是塔体与基础的连接结构。为保证其具有足够的强度、刚度与稳定性，以承受全塔的重量以及地震、风力引起的载荷，通常采用裙式支座，简称“裙座”。裙座的形式根据承受载荷情况不同，可分为圆筒形和圆锥形两类。圆筒形制造方便，经济上合理，故应用广泛。但对于受力情况比较差，塔径小且很高的塔（如DN<1m，且H/DN>25，或DN＞1m，且H/DN＞30）,为防止风载或地震载荷引起的弯矩造成塔翻倒,则需要配置较多的地角螺栓及具有足够大承载面积的基础环,此时,圆筒形裙座的结构尺寸往往满足不了这么多地角螺栓的合理布置,因而只能采用圆锥形裙座.

3）内件

指安装在塔内，为直接完成传质、传热过程而设置的零、部件。包括填料塔的填料、填料支撑板、液体分布器、液体再分布器，填料压板、填料限位板；板式塔的塔盘、降液管、受液盘、溢流堰等。

4）附件

包括安装在塔内、塔外的以下零、部件。

（1）除沫器。在塔内操作气速较大时，会出现塔顶雾沫夹带，这不但造

成物料的流失，也使塔的效率降低，同时还可能造成大气污染。为了避免这种状况，需在塔顶设置除沫装置，从而用于捕集夹带在气流中的液滴，保证气体的纯度和后续设备的正常工作。常用的除沫装置有丝网除沫器、折流板除沫器和玻璃纤维除沫器。其性能的优劣对除沫效率、分离效率具有较大的影响。

（2）接管。用以连接工艺管道，使塔器与相关设备连成系统。按其用途分为进液管、出液管、回流管、进气管、出气管、侧线抽出管、取样管、仪表接管和液面计接管等。

（3）人孔、手孔。为安装、检修、检查等需要而设置。

（4）吊柱。装于塔顶，以备安装、检修时吊运塔内件等。

（5）吊耳。为方便吊装，易在塔器上焊以板式、轴式等形式的起吊件。直连设备支撑结构。即塔顶放置冷凝器等设备时所用的支架、支座等构件。

（6）平台。设置于吊柱、人孔、手孔、液面计等处，供操作、检修之用。

（7）扶梯。各平台及地面间可以直扶梯或协扶梯连接。

3.3、塔器基本制作流程

筒体：展开下料刨边预弯纵缝组对点焊及焊接焊缝修磨校圆检测环缝组对环缝焊接

封头：展开下料坡口加工拼板点焊及焊接

外协回厂验收坡口加工划线

装焊

检测

检测裙座筒体、吊耳等装焊

发货表面防腐水压试验封盲盖根据材料、是否堆焊、坡口加工情况、预弯、检测及筒节组对的不同情况进行分别讨论。

4、筒体制作及组对控制

4.1 筒体周长偏差的控制

影响筒体周长偏差的因素主要有下料偏差、刨边（复合钢、不锈钢容器）造成的偏差和纵缝组对间隙偏差及焊缝横向收缩量等。我公司主要采用半自动火焰切割机、数控火焰切割机和数控制条切割机进行下料，在使用半自动火焰切割机进行切割时需要分清轨道线与切割线，轨道摆放是否平直并考虑风线的补偿量。下料尺寸要考虑切割余量、边缘加工余量、焊缝横向收缩量和筒体卷制时的延伸量。刨边时注意钢板装夹是否平直，刨刀的装夹角度。纵缝组对间隙根据实际周长与理论周长的偏差可适当调整，但要满足焊接工艺要求，不能盲目增大或缩小间隙。焊缝横向收缩量与破口形式、组对间隙、钢板厚度、焊接工艺等有关。只要在下料、刨边、组对和焊接等工艺过程中，严格按照本公司《容器制造工艺流转卡》的规定进行，焊接纵缝后筒体周长偏差基本在±5mm以内，还是比较容易控制在标准值范围以内的。值得一提的是，厚度较厚的筒体卷制时的延伸量与卷板机的实际性能参数和操作手的操作习惯有关，要结合实际情况来确定延伸量，更正下料尺寸，使筒体周长控制在标准范围内。

4.2 筒体圆度的控制

简体的圆度控制重点是卷板时圆度的控制、焊接工艺的选择和焊接防变形措施。采取这些措施后仍然没有办法控制筒体圆度的话，只能对对筒节进行校圆。只要筒节校圆后圆度达到标准要求，在组焊及开孔等制造工艺过程中严格执行正确的工艺路线，简体的圆度就能符合GBl50—98的规定。对于塔器类设备而言，筒体圆度直接影响到塔盘安装，必须重点加以控制。首先在卷板时就要严格控制筒体的圆度，不能放松要求。根据筒体的直径、厚度尽可能选择收缩量小的坡口形式，同一板厚的对接焊缝横向收缩大小依次为：单V、X、单U、双U，较常用的为X型坡口。选择合适的焊接工艺后，必要时还要采取防变形措施，如采用合理的焊接顺序、利用工卡具刚性固定、严格执行焊接工艺等等。对筒体校园的控制，主要是在三辊卷板机上校圆的过程中，用内样板检查的办法及校圆后用直尺或钢卷尺测量筒体两端内径的最大与最小直径差，使之在标准范围之内。不锈钢体筒体与低碳钢筒体相比不易校圆。这是因为不锈钢的塑性很好，屈服强度较低，易变形，操作时不易控制下压量，所以校圆需辊压较长时间。这样会造成不锈钢筒体的表面擦伤和划伤严重，应适当衬垫。

4.3 筒体焊缝对口错边量的控制

错边会使筒体对接处实际壁厚减薄，筒体几何形状不连续而产生附加弯曲应力和剪应力，当筒体内压较高时造成局部应力过高而使简体发生局部变形或失效，所以，GBl50—2011提出了A、B类焊缝对口错边量的要求：

(1)A、B类焊接接头的对口错边量b

表1

(2)复合钢板的对口错边量b不大于钢板复层厚度的50％，且不大于2mm。

4.3.1 纵焊缝对口错边量

纵缝的对口错边主要是由于卷板时压头预弯成形不好，组对时不认真或定位焊不牢固造成的。若预弯成形良好，组对时两直边基本在同一水平面，用直尺或角尺将两边卡平就可将纵缝的对口错边控制在0．5 mm以内，若预弯成形不好，两直边面形成棱角，不但错边量不好控制，而且在焊后校圆时不易消除棱角度。另外，如果定位焊焊缝太短，间距过大，由于其强度不够，在焊接收缩变形过程中错边量就会增大。在卷制筒体时，要注意两端头的下压量，必要时使用工卡具组对，则两直边面就会基本调整到一个平面上。纵缝定位焊的长度不小于50mm，间距为250～350mm，焊后错边量基本无变化。只要预弯成形良好，组对认真，定位焊牢固，那么焊后纵缝的对口错边量，比GBl50—98规定的还小。

4.3.2 环焊缝的对口错边量

影响环缝对口错边量的主要因素由筒体周长偏差、圆度和纵缝环向棱角度。

在组对环缝之前，应利用公式：（实际外周长/π-设计外径）/2，计算出错边量，如果超过标准要求，则只能对纵缝进行整改，调整筒体周长。若在标准范围内，则采取均匀错边的方法来保证环缝错边量。由于筒体存在圆度，两简体组对时其两端面会出现偏差情况，在组对检查中视具体情况应采取适当的预防措施，应采用卧式V型胎具组对筒体。

筒体纵缝环向棱角度的存在对环缝错边量的影响较大。GBl50—98规定错边量b=1/4δs，允许棱角度E=(δs/10+2）mm。若两筒体除棱角部分以外，其余部位都组对得很好，错边量b=0，则由棱角部位引起的最大错边量b3max=[E]，若要其符合标准要求，则b3max=[E]≤[b]，即2+δs/10≤δs/4，经计算得δs≥13．3 mm．所以，对6≤δs≤12．0 mm的薄壁筒体，其允许棱角度较允许错边量大。所以筒体上有符合标准要求的棱角度时，环缝错边量不一定能满足标准要求。在实际制造过程中，为了减小由纵缝环向棱角度引起的错边量，采取优先保证纵缝环向棱角度的方法，将最大误差减小并分散至周围。可以使用斜铁打尖的办法来减小，但要注意工卡具与筒体接触部分的材质与筒体本身是否一致，工卡具点焊是否牢固。

综上所述，筒体纵缝的对口错边量较易控制，环缝的对口错边量较难控制，由筒体周长偏差引起的环缝错边量b1max较小，但很难消除；由筒体圆度引起的错边量b2max虽然较大，但经过仔细调整或借助工装卡具等可以减小或消除；由筒体纵缝环向棱角度引起的环缝错边量b3max最大，对δs=6～12mm的容器筒体，由符合标准要求的棱角度引起的错边量可能会超标，所以对超标的部位只能采取强制变形预防措施。

4.4筒体棱角度的控制

简体棱角度分为纵焊缝的环向棱角度和环焊缝的轴向棱角度。棱角度的

存在会使筒体不连续而增加局部应力，如容器承载运行时会产生附加弯曲应力，对耐腐蚀设备可能会引发应力腐蚀破裂。因此，GBl50--98第lO.2.4.2条指出：“在焊接接头环向形成的棱角E，用弦长=1/6内径且不小于300mm 的内样板或外样板检查，其E值不得大于(δs/10+2）mm，且不大于5mm”。

4.4.1 环向棱角度

环向棱角度的形成主要与筒体板头预弯角度、内焊缝余高和焊缝坡口形式及焊接工艺有关。实践证明，筒体板头预弯不好，组对纵缝时可能会形成外凸的棱角或内凹的棱角，焊后用三辊卷板机校圆时对前者不易校圆，对后者可以用中间辊适当下压来改善或消除，但下凹量过大时，焊缝两侧的最高部位的曲率较大，相当于外凸的棱角，也不易校圆。因此，最好组对成水平的状态，这样不但错边量容易控制，校圆后的棱角度也较小。预弯的方法主要有卷板机预弯和冲压预弯，较薄钢板的预弯可以在两下辊的上面搁置一块由厚钢板制成的预弯模，将钢板的端部放入预弯模中，再依靠上辊压弯成型。较厚钢板的预弯可预留直边，压弯成型后将直边切除再卷圆。预留直边量不小于两倍的板厚。内焊缝余高对筒体棱角度的影响，主要表现为：在筒体校圆过程中由于内焊缝对中间下压辊的支撑作用，使纵缝部位下压量增大，从而形成外凸的棱角。当内焊缝余高<1.0mm时，影响不大，若内焊缝余高大于2.0mm，则筒体校圆后的环向棱角度大多不能满足标准要求，需借助于其他办法，如用砂轮机打磨来减少其棱角度，这样增加了工人的劳动强度。因此对内焊缝余高大于1.5mm的简体，先将其内焊缝打磨至与母材齐平，然后校圆。同时也可以考虑将外V形坡口改为内V形坡口，也可考虑先焊里口，然后焊外口。如果内焊缝余高不大于1.0mm，在校圆的过程中可对焊接内角变形起一定的改善作用，不致于引起明显的外棱角，所以可不打磨。

4.4.1 轴向棱角度

（1)焊接角变形对筒体轴向棱角度的影响

焊接较薄筒体时易产生轴向棱角度。

环缝的焊接角变形由两个因素引起：一是焊缝的横向收缩变形在板厚方向上分布不均所引起的弯曲应力导致的角变形；二是焊缝的环向收缩引起的长向缩小变形。结果出现所谓的“卡腰”现象。

坡口形式对筒体环缝焊接角度变形的影响最大，焊道层数的影响较小一些。因此，为了减小焊接环缝时在筒体轴向形成的棱角度，建议低温容器筒体环缝坡口采用单面内V形坡口。这样可使环焊缝的横向收缩和环向收缩引起的角变形互相抵消一部分。

(2)环缝对口错边量引起的轴向棱角度

控制筒体环缝对口错边时需要将局部超标部位用工卡具矫形，使其产生局部变形，造成该部位边缘下塌或上翘，从而形成轴向棱角。为了控制轴向棱角度，关键是控制组对之前筒体的圆度和环向棱角度。限于目前的工装设备，用三辊卷板机校圆后的筒体圆度和棱角度不可能很小，因此最好在组对时先仔细调整，使两筒体自然组对形成的错边量尽量小一些，然后对错边量较大的部位采取矫形措施。但因下塌变形后减小的错边量不能使该部位的轴向棱角度随之减小。

综上所述，筒体纵缝环向棱角度的关键控制工序或因素是预弯组对，其次是内焊缝余高及焊接角变形。环缝轴向棱角度的关键控制因素是焊接角变形，其次是对口错边及下塌量，环缝对口间隙偏差对环缝轴向棱角度的影响很小。

4.5 筒体直线度的控制

筒体组对不直时会在其轴向造成附加弯曲应力，另外还不利于筒体内件的安装。

直线度要求：

一般容器：L≤30000mm 直线度≤L/1000mm

L>30000mm 直线度按塔器

塔器：L≤15000mm 直线度≤L/1000mm

L>15000mm 直线度≤0.5L/1000+8mm

4.6环缝对口间隙对筒体直线度的影响

与形成轴向棱角度一样，如果两筒体的中心线没有对一致，形成夹角，则存在对口间隙偏差△a，所以，在间隙最大和最小的两筒体轴向也形成最大直线度△L1max．考虑筒体组对最差的情况，即几个筒体组对时其环缝最大、最小间隙出现在筒体同一母线上，形成弯曲状态。但在实际组对过程中，筒体之间的中心线是否一致很难测量，所以优先保证筒体直线度，而不把对口间隙放在第一位。只有在下料、卷板没有任何偏差的情况下，对口间隙才能作为筒体直线度的参考。

4.7 筒体圆度和轴向棱角度对简体直线度的影响

筒体存在圆度时，可使筒体直线度增大。由于筒体组对时，其最大和最小直径所处的位置是随机的，选择测量位置时，又有些随机性，因此同一筒体由于其圆度的影响，测量位置不同时，测得的直线度就不同。为了很好地控制简体的直线度，应该多测几个部位，一般对称测量四个部位。筒体环缝棱角度对筒体直线度的影响与圆度的影响相似，也有其随机性。此外，在筒体组对点焊时由△a引起的轴向棱角度E1与引起的直线度△L同时存在；错边、下塌变形和焊接环缝等以后形成的棱角度E2有多大，筒体直线度可能会

在原有数值上增大相应的值，即△L2max=△L=E2。实际上筒体轴向棱角度是控制筒体环缝附近直线度的，若轴向棱角度控制的较小，那么筒体的直线度也就较小。

综上所述，控制筒体直线度的关键环节是在筒体组对，卧式组对一般采用V型组对工装、H型钢等胎具进行组对。组对筒体时优先保证其整体直线度，对于筒体圆度和轴向棱角度引起的局部筒体直线度超标要有正确的认识，局部超标时可以通过矫形来缩小，但不能影响筒体整体直线度。对于长度较长的塔器类设备，可以采取分段组对，逐段控制的办法来保证设备整体直线度。筒体圆度对筒体直线度的影响也要加以重视，可以减少组对时的工作量；而环缝轴向棱度对筒体的直线度的影响较小。

5、塔体开孔及接管组装

5.1 在塔体外表面按0°、90°、180°、270°划出四条中心线和最下部一节筒节水平检查线，从顶部到底部打上粉线，以外表面四条中心线和最下部一节筒节的水平检查线为基准，按管口方位图和管口标高划出开孔位置和开孔尺寸。管口标高允许偏差为±5mm（自底面算起），方位允许偏差为±5mm（按外径弧长测量）。

5.2 确认划线无误后，按图样要求的坡口型式进行切割，坡口表面及其内外边缘50mm范围内（包括接管）去污除锈。

5.3 接管与法兰焊接后，再组焊于塔体上，组装接管时要保证法兰面的水平或垂直，其允许偏差不得超过法兰外径的1%（法兰外径小于100mm时，按100mm计算），且不得大于3mm。

5.4 对采用法兰连接的筒体，距法兰端面700mm范围内有大接管或焊接

件时，为防止法兰密封面的变形，应将接管、补强圈或焊接件与塔体焊好，然后将设备法兰与塔体进行组装、点焊固定，拧紧联接螺栓后再进行焊接。允许时优先安排各件组焊后密封面的二次加工。

6、塔盘的制造与组装

6.1塔盘制造按JB/T1205《塔盘技术条件》中的有关要求执行。

6.2塔盘的组装

6.2.1塔盘必须在塔体外进行予组装，组装完成后，做好标记、拆分、包装，以零部件形式出厂。

6.2.2板式塔盘的安装必须在塔体就位后进行，严禁塔体卧置装配。

6.2.3设备就位后将各筒节中心线引入塔体内并划出四条中心线，检查各中心线是否等距，并作出筒节的基准环线，基准环线应位于最下部一节筒节上且距筒体下端面50mm处。

6.2.4以塔内的中心线及基准环线为准，按图样尺寸和方位划出支撑圈、降液板、受液盘等部件的组装线，经校对、检查无误后方可组对。

6.2.5根据组装线依次将上述各部件装于塔内，施焊时要防止变形，对已变形的部件要进行校形，支撑圈与塔体焊接后，支撑圈上表面的水平度偏差F应符合表1的规定，且支撑圈上表面在300mm弦长范围内的局部不平度不得超过1mm。焊后校平时不得用锤直接打在支撑圈上而应垫以平锤或铜垫。

表2 单位：mm

6.2.6相邻两层支撑圈间距S的偏差不得超过±3mm，任意两层支撑圈间距允差在20层内不得超过±10mm。

7、裙座组装

7.1裙座的制造按筒体的各项要求进行，但要注意塔体与下封头的尺寸配合关系，底板上地脚螺栓孔中心圆直径允差、相邻两孔弦长允差和任意两孔弦长允差应符合图样要求。

7.2在塔体上组装裙座时，要以塔体最下部一节筒节与封头环焊缝上50mm 处划线为基准面，使基础环下端面到基准面沿圆周的距离符合表4中第4条要求。

8、分段长距离运输的长塔组装

8.1由于运输的限制，对于长度超限的塔体应分段发运，其分段部位以图样及合同为准，塔节除执行整体塔组焊工艺外，分段端面不平度应不大于1/1000Di，且不大于2mm，且分段处的外圆周长偏差应符合表3的规定。

表3 单位：mm

8.2与分段处相邻的塔盘支撑圈、受液盘、降液板等均应进行点焊，以利现场组焊。

8.3敞口端面应以扁钢圈加固，以防变形。

8.4分段交货的塔器，应进行予组装，尺寸公差应符合JB/T4710的要求。

8.5现场组焊的B类接头坡口应在组焊前加工、检验、清理，并在坡口表

面及其内、外边缘50mm范围内涂可焊性防锈涂料。

8.6为防止焊接变形影响对接B类接头的组装，在距分段端面1500mm范围内的人孔和大接管的开孔及组焊，应在对接B类接头焊后进行。

8.7现场组焊的对接接头（A、B类焊接接头），应按设计文件规定进行无损检测，并在耐压试验后，对A、B类焊接接头表面进行局部磁粉或者渗透检测。检测长度不得少于各条焊接接头长度的20%。

8.8现场组装的焊接接头若需要热处理，应在设计图样中注明。

9、塔器的成品检验

9.1.1塔器的基准面是最下节筒节与封头环焊缝以上50mm处。

9.1.2基准面的0°、90°、180°、270°各点在容器壳体外侧应打上标记，标记用油漆或红、蓝记号笔划线显示。

9.2塔体外形尺寸偏差按表4的规定。

10、热处理

热处理按施工图样要求执行。需要进行整体热处理的塔器，热处理前应将所有与塔体连接件（包括梯子、平台连接件、保温圈、防火层的固定件、

表4塔器外形尺寸允许偏

吊耳等）焊于塔体上，热处理后不得再在塔体上施焊。热处理规范执行《压力容器热处理工艺规程》。

11、压力试验

压力试验依据图样规定立置或卧置进行。并执行《压力容器耐压试验和泄露试验工艺规程》。

12、油漆、包装和运输

除图样另有规定外，必须严格执行《产品油漆、包装和运输工艺规程》