压力容器的基本结构设计

1.基本结构

压力容器最基本的结构是一个密闭的壳体，其结构多种形式，最常见的结构为圆柱形、球形和锥形三种，如图1-1所示。

图1－1　典型压力容器的结构形式

a）圆柱形；b）球形；c）圆锥形

根据受力壳体的应力分布，受压容器最适宜的形状应为球形。因为当容器的容积一定时，球体的表面积最小，在相同压力下它的壁厚最小，因而用料最省；但它制造相当困难，成本也较高。如果是反应容器，球形既不便于安装内部装置，也不利于内部相互作用的介质流动，故球形容器并不能普遍取代其他类型的容器。

以圆柱形容器压力容器为例，其结构由简体、封头、法兰、人孔、接管、支座6个部分组成。

（1）简体　简体是压力容器最主要的组成部分，与封头或端盖共同构成承压壳体，是储存物料或完成化学反应所需要的压力空间。常见的是圆筒形筒体，其形状特点是轴对称，圆筒体是一个平滑的曲面，应力分布比较均匀，承载能力较强，且易于制造，便于内件的设置和装拆，因而获得广泛的应用。根据GB/T 9019-2015《压力容器公称直径》的规定，为便于成批生产，简体直径按表1-1、表1-2中所示的公称直径选用（带括号的尺寸应尽量不采用）。对焊接简体表中公称直径是指它的内径，而用无缝钢管制作的简体，亦可参考表2-5。

表1－1　压力容器公称直径（以外径为基准）　（单位:mm）

表1－2　压力容器公称直径（以内径为基准，部分）　（单位:mm）

　　圆柱形筒体按其结构又可分为整体式和组合式两大类。

（2）封头　与简体焊接连接而不可拆的，称为封头；与简体及法兰等连接而可拆的则称为端盖。封头按形状可以分为3类，即凸形封头、锥形封头和平板封头。

1）凸形封头。有半球形、椭圆形、碟形和无折边球形等封头。

①半球形封头。半球形封头实际上是一个半球体，在相同直径和相同压力下，所需板厚最小。但因其深度大（与半径相同），整体压制困难。

②椭圆形封头。椭圆形封头由半椭球体及圆筒体（即直边）两部分组成。由于其曲率半径连续变化，没有形状突变，受力情况仅次于半球形封头，制造较球形封头容易。标准椭圆形封头的深度为直径的1/4（即D/2h＝2），椭圆形封头是目前压力容器使用最普遍的一种。如图1-2所示。

图1－2　椭圆形封头

a）以内径为基准　类型代号EHA；b）以内径为　基准类型代号EHB

③碟形封头。碟形封头又称带折边球形封头。它由几何形状不同的3个部分组成，中央为球面，与简体连接的部分为圆筒体，球面体与圆筒体用过渡圆弧体连接。因过渡圆弧半径远小于球体半径，故其受力状况较上述两种封头差，通常用于压力较低、直径较大的容器。如图1-3所示。

④无折边球形封头。无折边球形封头是一块深度较小的球面体，结构简单、制造方便。但它与简体连接处其形状突变而存有很高的局部应力，故适用于直径较小、压力较低的容器上。如图1-4所示。

图1－3　碟形封头　类型代号DHA、DHB

图1－4　无折边球形封头　类型代号PSH

2）锥形封头。介质中含有颗粒状、粉末状物质或为黏稠液体的容器，为便于物料汇集及卸料，容器底部常采用锥形封头。锥形封头有带折边锥形封头和无折边锥形封头两种。如图1-5所示。

图1－5　椭圆形封头

a）折边锥形封头　类型代号CHC；b）无折边锥形封头　基准类型代号CHA CHB

3）平板封头。平板封头受力时强度最低，相同直径、相同压力下所需的厚度最大，除用做人孔盖及一些高压容器外，一般很少采用。

（3）法兰　由于生产工艺需要和安装检修的方便，不少容器需采用可拆的连接结构，如压力容器的端盖与简体之间，接管与管道之间的连接，通常采用法兰结构。法兰通过螺栓、楔口等连接件压紧密封件保证容器的密封。故法兰连接是由法兰、螺栓、螺母及密封元件所组成的密封连接件。

法兰按照所连接的部件可分为容器法兰及管道法兰。前者用于容器的端盖与简体连接；后者用于接管（管道）与管道之间的连接。法兰按其密封面形式又可分为平面法兰、凹凸面法兰及榫槽面法兰。(www.xing528.com)

密封面组合形式如下:

1）强制密封。强制密封是通过紧固端盖与简体法兰之间的连接螺栓或接管与管道法兰之间的连接螺栓等强制方式将密封面压紧，从而达到密封目的。

2）自紧密封。自紧式密封是利用容器内介质的压力使密封面产生压紧力来达到密封目的。它的密封力随着介质压力的增大而增大，因而在较高的压力下也能保证可靠的密封性能，如组合式密封、O形环密封、C形环密封、楔形密封、八角垫和椭圆垫密封。

（4）接管　为适应压力容器安全运行及工艺生产的需要而设置于封头（端盖）及简体上，用于介质的进出、安全附件的安装等。常用的接管有3种形式，即螺纹短管、法兰短管与平法兰接管。

（5）人孔　根据容器的结构、介质等情况，应设置人孔或手孔等检查孔，供容器定期检验、检查或清除污物用。人孔和手孔按其形状可分为圆形及椭圆形两种，按其封闭形式可分为外闭式及内闭式两种，其结构如图1-6所示。

图1－6　人孔

a）内闭式人孔；b）外闭式人孔

（6）支座　支座是用于支承容器质量并将它固定在基础上的附加部件，支座的结构型式决定于容器的安装方式、容器质量及其他载荷，一般分为3大类:即立式容器支座、卧式容器支座及球形容器支座。常用的立式容器支座有悬挂式支座（耳式支座）、承式支座、裙式支座及腿式支座其结构如图1-7所示。其中裙式支座主要用于高大的直立或球形容器。

图1－7　压力容器（立式）支座

a）耳式支座；b）、c）承式支座；d）裙式支座；e）腿式支座

卧式容器支座的结构型式主要有鞍式支座、圈座、承式支座等，承式支座适用于小型容器，大中型容器常用鞍式支座。

2.特点

（1）球形容器　球形容器的本体是1个球壳，通常采用焊接结构，由于球形容器一般直径都较大，因而大多由许多块预先按一定尺寸压制成形的球面板拼焊而成。受力时其应力分布均匀，在相同的压力载荷下，球壳体的应力仅为直径相同的圆筒形壳体的1/2。综合面积及厚度的因素，球形容器与相同容积、工作压力的圆筒形容器相比，可节省材料30%-40%。

球形容器制造复杂、拼焊要求高，故广泛用作大型储罐。

（2）圆筒形容器　圆筒形容器因其几何形状特点是轴对称，外观没有形状突变，因而受载应力分布也较为均匀，承载能力较强，与球形容器相比，受力状态虽不如球形容器，但制造方便，质量易得到保证，工艺内件易于安排装拆，故圆筒形容器是目前使用最广泛的一种。

（3）锥形容器　一般是由锥形体与圆筒体焊接而成的组合结构，这类容器在锥形体与圆筒体结合部仍存在较大局部应力，故这类容器通常因生产工艺有特殊要求时采用。