第二节 压力容器结构设计

过系数K来体现平盖周
边的支承情况，K值越 小,平盖周边越接近固支； 反之就越接近于简支。
形等。
焊接接头
一、焊接接头形式 对接接头 焊接接头形式 角接接头及 T字形接头 搭接接头
（a）对接接头； （b）角接接头； （c）搭接接头 图2-8 焊接接头的三种形式
1．对接接头
结构： 特点： 两个相互连接零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。 受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容 易得到保证。
之间的纵焊缝应相 互错开75°。 筒节的长度视钢板的
宽度而定，层数则随
所需的厚度而定。
一、多层包扎式(续)
图2-1 多层包扎筒节
一、多层包扎式(续)
3、优点： 制造工艺简单，不需大 型复杂加工设备； 安全可靠性高，层板间 隙具有阻止缺陷和裂纹 向厚度方向扩展的能力； 减少了脆性破坏的可能 性； 包扎预应力改善筒体的 应力分布； 对介质适应性强，可选 择合适的内筒材料。 4、缺点： 筒体制造工序多、周期长、效率 低、钢材利用率低（仅60%左 右）； 深环焊缝对制造质量和安全有显 著影响。 ①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 线检测；②焊缝部位存在很大的焊 接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗 大而韧性下降；③环焊缝的坡口切 削工作量大，且焊接复杂。
五、锥形封头
无折边锥壳
轴对称锥壳
折边锥壳 特点：结构不连续，应力分布不理想
排放固体颗粒和悬浮或粘稠液体 应用 不同直径圆筒体的中间过渡段 中、低压 容器
（a）无折边锥壳； （b）大端折边锥壳； 图2-7 锥壳结构形式
（c）折边锥壳
平盖
理论分析： 以圆平板应力分析 为基础，分为周边 固支或简支； 几何形状： 圆形、椭圆形、长 圆形、矩形及正方 工程计算：采用圆平板理论 为基础的经验公式，通 实际上：介于 固支和简支之间；
四、球冠形封头 （4）球冠形封头——球冠形封头可用作 端封头，也可以用作容器中两独立受 压室的中间封头，由于封头为一球面 且无过渡区，在连接边缘有较大边缘 应力，要求封头与筒体联接处的T形 接头采用全焊透结构。 任何情况下，与球罐型封头连接 的圆筒厚度应不小于封头厚度。否则， 应在两者之间设加强段过渡连接。加 强段的厚度应与封头等厚。 碟形封头当r=0时，球面与筒体直接连接，如图2-6（d）所示 优点： 缺点： 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。 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。
一、半球形封头 半球形封头为半个球壳，如图2-6(a)所示。
1.受内压的半球形封头
优点 薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，最理想的结构形式。 深度大，直径小时，整体冲压困难，
缺点
应用
大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。
高压容器。
二、椭圆形封头
二、椭圆形封头（续） （2）椭圆形封头——椭圆形封头是个半椭球体。它的
第二章 设 计
第二节 结构设计
一、压力容器的结构
单层式
整 体 结 构
多层式 绕板式 型槽绕带式
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。
端部法兰
底封头
图2-5（c） 扁平钢带倾角错绕式筒体
五、绕带式（续）
结构：
内筒厚度约占总壁厚的1/6～1/4， 采用 “预应力冷绕”和“压棍预弯贴紧”技术， 环向15°～30°倾角在薄内筒外交错缠绕扁平钢
带。 钢带宽约80～160mm、厚约4～16mm，其始末 两端分别与底封头和端部法兰相焊接。
优点： 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 靠性高、在线安全监控容易等优点。
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(见图2-5 （b）)，缠绕层能承受一部分由内压引起的轴向力。
五、绕带式（续）
双锥面垫片
焊缝
缩套环
（a）
（b）
图2-5 （a）型槽绕带式筒体 （b）型槽钢带结构示意图
五、绕带式（续）
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， 在内压作用下，筒壁应力分布较均匀。
组合式
一、多层包扎式
1、结构： 深环焊缝
内层——12～25mm 筒节
外层——4～12mm的多层层板 2、制造： 用装置将层板逐层、同心地 包扎在内筒上； 借纵焊缝的焊接收缩力使层 板和内筒、层板与层板之间 互相贴紧，产生一定的预紧 力； 筒节上均开有安全孔——报 警。
筒体
为避免裂纹沿壁厚
方向扩展，各层板
2.封头
压力容器封头，常见的形式有凸形封头（包括半球形封头、 椭圆形封头，碟形封头、球冠形封头）、锥形封头、变径段、平 盖等 。 半球形封头
椭圆形封头 凸形封头
锥壳 封头种类 变径段 平盖 碟形封头 球冠形封头
紧缩口
a.半球形封头
b.椭圆形封头
c.碟形封头
d.球冠形封头
2-6 常见容器封头的形式
3．搭接接头
结构：
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。
特ห้องสมุดไป่ตู้：
属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不 连续，承载后接头部位受力情况较差。
应用：
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。
二、坡口形式 焊接坡口—— 为保证全熔透和焊 接质量，减少焊接 变形，施焊前，一 般将焊件连接处预 先加工成各种形状。 不同的焊接坡口， 适用于不同的焊接 方法和焊件厚度。 组合形状 坡口形状 基本坡口形状
二、椭圆形封头（续）
由半个椭球面和短圆筒组成。
直边段作用： 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。
应用：
中、低压容器。
(1) 受内压（凹面受压）的椭圆形封头 受力：薄膜应力＋不连续应力。
• 三、碟形封头 （3）碟形封头——碟形封头又称带折边的球形封头。 它由几何形状不同的三个部分组成：第一部分是以半 径为Ri的球面部分，第二部分是以半径为Di/2的圆筒 形部分，第三部分是连接这两部分的过渡区，其曲率 半径为r。 • 在碟形壳体边缘为周向压应力，为了使这部分壳体不 致于失稳，GB150-1998中规定对于Ri=0.9Di、 r=0.17Di的碟形封头（原标准碟形封头），其有效厚 度应不小于封头内直径的0.15%。其他碟形封头的有 效厚度应不小于0.30%Di。
底封头 端部法兰 图2－4 整体多层包扎式厚壁容器筒体
五、绕带式
以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁 型槽绕带式 两种结构 扁平钢带倾角错绕式 (1) 型槽绕带式 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2-5（a），内筒外表面上预先加
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，绕制后依次
纵剖面是条半椭圆曲线。曲线的曲率半径连续变化， 没有形状突变处。直边段高度为h。因而封头的应力 分布比较匀称，受力状况比碟形封头优越。我国规定 的标准椭圆形封头，长径与高度之比为2.0。这样， 封头和与它相连接的圆筒体就可以采用相同的材料和 相等的壁厚，组焊比较方便。近期制造的锅炉与压力 容器，大部分都采用椭圆形封头。
筒体要有较准确的过盈量，
卷筒的精度要求很高，且套 合时需选配套合；
套合时贴紧程度不很均匀；
套合后，需热处理以消除 套合预应力及深环焊缝的焊
接残余应力。
三、绕板式 1、结构：由内筒、绕板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。 2、制造：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3～5mm厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道 纵焊缝，需要2个楔形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆 或三块“瓦片”制成。 3、优点：机械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可达 90%以上）。 4、缺点：中间厚两边薄，累积间隙。 图2－3绕板式
应用：
最常用的焊接结构形式。
2．角接接头和T型接头
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
某一角度进行焊接的接头。两构件成T字形焊接在一起 的接头，叫T型接头。角接接头和T字接头都形成角焊 缝。 特点： 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。 应用： 某些特殊部位：接管、法兰、夹套、管板和凸缘的焊 接等。
•五、锥形封头 （6）锥形封头——锥形封头实 际上是一段锥形圆筒体。锥形 封头可以与容器的圆筒体直接 焊接，称为无折边的锥形封头； 也可以用过渡圆弧部分（俗称 折边）与圆筒体焊接连接。称 带折边锥形封头。 • 对于轴对称的锥形封头大端， 当锥壳半顶角α≤30℃时，可以 采用无折边结构；α＞30℃时， 应采用带过渡段的折边结构。 对于锥形封头小端，当锥壳半 顶角α≤45℃时，可以采用无折 边结构；α＞45℃时，应采用带 过渡段的折边结构。
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
互啮合，需采用精度较高的专用缠绕机 床。
五、绕带式（续） （2）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 ASME Ⅷ-1和ASME Ⅷ-2标准的规范案例，编号分别 为 2229和2269。 内筒
钢带层
四、整体多层包扎式 1、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： 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 焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。 3、优点：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。 内筒 包扎层板
三、碟形封头 结构 带折边球面封头，由半径为Ri的球面体、半径为r的 过渡环壳和短圆筒等三部分组成，见图2-6（c）。 优点 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。 缺点
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 部位，故受力状况不佳。
5、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 筒体结构。
二、热套式 1、结构，制造： 内筒（厚度> 30mm）卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节， 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 贴合的厚壁筒节。
图2-2 热套筒节
二、热套式(续)
3、缺点： 2、优点： 工序少，周期短，且具有 包扎式筒体的大多数优点。
结构设计遵循的原则
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 相互错开，避免高应力叠加 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
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 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 缝的布置应尽量避免或减小复合应力和 应力集中； 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； 容器的结构应便于安装、检修和清洗
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。
（1）球形封头——半球形封头由球壳的一半作成。 与其他形状的封头相比，封头壳壁在压力作用 下产生的应力最小， 因此它所需要的壁厚最薄， 用材节省。但半球形封头深度大、制造比较困 难，尤其对加工设备条件较差的中小型设备制 造厂困难更大。而对于大直径（Di＞3m）的半 球形封头可用数块钢板在大型水压机成型后拼 焊而成。半球形封头还用于高压容器上代替平 封头，以节省钢材。
热套式
锻焊式
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
a)单层卷焊： b)锻焊结构：总结了整体锻造和单层卷焊容器的优 点，进行了有机的结合。质量 好，适用于重要场 合，如核工业、加氢反应器等。
整体锻造
水晶釜
优点——简单 单层式 整体结构 缺点—— ①深环、纵焊缝，焊接 缺陷检测和消除困难； 且结构本身缺乏阻止裂 纹快速扩展的能力； ②大型锻件、厚钢板性 能比薄钢板差，不同方 向力学性能差异大，韧 脆转变温度较高，发生 低应力脆性破坏的可能 性也较大； ③加工设备要求高。