第四章、化工压力容器焊接结构4.1化工压力容器的分类4.1.1化工压力容器的定义压力容器一般是指在工业生产中用来完成反应、传热、传质、分离、贮存等工艺过程，并承受0．1MPa表压以上压力的密闭容器。

《特种设备安全监察条例》中明确指出压力容器的定义为：压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa·L的气体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器；盛装公称工作压力大于或者等于0.2MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于1.0MPa·L的气体、液化气体和标准沸点等于或者低于60℃液体的气瓶、氧舱等。

4.1.2化工压力容器的分类1.按用途分类压力容器按用途分为反应容器(代号R)、换热容器(代号E)、分离容器(代号S)和储运容器(代号C)。

(1)反应容器（R)主要用来完成工作介质的物理、化学反应的容器称为反应容器。

如：反应器、分解锅、蒸球、发生器、聚合釜、合成塔、变换炉等。

(2)传热容器(E)主要用来完成介质的热量交换的压力容器称为传热容器。

如：热交换器、冷却器、加热器、硫化罐等。

(3)分离容器(S)主要用来完成介质的流体压力平衡、气体净化、分离等的容器称为分离容器。

如：分离器、过滤器、集油器、缓冲器、洗涤塔、铜洗塔、干燥器等。

(4)储运容器(C)主要用来盛装生产和生活用的原料气体、液体、液化气体的容器称为储运容器。

如：储槽、储罐、槽车等。

2.按压力分类按照设计压力的大小，压力容器可分为低压、中压、高压和超高压4类。

其划分界限见表1对气瓶而言，设计压力P<12.25MPa为低压，P≥12.25MPa为高压。

(1)低压容器(代号L) 0.1MPa≤P＜1.6MPa；(2)中压容器(代号M) 1.6MPa≤P＜10MPa；(3)高压容器(代号H) 10MPa≤P<100MPa；(4)超高压容器(代号U) p≥100MPa。

3.按制造方法分分为焊接容器、锻造容器、热套容器、多层包扎式容器、绕带式容器、组合容器等。

4.按制造材料分分为钢制容器、有色金属容器、非金属容器等。

5.按几何形状分分为圆筒形容器、球形容器、矩形容器、组合式容器等。

6.按安装方式分分为立式容器、卧式容器等。

7.按受压情况分分为内压容器、外压容器等。

8.按操作温度分(1)低温容器(t≤－20℃)；(2)常温容器(t＞－20～150℃)；(3)中温容器(t≥150～450℃)；(4)高温容器(t≥450℃)。

4.2压力容器的结构型式压力容器的结构形式是多种多样的，它是根据容器的作用、工艺要求、加工设备和制造方法等因素确定的。

最常见的是圆筒形容器和球形容器。

容器的结构是由承受压力的壳体、连接体、密封元件和支座等主要部件组成。

此外，作为一种生产工艺设备，有些压力容器，如用于化学反应、传热、分离等工艺过程的压力容器，其壳体内部还装有工艺所要求的内件。

因为内件不直接影响压力容器强度，这里不作介绍。

4.2.1 压力容器的结构形式一、球形容器球形容器的本体是一个球壳，通常采用焊接结构，由于球形容器一般直径都较大，难以整体成形，大多由许多块预先按一定尺寸压制成型的球面板拼焊而成。

球形容器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，即如果容器的直径、工作压力、制造材料相同时，球形容器所需的计算壁厚仅为圆筒形容器的1／2，另外，相同的容积，球形的表面积最小。

综合面积及厚度的因素，故球形容器与相同容积、工作压力、材料的圆筒形容器相比，可节省材料30%～40%。

球形容器制造复杂、拼焊要求高，而且作为传质、传热或反应的容器时，因工艺附件难以安装，介质流动困难，故广泛用作大型贮罐；也可用作蒸汽直接加热的容器，可以节省隔热材料，减少热量损失，如造纸行业用于蒸煮纸浆的蒸球。

二、圆筒形容器圆筒形容器的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均匀，承载能力较高，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，可用作任何用途的容器。

与其他形式容器相比，受力状态要理想得多。

故圆筒形容器是目前使用最广泛的一种压力容器。

三、箱形容器箱形结构容器分为正方形结构及长方形结构两种。

由于其几何形状突变，应力分布不均匀，转角处局部应力较高，所以这类容器结构不合理，较少使用。

一般仅用作压力较低的容器，如蒸汽消毒柜及化纤设备的加热箱体。

四、锥形容器单纯的锥形容器在工程上很少见，其连接处因形状突变，受压力载荷时将会产生较大的附加弯曲应力。

一般使用的是由锥形体与圆筒体组合而成的组合结构。

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，锥形体作为收缩器或扩大器以逐渐改变流体介质的流速，或者作为锥底以便于粘稠、结晶或固体物料排除。

4.2.2 压力容器的组成压力容器的结构一般比较简单，主要由一个能承受一定压力的壳体及必要的连接件、密封件和内件构成。

另外，由于各种工艺用途不同，有时还需配置相应的工艺附件，但这些附件一般不承受介质的压力，对容器安全影响很小，故只是作为附件。

常见压力容器一般由筒体、封头（管板）、法兰、接管、人（手）孔、支座等部分组成。

一、筒体筒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，是贮存物料或完成化学反应的压力空间。

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，承载能力较高，且易于制造，便于内件的设置与装拆，因而获得广泛应用。

筒体直径较小时（一般＜500mm），可用无缝钢管制作，直径较大时，可用钢板在卷板机上先卷成圆筒然后焊接而成。

随着容器直径的增大，钢板需要拼接，因而筒体的纵焊缝条数增多。

当筒体较长时，因受钢板尺寸的限制，需将两个或两个以上的筒节组焊成所需长度的筒体。

为便于成批生产，筒体直径的大小已标准化，可按下表中所示的公称直径选用（带括号的尺寸尽量不采用）。

对焊接筒体，表中公称直径是指它的内径，而用无缝钢管制作的筒体，表中公称直径是指它的外径。

圆柱形筒体按其结构又可分为整体式和组合式两大类。

二、封头与端盖凡与筒体焊接连接而不可拆的，称为封头；与筒体及法兰等连接而可拆的则称为端盖。

对于组装后不再需要开启的容器，如无内件或虽有内件而不需要更换、检修的容器，封头和筒体采用焊接连接形式，能有效地保证密封，且节省钢材和减少制造加工量。

对于需要开启的容器，封头（端盖）和筒体的连接应采用可拆式的，此时在封头和通体之间必须装置密封件。

封头按形状可以分为三类，即凸形封头、锥形封头和平板封头。

㈠凸形封头凸形封头有半球形、碟形、椭圆形和无折边球形封头。

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。

但其深度大（与半径相同），整体压制困难，通常直径较大的半球形封头由几块形状相同的球面板及顶部中心的一块圆形球面板（球冠）组焊而成，且对组焊要求高，因而除用于压力较高、直径较大的贮罐及其他有特殊要求的容器外，一般较少采用。

2、椭圆形封头椭圆形封头由半球体及圆筒体（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。

制造较半球形封头容易。

椭圆形封头的深度决定于椭圆形的长轴与短轴之比（即封头直径D与深度的两倍2h之比），深度愈大受力情况愈好，但加工也愈困难。

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。

3、碟形封头碟形封头又称带折边球形封头。

由几何形状不同的三个部分组成，中央为球面，与筒体连接的部分为圆筒体，球面体与圆筒体用过度圆弧（即折边）连接。

因过度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，通常只用于压力较低，直径较大的容器。

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。

但在它与筒体的连接处由于形状突变而存在很高的局部应力，故只适用于直径较小、压力较低的容器上。

㈡锥形封头介质中含有颗粒状、粉末状物质或为粘稠液体的容器，为便于物料汇集及卸料，容器底部常采用锥形封头，有时为保证气体介质在容器中均匀分布或改变流体流速，也采用锥形封头。

锥形封头有带折边和无折边两种。

无折边锥形封头是一段圆锥体，圆锥体与圆筒体直接连接造成形状突变而引起局部应力过高，故仅适用于压力较低且半径锥角小于300的场合。

带折边的锥形封头是在锥体与圆筒体之间有一圆弧折边，可以降低局部应力，带折边锥形封头的半锥角一般不大于450。

标准带折边锥形封头的半锥角有300及450两种，过度圆弧曲率半径与封头直径D之比值为0.15。

㈢平板封头平板封头受力时强度较低，相通直径、相同压力下所需的厚度最大，除用作人孔盖以及一些高压容器外，一般很少采用。

三、法兰1、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通体之间、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。

2、法兰的分类法兰按照所连接的部件可分为容器法兰及管道法兰。

容器法兰用于容器的端盖与筒体连接；管道法兰用于接管（管道）与管道之间的连接。

法兰按其整体性程度，分为整体法兰、松式法兰、任意式法兰三种。

法兰按其密封面形式分为平面法兰、凹凸法兰、榫槽法兰三种3、密封件的分类密封元件是放在两法兰接触面之间或封头与筒体顶部的接触面之间，借助于螺栓等连接件的压紧力达到密封的目的。

密封元件按其所用材料的不同分为非金属密封元件（如石棉垫、橡胶垫、橡胶“O”型圈、聚四氟乙烯板等）、金属密封元件（如紫铜垫、铝垫、软钢垫等）、和组合式密封元件（如铁包石棉垫、铜丝缠绕石棉垫等）。

密封元件按其截面形状分为平垫片、三角形垫片、八角形垫片、透镜式垫片等。

4、密封结构不同的密封元件和不同的连接件相组配，可构成各种不同的密封结构。

⑴强制密封：强制密封是通过紧固端盖与筒体法兰之间的连接螺栓或接管与管道法兰之间的联结螺栓等强制方式将密封面压紧，从而达到密封的目的。

如平垫密封、卡扎里密封等属于强制密封。

⑵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达到密封目的。

其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、“0”形环密封、“C”形环密封、楔形密封、八角垫和椭圆垫密封、平垫自紧密封、伍德密封等。

⑶半自紧密封：它既利用容器内介质的压力，又利用紧固件的联结使密封面产生压紧力达到密封目的，如双锥密封就属于半自紧密封。