壓力容器是內部或外部承受氣體或液體壓力、并對安全性有較高要求的密封容器。
壓力容器早期主要應用于化學工業(yè),壓力多在10兆帕以下。合成氨和高壓聚乙烯等高壓生產工藝出現后,要求壓力容器承受的壓力提高到100兆帕以上。
隨著化工和石油化學工業(yè)的發(fā)展,壓力容器的工作溫度范圍也越來越寬;新工作介質的出現,還要求壓力容器能耐介質腐蝕;許多工藝裝置規(guī)模越來越大,壓力容器的容量也隨之不斷增大。20世紀60年代開始,核電站的發(fā)展對反應堆壓力容器提出了更高的安全和技術要求,這進一步促進了壓力容器的發(fā)展。
許多生產工藝過程需要在壓力下進行,許多氣體和液化氣需要在壓力下貯存,因此壓力容器越來越廣泛地應用于各工業(yè)部門。許多新技術的發(fā)展,對壓力容器不斷提出了新的更高的要求。如:煤轉化工業(yè)的發(fā)展,需要單臺重量達數千噸的高溫壓力容器;快中子增殖反應堆的應用,需要解決高溫耐液態(tài)鈉腐蝕的壓力容器;海洋工程的發(fā)展,需要能在水下幾百至幾千米工作的外壓容器。
壓力容器在使用中如果發(fā)生爆炸,會造成災難性事故。歷史上曾多次發(fā)生過使成百人傷亡的壓力容器爆炸事故,就是小型液化石油氣瓶的爆炸也會造成人身傷亡;核電站用反應堆壓力容器如發(fā)生事故,就會使放射性物質外逸,造成更為嚴重的后果。
因此,防止壓力容器發(fā)生事故,始終是壓力容器設計、制造和使用者首要的任務。為了使壓力容器在確保安全的前提下達到設計先進、結構合理、便于制造、使用可*和造價經濟等目的,各國都制定了有關壓力容器的標準、規(guī)范和技術條件,對壓力容器的設計、制造、檢驗和使用等各個方面提出具體和必須遵守的規(guī)定。隨著壓力容器技術的發(fā)展,在不斷積累經驗的基礎上,標準、規(guī)范、技術條件的內容也不斷得到完善和提高。
壓力容器主要為圓柱形,少數為球形或其他形狀。圓柱形壓力容器通常由筒體、封頭、接管、法蘭等零件和部件組成,壓力容器工作壓力越高,筒體的壁就應越厚。
壓力容器有多種結構形式,如多層式、繞板式、型槽繞帶式、熱套式、厚板卷焊式和鍛焊式等。
多層式壓力容器在20世紀30年代就已開始在工業(yè)上使用。這種結構的壓力容器由若干個多層筒節(jié)組焊而成,各筒節(jié)由內筒和在外面包扎的層板組成。
多層式壓力容器的優(yōu)點是制造設備較筒單,材料的選用有較大的靈活性。這種結構即使在某一層鋼板中出現裂縫,裂縫也只能在該層層板中擴展,不會擴展到其他層板上,所以安全性高是這種容器的突出優(yōu)點,它的缺點是生產工序多、勞動生產率低。
繞板式壓力容器是將成卷的薄鋼板連續(xù)地纏繞在內筒外面,達到所需要壁厚為止,因而不必逐層包扎層板和焊接每層層板的縱焊縫。
型槽繞帶式壓力容器是在繞帶機床上,對型槽鋼帶通電加熱到紅熱狀態(tài),再用壓輥將鋼帶壓合到內筒表面預先加工出的螺旋溝槽內,使之相互嚙合,每繞完一層鋼帶后再繞下一層,直到所需的筒體厚度為止。這種結構的型槽鋼帶層層嚙合,可使鋼帶層承受容器的一部分軸向力;筒體上沒有貫穿整個壁厚的環(huán)焊縫;使用安全性高;缺點是需要使用特殊軋制的型槽鋼帶和專用機床。
熱套式壓力容器是在內筒外面套合上一至數層外筒,組成筒節(jié)。通常先將外層筒體加熱,使其直徑增大,以便套在內層筒體上。冷卻后的外層筒體就能緊貼在內筒上,同時對內筒產生一定的預加壓縮應力。熱套壓力容器用的鋼板比多層壓力容器的層板厚,層數少,所以生產效率較高。
鍛焊式壓力容器是由鍛造的筒節(jié)經組焊而成,結構上只有環(huán)焊縫而無縱焊縫。70年代以來,由于冶煉、鍛造和焊接等技術的進步,已可供應570噸重的大型優(yōu)質鋼錠,并能鍛造最大外徑為10米、最大長度為4.5米的筒體鍛件,因而大型鍛焊式壓力容器得到了發(fā)展,成為輕水反應堆壓力容器、石油工業(yè)加氫反應器和煤轉化反應器的主要結構形式。
壓力容器的設計通常包括:分析壓力容器的使用要求和操作條件,確定合理的結構形式;選擇合適的材料,規(guī)定制造工藝和質量要求;按容器可能發(fā)生的失效破壞形式,確定最佳結構尺寸,使容器各部位均能滿足所需的強度、剛度或不致引起斷裂等要求。
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