高压容器
设计压力大于等于10Mpa,小于100Mpa的容器为高压容器,一般属于第Ⅲ类压力容器。具体见TSG21-2016 附件A
结构特点
高压容器承受高压,应力水平较高,考虑到轴对称受力情况好以及制造的方便,一般设计为圆筒形壳体,其结构有如下特点:
1.结构细长。
由于应力水平高,容器直径越大,壁厚也越大。这就需要大型的机加工设备,同时还给焊接缺陷的控制、残余应力的消除、热处理等方面带来了困难,增加了制造成本。另外直径越大密封越困难,但工艺要求有一定的容积,所以其长度往往较大,长径比可达12~15,甚至高达28。
2.采用平盖或球形封头。
高压容器端盖一般较厚,密封结构复杂,直径较小的可拆端盖不采用凸型盖而采用平盖。但是平盖受力条件差,材料消耗多,比较笨重,而且大型锻件的质量也难以保证,所以平盖仅在1m直径以下的高压容器中采用。
- 密封结构特殊多样(多种自紧式密封)。
高压容器密封结构比较复杂,密封面加工要求比较高,一般采用金属密封圈,而且密封元件形式多样。高压容器应尽可能利用介质的高压压紧密封
件,因此出现多种自紧式密封结构。另外为尽量减少可拆结构给密封带来的困难,一般仅一端可拆,另一端不可拆。
4.高压筒身限制开孔。
高压容器由于筒壁的应力水平表较高,如果在筒壁开孔,乘上2~3倍的应力系数,则开孔附近的应力势必很高,有达到屈服
的危险。因此为了不消弱筒壁的强度,工艺性或其它必要的开孔,都尽量不开在筒壁上,而是开在端盖上并且尽量减小孔径。
5.高压容器由于内件直径小,容器内部安装内件不方便,因此内件多在外部组装好,也称芯子,将芯子吊装入容器内部。
6.支座一般不设置在筒壁上。
高压容器筒壁应力较高,且一般自重较大,如采用支座焊接在筒壁上,将产生过大的局部应力,对于层板包扎的容器将会增大层间间隙。因此高压容器的支座一般不设在筒壁上,而尽可能放置在底部封头上。中小型高压容器常采用环形支座,而大型高压容器,采用裙式支座。
高压容器的密封
高压容器的密封结构是整个设备中的重要部分,密封结构的严密性和完整性经常影响到容器是否正常运行。
1.原则
1)采用金属垫圈。
高压密封面的比压远远超过中低压的密封比压才能满足高压密封的要求,非金属垫片材料无法达到如此大的密封比压,高压容器常用的金属垫圈是延性好的退火铝、退火紫铜或软钢。
2)采用窄面密封。
高压容器窄面密封代替中低压容器的宽面密封有利于提高密封面比压,可大大减少总的密封力,减小密封螺栓的直径,也有利于减小法兰与封头的结构尺寸。甚至将窄面密封演变成线接触密封。
3)利用介质压力达到自紧密封。
利用介质的高压来帮助密封,首先使用垫圈预紧,工作时随压力提高使垫片压紧,达到自紧的目的。
2.高压密封的分类
1)强制密封。
如平垫密封、卡扎里密封、单锥环密封、透镜式密封等。强制性密封依靠螺栓力压紧顶盖、密封元件和筒体端部来形成密封,由于操作压力增大后螺栓变形、顶盖上升等情况减小了接触压力,这就要求必须有很大的螺栓预紧力才能保证密封效果。在操作压力很高或容器直径很大时,强制性密封的效果也将降低。
2)自紧密封。
如伍德式密封、N.E.C密封、O型环、B型环、C型环、八角垫、椭圆垫、楔形垫、组合密封等。
自紧式密封利用容器内部的压力压紧密封元件,形成密封。当压力升高后,密封元件与顶盖、筒体端部之间的接触力加大,密封效果更好,压力越高,密封效果越好。螺栓仅保证初始密封所需的预紧力,因此简化了容器顶部结构和几何尺寸。自紧密封时容器向大直径、高压力发展的必然趋势。
3)半自紧式密封。
如双锥密封等,介于强度密封和自紧式密封之间,虽然具有一定的自紧性,但是随着压力的升高,密封元件与顶盖、筒体端部之间的接触力仍会有一定程度的降低,就需要较大的预紧力才能达到密封效果,因而限制了它的使用范围。