CN205716401U - 一种裙座支承的半球形封头立式压力容器 - Google Patents

Abstract

一种裙座支承的半球形封头立式压力容器，具有裙座、半球形封头、加强箍和圆筒，所述圆筒的上端与顶部封头焊接连接或者所述圆筒的上端具有端部法兰且端部法兰的上部装有顶部端盖及密封元件，加强箍套在半球形封头的外周，圆筒的下端与半球形封头及加强箍焊接连接，裙座壳的上端与加强箍焊接连接。本实用新型受到介质压力作用时，圆筒与不等厚半球形封头的连接部位应力集中系数小、受力合理，消除了多层圆筒端部与半球形封头的连接区域出现明显的应力集中情况，提高了该部位的安全可靠性，且消除了半球形封头直接与裙座壳焊接连接的连接部位出现的附加弯曲应力，解决了采用裙座支承的带加强箍的半球形封头立式压力容器壳体与裙座壳的连接结构问题。

Description

一种裙座支承的半球形封头立式压力容器

技术领域

本实用新型涉及压力容器领域，具体涉及一种裙座支承的半球形封头立式压力容器。

背景技术

采用裙座支承的立式压力容器又称为塔式容器，按照NB/ T47041-2014《塔式容器》标准中第6.3节“裙座壳与塔壳的连接”规定：裙座壳分为圆筒形和圆锥形两种，裙座壳与塔壳一般采用对接或搭接的型式。采用对接型式时，裙座壳上端的内径宜与相连接塔壳封头内径相等。该标准中所述的塔壳是指由下封头、塔壳圆筒及顶部端盖或上封头组成的压力容器壳体（见NB/ T47041-2014《塔式容器》标准中第6章“结构”中的图1说明）。

对于下封头为标准型椭圆形封头的压力容器，封头的壁厚与圆筒的壁厚基本相同，封头与圆筒对接连接，裙座壳一般与封头采用对接连接型式，当塔壳的直径较小时，也可以采用搭接型式。（注：压力容器的圆筒一般又称为筒体）。

对于下封头为半球形封头的压力容器，根据强度条件，当封头的材质与圆筒相同时，封头的壁厚为圆筒壁厚的二分之一。如果容器内的介质压力比较高，为了减少封头的壁厚，通常采用半球形封头。当圆筒与封头不等厚时，根据GB 150.3－2011《压力容器 第3部分：设计》附录D2.2节“圆筒与封头的连接”中的规定，封头与圆筒连接的不等厚部位必须有一段锥形过渡区。此时，裙座壳与封头只能采用对接连接型式（见附图1）。

另外，当圆筒的壁厚较大时，为了提高压力容器的安全性，一般将圆筒设计成多层结构，即在较小厚度的内筒外面包扎若干层厚度更小的层板组成多层圆筒，所需层板的层数根据压力容器强度计算确定。

当压力容器的圆筒采用多层圆筒结构时，下封头通常采用半球形封头，而且半球形封头的壁厚小于多层圆筒的总厚度，裙座壳与封头也是采用对接连接型式（见附图2）。

压力容器圆筒与不等厚半球形封头连接时，圆筒与封头连接的不等厚部位必须有一段锥形过渡区。在锥形过渡区，由于结构的不连续，该部位除了承受薄膜应力外，在连接处附近还会产生附加边缘应力，使得该过渡区成为高应力区之一（见《压力容器》杂志2011年第8期刊登的罗彩霞等撰写的论文《高压容器筒体与封头连接处有限元分析及优化》介绍）。如果压力容器的圆筒为多层圆筒结构，多层圆筒在径向方向上还存在层间分离情况，与半球形封头连接的端部又有结构的不连续，连接部位出现明显的应力集中（见《化工机械》杂志2010年第3期刊登的张羽翔等撰写的论文《整体多层包扎式高压容器筒体与球形封头连接区应力状态有限元分析》及《石油化工设备技术》杂志2016年第2期刊登的刘正通等撰写的论文《多层包扎高压容器端部结构设计与应力分析》介绍）。由此可见，在圆筒与封头连接的不等厚部位的锥形过渡区，由于附加边缘应力以及明显的应力集中，因而降低了该部位的安全可靠性。

半球形封头的立式压力容器采用裙座支承时，裙座壳的上端与封头外壁焊接连接，封头与裙座壳的连接部位，由于结构的约束，在受到容器内介质的压力作用时将产生附加弯矩，该部位的封头除了承受薄膜应力外，还要承受附加弯曲应力，在裙座连接部位出现了高应力区（见《西北大学学报（自然科学版）》2008年第1期刊登的淡勇等撰写的论文《高压反应器应力分析和强度评定》及《石油化工设备技术》杂志2010年第6期刊登的黄勇力等撰写的论文《塔式设备裙座支撑区的失效分析和加强措施》介绍），影响半球形封头的承载能力。

一种“带加强箍半球形封头结构的高压容器”的实用新型专利（见专利申请号：97249860.5），该实用新型专利公开的技术为：在半球形封头的外面设有加强箍，加强箍的外径与筒体的外径相同，多层筒体外面的几层层板的端部与加强箍焊接连接。根据该专利的设计人郑津洋等发表在《石油机械》杂志2000年第1期上的论文《半球形封头壁厚与筒体壁厚不相等的高压容器》介绍），半球形封头外面设有加强箍后，在加强箍和半球形封头连接处附近的半球形封头侧的应力集中系数较小、受力合理。

上述实用新型专利技术虽然改善了半球形封头与圆筒不等厚时封头与圆筒连接部位的受力状况，但该专利技术没有涉及采用裙座支承的立式压力容器壳体与裙座壳的连接结构问题。

综上分析，现有技术存在的不足是：1、圆筒与不等厚的半球形封头的连接部位除了承受薄膜应力外，在锥形过渡区，由于结构的不连续，在连接处附近还会产生附加边缘应力，使得该过渡区成为高应力区之一，且多层圆筒在径向方向上还存在层间分离情况，与半球形封头连接的端部又有结构的不连续，连接部位出现明显的应力集中，降低了该部位的安全可靠性；2、采用裙座支承时，半球形封头与裙座壳的连接部位，由于结构的约束，在受到容器内介质的压力作用时将产生附加弯矩，该部位的封头除了承受薄膜应力外，还要承受附加弯曲应力，因而影响半球形封头的承载能力；3、“带加强箍的半球形封头结构的高压容器”实用新型专利，虽然改善了圆筒与不等厚半球形封头连接部位的受力状况，圆筒与封头连接部位应力集中系数小、受力合理，但该专利技术没有涉及采用裙座支承的立式压力容器壳体与裙座壳的连接结构问题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种圆筒与不等厚半球形封头连接部位应力集中系数小、安全可靠，且半球形封头不会受裙座壳连接结构约束而出现附加弯曲应力的裙座支承的半球形封头立式压力容器。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种裙座支承的半球形封头立式压力容器，具有裙座、半球形封头、加强箍和圆筒，所述圆筒的上端与顶部封头焊接连接或者所述圆筒的上端具有端部法兰且端部法兰的上部装有顶部端盖及密封元件，所述裙座包括基础环、筋板、盖板和裙座壳，所述裙座壳的下部与基础环、筋板和盖板焊接连接，所述加强箍套在半球形封头的外周，且加强箍的内周与半球形封头的外周相配合，所述圆筒的下端与半球形封头的端部及加强箍的上端焊接连接，其改进在于：所述裙座壳的上端与加强箍焊接连接。

在上述技术方案中，所述加强箍的下部具有环形凸肩Ⅰ，所述裙座壳的上端与所述加强箍的环形凸肩Ⅰ对接焊接连接。

在上述技术方案中，所述加强箍的下部具有环形台阶，所述裙座壳的上端套到所述加强箍的环形台阶上并与加强箍焊接连接。

在上述技术方案中，所述圆筒为多层圆筒，包括内筒及若干层层板，所述半球形封头的端部具有环形凸肩Ⅱ，所述内筒的下端与半球形封头的环形凸肩Ⅱ对接焊接连接，所述层板的下端依次与半球形封头端部的焊接坡口Ⅰ及加强箍上端的焊接坡口Ⅱ焊接连接。

在上述技术方案中，所述半球形封头端部的焊接坡口Ⅰ及加强箍上端的焊接坡口Ⅱ的形状均为阶梯状，且每个阶梯的径向宽度与所述层板的厚度相对应，每层层板从内到外依次与各个阶梯相配并与对应的半球形封头或加强箍焊接连接。

在上述技术方案中，所述密封元件为强制式密封垫片或自紧式密封垫片或半自紧式密封垫片。

在上述技术方案中，所述密封元件为无垫片焊接密封元件。

在上述技术方案中，所述裙座的裙座壳为圆锥形，且圆锥形裙座壳的半锥顶角α为：0°＜α≤20°。

在上述技术方案中，所述裙座的裙座壳为圆筒形。

在上述技术方案中，所述裙座的盖板为整块结构。

本实用新型所具有的积极效果是：由于在半球形封头外面设置了加强箍，且裙座壳的上端与加强箍焊接连接，因而与现有技术相比较，具有如下优点：1、圆筒与不等厚半球形封头的连接部位应力集中系数小、受力合理，且消除了多层圆筒端部与半球形封头的连接区域出现明显的应力集中情况，提高了该部位的安全可靠性；2、消除了采用裙座支承时半球形封头直接与裙座壳焊接连接的连接部位出现的附加弯曲应力，使得半球形封头的承载能力不受影响；3、将裙座壳的上端与加强箍焊接连接，解决了采用裙座支承的带加强箍的半球形封头立式压力容器壳体与裙座壳的连接结构问题，同时这种结构又避免了上面所述的半球形封头直接与裙座壳焊接连接而出现的不良情况。

附图说明

图1是现有技术中的半球形封头与裙座壳及圆筒之间的连接结构示意图，图中圆筒为单层结构；

图2是现有技术中的半球形封头与裙座壳及圆筒之间的连接结构示意图，图中圆筒为多层结构；

图3是本实用新型的轴向剖视示意图；

图4是本实用新型中半球形封头的局部结构示意图；

图5是本实用新型中加强箍的局部结构示意图；

图6是本实用新型中加强箍的局部结构示意图，图中加强箍的下部具有凸肩Ⅰ；

图7是本实用新型中加强箍的局部结构示意图，图中加强箍的下部具有环形台阶；

图8是图3中Ⅰ部的放大示意图，图中圆筒为多层结构；

图9是图3中Ⅰ部的放大示意图，图中圆筒为多层结构，且半球形封头端部的焊接坡口及加强箍上端的焊接坡口的形状均为阶梯状；

图10是图8中的半球形封头的局部结构示意图；

图11是图9中的半球形封头的局部结构示意图；

图12是图8中的加强箍的局部结构示意图；

图13是图9中的加强箍的局部结构示意图；

图14是图3中Ⅱ部的放大示意图，图中圆筒为多层结构；

图15是图3中圆筒的上端为顶部封头且顶部封头与圆筒的上端焊接连接的结构示意图；

图16是图15中Ⅲ部的放大示意图，图中圆筒为多层结构。

具体实施方式

以下结合附图以及给出的实施例，对本实用新型作进一步的说明。

如图1~16所示，一种裙座支承的半球形封头立式压力容器，具有裙座1、半球形封头2、加强箍3和圆筒4，所述圆筒4的上端与顶部封头10焊接连接或者所述圆筒4的上端具有端部法兰5且端部法兰5的上部装有顶部端盖6及密封元件9，所述裙座1包括基础环1-1、筋板1-2、盖板1-3和裙座壳1-4，所述裙座壳1-4的下部与基础环1-1、筋板1-2和盖板1-3焊接连接，所述加强箍3套在半球形封头2的外周，且加强箍3的内周与半球形封头2的外周相配合，所述圆筒4的下端与半球形封头2的端部及加强箍3的上端焊接连接，所述裙座壳1-4的上端与加强箍3焊接连接。

如图6所示，所述加强箍3的下部具有环形凸肩Ⅰ3-4，所述裙座壳1-4的上端与所述加强箍3的环形凸肩Ⅰ3-4对接焊接连接。

如图7所示，所述加强箍3的下部具有环形台阶3-5，所述裙座壳1-4的上端套到所述加强箍3的环形台阶3-5上并与加强箍3焊接连接。

如图8、9所示，所述圆筒4为多层圆筒，包括内筒4-1及若干层层板4-2，所述半球形封头2的端部具有环形凸肩Ⅱ2-4，所述内筒4-1的下端与半球形封头2的环形凸肩Ⅱ2-4对接焊接连接，所述层板4-2的下端依次与半球形封头2端部的焊接坡口Ⅰ2-3及加强箍3上端的焊接坡口Ⅱ3-3焊接连接。

如图9所示，所述半球形封头2端部的焊接坡口Ⅰ2-3及加强箍3上端的焊接坡口Ⅱ3-3的形状均为阶梯状，且每个阶梯的径向宽度与所述层板4-2的厚度相对应，每层层板4-2从内到外依次与各个阶梯相配并与对应的半球形封头2或加强箍3焊接连接。

如图3所示，所述密封元件9为强制式密封垫片或自紧式密封垫片或半自紧式密封垫片（具体见HG/T 20582－2011《钢制化工容器强度计算规定》第13章第13.1.2条，《高压容器》化学工业出版社2003年1月第1版第99页右栏）。当然，所述密封元件9也可以为无垫片焊接密封元件（具体见HG/T 20582－2011《钢制化工容器强度计算规定》第11章，《压力容器设计指导手册》下册云南科技出版社2006年8月第1版第255~260页）。

如图6、7所示，所述裙座1的裙座壳1-4为圆锥形，且圆锥形裙座壳1-4的半锥顶角α为：0°＜α≤20°。当然，所述裙座1的裙座壳1-4也可以为圆筒形。

如图3所示，所述裙座1的盖板1-3为整块结构。

本实用新型实施时，根据图4、5、10、11、12、13所示，在半球形封头2及加强箍3上加工出相应的焊接坡口，焊接坡口的形状及尺寸可以按照GB 150.3－2011标准中“附录D焊接接头结构”或者焊接要求确定。

本实用新型实施时，为了使加强箍3的内周与半球形封头2的外周相配合，可以在加强箍3的内周加工出圆柱面3-1和圆锥面3-2，在半球形封头2的外周加工出圆柱面2-1和圆锥面2-2，加强箍3内周的圆柱面3-1、圆锥面3-2分别与半球形封头2外周的圆柱面2-1、圆锥面2-2相配合。

本实用新型实施时，对于图3所示圆筒4的上端具有端部法兰5且端部法兰5的上部装有顶部端盖6及密封元件9的裙座支承的半球形封头立式压力容器，可以先将加强箍3套在半球形封头2的外周，使加强箍3的内周与半球形封头2的外周相配合，然后将半球形封头2以及加强箍3与圆筒4装配成一体并焊接连接，在圆筒4的上端装配端部法兰5并焊接连接，在端部法兰5的上部装配顶部端盖6及密封元件9，并用若干个螺柱7以及螺母8将顶部端盖6压紧在端部法兰5上，具体螺柱7及螺母8的数量由容器内介质的压力载荷确定，顶部端盖6可以是平盖也可以是凸形盖。（注：在GB 150.3－2011标准中，“端部法兰”被称为“筒体端部”。）然后装配裙座壳1-4并将裙座壳1-4与加强箍3焊接连接，在裙座壳1-4的下端装配并焊接基础环1-1、筋板1-2和盖板1-3。

本实用新型实施时，对于图12所示圆筒4的上端与顶部封头10焊接连接的裙座支承的半球形封头立式压力容器，按照上述方法将半球形封头2以及加强箍3与圆筒4装配成一体并焊接连接后，在圆筒4的上端装配顶部封头10并焊接连接。然后装配裙座壳1-4并将裙座壳1-4与加强箍3焊接连接，在裙座壳1-4的下端装配并焊接基础环1-1、筋板1-2和盖板1-3。

本实用新型实施时，对于图8、9、14、16所示的圆筒4为多层圆筒，按照上述方法，先将内筒4-1的下端与半球形封头2焊接连接，内筒4-1的上端与端部法兰5或者顶部封头10焊接连接，然后将层板4-2由内到外逐层包扎在内筒4-1的外表面上或内层层板4-2的外表面上，并在每层层板4-2包扎后焊接该层板4-2自身的纵向连接焊缝以及该层板4-2下端与半球形封头2或加强箍3的连接焊缝，并焊接该层板4-2上端与端部法兰5或者顶部封头10之间的连接焊缝。当然，也可以将各层层板4-2先与内筒4-1包扎成一体组成多层圆筒4，然后将该多层圆筒4当作单层结构，按图3所示将该多层圆筒4的下端与半球形封头2以及加强箍3装配并焊接，并将该多层圆筒4的上端与端部法兰5或者顶部封头10装配并焊接。

对于图11、图13所示多层圆筒4与端部法兰5或者顶部封头10之间的连接结构，也可以采用图9所示的阶梯状结构。

对于图12、图13所示圆筒4上端的顶部封头10的壁厚可以与圆筒4等厚也可以不等厚。

Claims (10)

1.一种裙座支承的半球形封头立式压力容器，具有裙座（1）、半球形封头（2）、加强箍（3）和圆筒（4），所述圆筒（4）的上端与顶部封头（10）焊接连接或者所述圆筒（4）的上端具有端部法兰（5）且端部法兰（5）的上部装有顶部端盖（6）及密封元件（9），所述裙座（1）包括基础环（1-1）、筋板（1-2）、盖板（1-3）和裙座壳（1-4），所述裙座壳（1-4）的下部与基础环（1-1）、筋板（1-2）和盖板（1-3）焊接连接，所述加强箍（3）套在半球形封头（2）的外周，且加强箍（3）的内周与半球形封头（2）的外周相配合，所述圆筒（4）的下端与半球形封头（2）的端部及加强箍（3）的上端焊接连接，其特征在于：所述裙座壳（1-4）的上端与加强箍（3）焊接连接。

2.根据权利要求1所述的裙座支承的半球形封头立式压力容器，其特征在于：所述加强箍（3）的下部具有环形凸肩Ⅰ（3-4），所述裙座壳（1-4）的上端与所述加强箍（3）的环形凸肩Ⅰ（3-4）对接焊接连接。

3.根据权利要求1所述的裙座支承的半球形封头立式压力容器，其特征在于：所述加强箍（3）的下部具有环形台阶（3-5），所述裙座壳（1-4）的上端套到所述加强箍（3）的环形台阶（3-5）上并与加强箍（3）焊接连接。

4.根据权利要求1所述的裙座支承的半球形封头立式压力容器，其特征在于：所述圆筒（4）为多层圆筒，包括内筒（4-1）及若干层层板（4-2），所述半球形封头（2）的端部具有环形凸肩Ⅱ（2-4），所述内筒（4-1）的下端与半球形封头（2）的环形凸肩Ⅱ（2-4）对接焊接连接，所述层板（4-2）的下端依次与半球形封头（2）端部的焊接坡口Ⅰ（2-3）及加强箍（3）上端的焊接坡口Ⅱ（3-3）焊接连接。

5.根据权利要求4所述的裙座支承的半球形封头立式压力容器，其特征在于：所述半球形封头（2）端部的焊接坡口Ⅰ（2-3）及加强箍（3）上端的焊接坡口Ⅱ（3-3）的形状均为阶梯状，且每个阶梯的径向宽度与所述层板（4-2）的厚度相对应，每层层板（4-2）从内到外依次与各个阶梯相配并与对应的半球形封头（2）或加强箍（3）焊接连接。

6.根据权利要求1所述的裙座支承的半球形封头立式压力容器，其特征在于：所述密封元件（9）为强制式密封垫片或自紧式密封垫片或半自紧式密封垫片。

7.根据权利要求1所述的裙座支承的半球形封头立式压力容器，其特征在于：所述密封元件（9）为无垫片焊接密封元件。

8.根据权利要求1所述的裙座支承的半球形封头立式压力容器，其特征在于：所述裙座（1）的裙座壳（1-4）为圆锥形，且圆锥形裙座壳（1-4）的半锥顶角α为：0°＜α≤20°。

9.根据权利要求1所述的裙座支承的半球形封头立式压力容器，其特征在于：所述裙座（1）的裙座壳（1-4）为圆筒形。

10.根据权利要求1所述的裙座支承的半球形封头立式压力容器，其特征在于：所述裙座（1）的盖板（1-3）为整块结构。