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CH1 承压设备基础知识,1.5 锅炉的结构,锅炉的基本组成锅炉为能量转换设备，要把其它形式的能量转变成热能并被有效地利用，需要某种中间介质才能实现，最常用的介质是水。1）“锅”：本体中汽水系统，高温燃烧产物烟气通过受热面将热量传递给汽锅内的水，水被加热，沸腾汽化，生成蒸汽。2）“炉”：本体中燃烧设备，燃烧将燃料的化学能转化为热能。锅和炉是通过传热过程相互联系在一起的。受热面是锅和炉的分界面。受热面从放热介质吸收热量并向受热介质放出热量。凡是放热介质和受热介质分别处于受热面两侧，受热面的吸热和放热同时地、连续地进行的这类受热面称为间壁式受热面。如果放热介质和受热介质分别交替地、周期地与受热面相接触，在接触中向受热面放热或从受热面吸热，则这种受热面称为蓄热式（或再生式）受热面。蓄热式受热面本身乃是一种固体的中间载热体。,1.5 锅炉的结构,1.5 锅炉的结构,锅炉研究方向：合理有效利用燃料,节能降耗，提高效率；防止和降低环境污染，开发新的洁净燃烧技术；提高机械化、自动化水平，保障安全可靠运行。,1.5 锅炉的结构,1.5 锅炉的结构,汽包水位、压力保护系统：锅炉汽包水位保护系统是防止锅炉满水和缺水的必要和有效的措施，是锅炉启动及正常运行的必要条件。满水事故将使锅炉蒸汽严重带水，使蒸汽温度急剧下降，蒸汽管道发生水冲击，甚至损害汽轮机机组。缺水事故将不能维持锅炉的正常水循环，使蒸汽温度急剧上升，水冷壁过热，轻者造成机组被迫停运，严重时可造成锅炉设备的严重损坏。,1.5 锅炉的结构,锅炉的基本结构形式：锅炉的结构受锅筒的位置（立式或卧式）、锅炉本体型式（锅壳或火管、水管）、燃烧方式或燃烧室布置等的影响，有许多不同的类型，锅炉的基本结构可以分为水管锅炉和锅壳（火管）锅炉。锅壳锅炉基本结构单元为：锅壳（锅筒）、炉胆、火管（烟管）等。水管锅炉基本结构单元有：锅筒（俗称汽包）、集箱、受热面管、钢架等。水管锅炉结构复杂，参数高、效率高，现代大型锅炉（特表示发电用锅炉）无一例外的都是水管锅炉。,水管式锅炉基本结构简图a.多锅筒锅炉；b.三锅筒锅炉；c.双锅筒锅炉；d.单锅筒锅炉,1.5 锅炉的结构,锅炉结构的演变过程：现在使用的锅炉绝大部分以水为工作介质，历经二百多年的发展现代锅炉的结构也是在不断变化中发展过来的。锅炉沿着两个方向发展：a)在锅筒内部增加受热面，形成烟管锅炉系列；b)在锅筒外部发展受热面，形成水管锅炉系列。锅炉结构远非上述的几种结构，特别是现代大型锅炉，已形成了一个复杂的系统。随着现代技术的发展和人们对客观世界认识的不断进步，将会有更多的锅炉结构涌现出来。,锅炉结构演变示意图,1.5 锅炉的结构,锅壳锅炉的基本技术特点和典型结构：立式无烟管锅壳锅炉：蒸发量一般在1t/h以下，蒸汽压力可达0.8MPa，锅炉效率较低，一般为55%，单位面积蒸发量也较低，一般为2030kg/m2h。现在优化设计的燃油、燃气立式锅炉，其单位面积蒸发率也可接近40kg/m2h。一般每吨蒸汽耗钢量降至6t左右。立式锅炉占地面积较小，如果提高参数，就势必要提高占空，会对锅炉房建设和锅炉的操作带来不利。立式有烟管锅壳锅炉：在蒸发量不大的场合，采用立式锅炉更趋简单，结构布置方便。立式锅炉比卧式锅炉的蒸发量要小，由于体积小燃烧体积空间也小，热效率更低一些，并且结构上存在一些薄弱环节，故一般用于要求不高的场合。主要有冲天管锅炉、立式（多）横火管锅炉、立式（大、多）横水管锅炉、立式双回程横火管（固定炉排、双层炉排）锅炉、立式直水管锅炉、立式弯水管锅炉、立式热管锅炉、立式无管锅炉等。但其参数较低，其蒸发量一般小4t/h，放热率70%以下。,1.5 锅炉的结构,锅壳锅炉的基本技术特点和典型结构：卧式无烟管锅壳锅炉：直径较大，可达两米以上，火筒的直径也在650950mm，火筒一般做成波浪式结构，用来克服炉体较长带来的热膨胀问题。卧式锅炉体积较大，其蒸发量一般可达4t/h，压力可达1.6MPa。由于结构缺陷和热效率低，现已基本淘汰，不过它的外特性较好，能适应负荷变动范围大的场合。卧式有烟管锅壳锅炉：由于增加了一定数量的烟管（火管），使得卧式锅炉的性能大大改善，特别是现代燃油、燃气技术的发展，使这种结构锅炉有了生存空间，形成所谓“卧式内燃火管燃油（气）锅炉”。由于燃烧方式的改进和受热面积的提高，其热效率可达70%以上，蒸发率可达30kg/m2h左右，一般每吨蒸汽耗钢材降至6t以下。使用烟管虽然带来了很多好处，但仍然存在：钢材耗量仍较大；胀接烟管易泄漏；烟管易结垢、集灰，并不易清除，易造成传热恶化；烟管流通截面较小，通风阻力加大；占地面积较大等问题。目前这一类锅炉已采用焊接结构代替胀接结构来解决烟管与管板的连接。,1.5 锅炉的结构,锅壳锅炉的基本技术特点和典型结构：火水管混合结构锅炉：火水管混合结构锅炉兼有水管与火管，理论上应兼有两者之优点。但是，水管的优点只有在较高压力和温度下才能发挥，由于强度的限制，这类锅炉的参数不能提得很高。在主体结构上它们与锅壳锅炉基本一致，故按锅壳锅炉对待。,1.5 锅炉的结构,水管锅炉的基本技术特点和典型结构：由于锅壳锅炉结构上的限制不能满足参数上的要求。当锅炉容量达到4t/h以上时，为了保证强度要求，锅壳直径和璧厚要增加很多，用钢量会大大增加，特别要实现高参数时，几乎是不可能的。在同样条件下，水管锅炉传热效果有很大的改善，相比较钢材消耗量明显降低。工业上常用的双筒管锅炉通常在20t/h以下，压力可达2.5MPa，其热效率可达65%80%，单位蒸发率可达2560kg/m2h，每吨蒸汽钢材耗量在5t左右。根据工艺要求，这类锅炉可以设计有过热器，这样可以提供250400的过热蒸汽。单锅管锅炉是现代大型、高参数锅炉的主要形式，一般用于发电和热电联供。这类锅炉结构复杂，是一个完整的系统，其基本组成部分包括：锅筒、集箱、水冷壁、过热器、再热器、省煤器、空气预热器、锅炉范围内管道、钢架、燃烧系统和各类附件。但锅筒锅炉的蒸发量一般在65t/h以上，压力在3.8MPa以上，锅炉系统的热效率可达90%以上。目前一台300MW的发电锅炉，蒸发量为1028t/h，额定工作压力为13.7MPa，已进入亚临界状态。,1.5 锅炉的结构,锅炉的本体结构与安全要求：锅炉是一种承受内压、具有爆炸危险的特种设备。锅炉能否安全运行，对保证安全生产、保障人民生命财产安全和社会公众安全的关系甚大。对锅炉进行安全监察，就是要解决锅炉的安全问题，保证它少发生事故或不发生事故。锅炉的事故按其严重程度可以分为两类：灾难性的爆炸事故（锅筒、集箱或锅壳、炉胆等爆炸）和一般性强迫停炉事故（受热面烧坏、炉管屈服、焊缝漏泄等）。20世纪初，英美等国家锅炉爆炸惨案很多，曾有一艘内河船，因锅炉爆炸酿成1500多人丧命的大惨案。一般性的被迫停炉事故，虽然一般不致造成严重的人身死亡事故，但有时后果往往很严重。灾难性的爆炸事故大都发生在低、中压的中小型容量锅炉，特别是多数发生在低压小型锅炉方面和土造锅炉方面，至于高压以至超临界压力的巨型电站锅炉据知还从未有重大受压元件（锅筒、集箱等）在运行中发生爆炸的事故，只有极少数蒸汽母管爆炸事故。目前全世界已有数万台巨型高压锅炉，它们自应用以来，其安全性（指灾难性爆炸事故）可以说达到极为可靠的程度。,1.5 锅炉的结构,锅炉的本体结构与安全要求：巨型高压锅炉的结构问题和运行问题等等比中、小容量的锅炉要复杂得多，但是它们的运行却相当安全、可靠。这说明，锅炉的安全与否在于人们如何去掌握，进一步说，只要充分重视工业锅炉的安全技术和管理，是完全可以防止灾难性锅炉爆炸事故发生的。锅炉的安全技术蕴藏在设计、制造、运行、检验和检修等方面的各项工作之中。一些锅炉本体结构设计不合理，制造时焊接质量差，甚至安全附件也不全不灵，又没有被及时的检验出来，这样就难免发生大的灾难性事故。除了对这些粗制滥造、先天不足的锅炉，特种设备安全监督管理部门（简称“监管部门”）和检验检测机构（简称“特检机构”）应当把好质量关，不经检验合格不准出厂和安装使用外，还应当使从事锅炉生产、使用、检验检测和安全监督管理的各方面从业人员，不仅要充分重视工业锅炉自身安全问题，而且还必须掌握其有关的安全技术知识，才能有效地避免一些先天不足的锅炉的诞生。,1.5 锅炉的结构,锅炉受压元件的破坏类型与强度设计：各受压元件必须按规定的技术条件进行加工制造与组合安装，原材料必须符合锅炉钢的要求，锅炉受压元件必需满足强度要求。锅炉受压元件的强度是指其在承受介质压力及其它工作条件下的附加载荷时，在预定的工作期限内不破坏（不失效）的能力。因此，它是保证锅炉安全的基础。锅炉元件强度与材料强度、元件结构形状、内压及其它载荷状况等因素有关。材料强度是元件强度的基础，它决定了构成元件的材料抵抗破坏的能力。元件结构形状及载荷性质则决定了元件中的应力水平。一般说来，限制元件中的应力水平是保证元件不破坏的基本条件。,1.5 锅炉的结构,锅炉受压元件的破坏类型与强度设计：锅炉受压元件可能的破坏或失效形式有以下几种：因弹性变形过大导致介质向外泄漏。常发生在胀口、法兰联接部位。因弹性变形过大导致结构失稳，如外压作用的炉胆塌陷，甚至被压瘪、撕裂等。因应力变动引起低周疲劳破坏，发生在应力集中部位或缺陷部位。因交变热应力引起热疲劳破坏，发生在受热面的汽水分界面处及喷水减温器等温度经常交变的部件中。因超压引起塑性破坏，常见于小型锅炉锅筒、锅壳、炉胆及管板的破裂。因苛性脆化等原因引起脆性破坏，发生在小型锅炉锅筒、管板等处。因超温引起塑性破坏（短期超温）或蠕变破坏（长期超温），常见于水管锅炉各种受热面管的破坏。其它破坏。,1.5 锅炉的结构,锅炉受压元件的破坏类型与强度设计：导致锅炉受压元件破坏、造成锅炉事故的原因是多方面的，元件强度不足是重要原因之一，在事故原因中占有不小的比例；而且其它原因造成的事故，最终也往往表现为强度方面的问题。锅炉受压元件强度计算的任务是：在应力分析的基础上，依据强度理论，建立元件受内压（外压）后产生的应力（当量应力）与材料许用应力之间的关系，控制元件中大面积上的实际应力不超过元件材料的许用应力。中心是决定或核定元件的壁厚。强度计算可分为设计计算和校核计算。设计计算是在已知材质、元件外形尺寸、元件工作条件的情况下，决定元件壁厚的计算；校核计算是在己知材质、元件外形尺寸、壁厚的条件下，核算元件所能承受的工作条件。两种计算在本质上是相同的。,1.5 锅炉的结构,锅炉受压元件的破坏类型与强度设计：强度计算或称设计计算分为两种类型，一种是常规设计，另一种是分析设计。目前锅炉强度计算大多采用的是常规设计。因此，强度计算必须按强度计算标准进行，不仅要采用标准中的公式，还必须遵守标准中的各项规定。计算公式体现了对元件大面积上一次应力的限制，标准的各项规定体现了对其它应力及运行中其它因素的考虑。我国现行锅壳锅炉强度计算标准为GB/T 16508-1996锅壳锅炉受压元件强度计算，水管锅炉强度计算标准为GB9222-1988水管锅炉受压元件强度计算。对于结构形状相同的元件，两个强度计算标准的计算公式基本上相同，但由于锅壳锅炉与水管锅炉工作条件不同，因而两者取用的安全系数和许用应力也不相同，另外二者采用的计算压力、附加壁厚等也不相同，值得使用时注意。当筒体与不同形式的封头及其它端部结构（管板、下脚圈等）连接时，在连接处因结构不连续或变形不连续，会产生附加应力。不同几何形状在连接处变形不连续是难于避免的，而结构上的明显不连续会导致较大的附加应力，应尽量避免。实在难于避免时应采用适当的结构措施，使形状突变转换为形状渐变圆滑过渡。,1.5 锅炉的结构,锅炉受压元件的破坏类型与强度设计：目前，锅炉元件大都为焊接结构，焊接结构型式直接影响着元件的结构型式，因而在考虑元件结构时，必须考虑和选用合理的焊接接头型式及坡口型式。焊接接头的基本型式有对接接头搭接接头、角接接头等几种。对接接头所形成的结构基本上是连续的，接头及所连接母材中的受力比较均匀，是各种焊接结构中采用最多也是最完善的结构型式。锅炉受压元件中大部分焊缝是对接接头。,焊接接头基本型式,1.5 锅炉的结构,锅壳（火管）锅护各受压元件的安全技术要求：火管锅炉本体结构通常是由锅壳、炉胆、封头、管板和U形下脚圈等受压元件组成。各受压元件钢板的拼接，均应采用双面对接焊。蒸汽锅炉安全技术检查规程（简称汽锅规）、热水锅炉安全技术检查规程（简称水锅规）和GB/T 16508等都阐明对锅壳（火管）锅炉结构的要求。最短筒节的长度必须大于300毫米。当锅壳、炉胆用几片钢板卷制而成时，筒体公称内径D0 1800毫米时，每节筒节中的纵向焊缝应不大于2条；公称内径D01800毫米时，纵向焊缝应不大于3条。两条焊缝应相互错开，其中心线间弧长应不小于300毫米。管板、封头最好是用整块钢板制成。当管板、封头的公称内径Di2200毫米时，拼接焊缝应不大于1条；公称内径Di2200毫米时，拼接焊缝应不大于2条。管板、封头上整条拼接焊缝不得布置在扳边圆弧上，并应避免通过扳边孔口。管板扳边弯曲圆弧最薄处的壁厚，须不小于85管板设计计算厚度。,1.5 锅炉的结构,锅壳（火管）锅护各受压元件的安全技术要求：锅筒、锅壳和炉胆上相邻两筒节的纵向焊缝，以及封头、管板、炉胆顶或下脚圈的拼接焊缝与相邻筒节的纵向焊缝中心线间外圆弧长应不小于3倍较厚钢板厚度，且不小于100mm。在焊缝上不应有胀接孔，胀接管孔中心与焊缝边缘的距离应不小于0.8d，且不小于0.5d+12mm。若因结构需要，必须在焊缝上开制胀接管孔时，应按汽锅规和水锅规的规定。焊接管孔应尽量避免开在主焊缝上，并避免管孔焊缝边缘与相邻主焊缝边缘的净间距小于10mm。如不能避免，则应按的相应规定执行。锅筒（锅壳）纵、环向焊缝以及封头（管板）拼接焊缝或两元件的组装焊缝装配应保证：纵焊缝或封头（管板）拼接焊缝两边被焊钢板的实际边缘偏差（错边量）应不大于名义板厚的10%，且不大于3mm；当板厚大于100mm时，可放宽至不大于6mm。,1.5 锅炉的结构,锅壳（火管）锅护各受压元件的安全技术要求：环焊缝两边被焊钢板的实际边缘偏差（包括板厚差在内）应不大于名义板厚的15%加1mm，且不大于6mm；当板厚大于100mm时，可放宽至不大于10mm。当两侧名义边缘厚度差值超过上述规定，则厚板的边缘须削至与薄板边缘平齐，削出的斜面应平滑，并且斜率不大于1:4，必要时，焊缝的宽度可在斜面内。锅筒（锅壳）纵、环缝两边的钢板中心线应对齐。锅筒（锅壳）环缝两侧的钢板不等厚时，一般应采用中心线对齐，也允许一侧的边缘对齐。不同厚度的两元件或钢板对接并且边缘已消薄的，按钢板厚度相同对待，上述的名义板厚指薄板；不同厚度的钢板对接但不需要消薄的，则上述名义板厚指厚板。锅筒（锅壳）的任何同一截面上最大内径与最小内径之差应不大于名义内径的1%（不圆度1%）。锅筒（锅壳）纵向焊缝的棱角度应不大于4mm。,1.5 锅炉的结构,锅壳（火管）锅护各受压元件的安全技术要求：,不同厚度的钢板(元件)对接,Dn,锅壳棱角度,1.5 锅炉的结构,水管锅护各受压元件的安全技术要求：水管锅炉本体结构通常是由锅筒、集箱和管子等受压元件组成锅炉本体。各受压元件钢板的拼接，均应采用双面对接焊。汽锅规、水锅规和GB 9222等都阐明对水管锅炉结构的要求。与锅壳锅炉类似，锅筒由筒体和封头两部分组成。筒体是用几节钢板热卷后采用双面对接焊制而成。锅筒拼接时筒体最短一节的长度应不小于300毫米；每节筒体上的纵向焊缝应不多于2条，且两条焊缝中心线间的弧长应不小于300毫米；各节筒体的纵向焊缝，以及封头拼接焊缝和筒体纵向焊缝均应互相错开；两焊缝中心线间的弧长应不小于较厚钢板厚度的3倍，且不小于100毫米。封头应尽量用整块钢板制成，若必须拼接时，只允许用两块钢板排成。拼接焊缝离封头中心线的距离应不大于0.3Di，且不得通过扳边人孔，也不应布置在人孔扳边圆弧上。封头的直边长度一般为25毫米，球形封头允许无直边部分。锅筒上的椭圆形人孔不得小于280380毫米。任何情况下，锅筒筒体取用厚度应不小于6mm。采用胀管连接时，锅筒筒体取用厚度一般应不小于12mm。锅炉额定压力不大于2.45MPa的非绝热锅筒筒体，允许置于烟温超过600的烟道或炉膛内。当烟温超过900时，最大允许筒体壁厚为20mm；当烟温为600900之间，最大允许筒体壁厚为30mm。,1.5 锅炉的结构,水管锅护各受压元件的安全技术要求：GB 9222规定锅筒筒体同一断面最大内径和最小内径之差应不大于下表规定值。汽锅规和水锅规对锅筒筒体不圆度的要求与锅壳锅炉锅壳不圆度的要求是一致的，并不采用表中要求形式。对水管锅炉管孔的要求与锅壳锅炉管孔的要求是一致的。GB 9222中要求管接头（连接受热面管子的除外）的最小壁厚S1（若管接头是有螺纹的，厚度按螺纹根部量取）在任何情况下不得小于0.04dw+2.5mm。不等壁厚锅筒筒体焊接时厚度的过渡梯度要求的不同厚度的钢板(元件)对接图（a）。,锅筒筒体同一断面最大内径和最小内径之差值 mm,1.5 锅炉的结构,蒸汽锅炉锅内装置对安全的影响：锅炉的安全除与其本体结构形式有关外，还与其内部装置的结构类型有关，这一点对蒸汽锅炉尤其重要。蒸汽品质：蒸汽品质蒸汽所含杂质的多少，也即蒸汽的洁净程度杂质类型：气体杂质：O2、N2、CO2和NH3等；非气体杂质：蒸汽中的含盐（氯化物、硫酸盐、碳酸盐、硅 酸盐、氢氧化物等）蒸汽机械携带炉水机械携带 蒸汽中溶盐选择性携带蒸汽品质的影响因素：给水品质、锅水品质、排污量、锅筒内部汽水分离和蒸汽清洗装置。蒸汽品质下降对纺织、印染、造纸、食品等用户的产品质量有影响。因此，保持蒸汽清洁是十分重要的问题。,1.5 锅炉的结构,蒸汽锅炉锅内装置对安全的影响：蒸汽含盐的原因在使用蒸汽过程中，将产生水的消耗，要向锅筒内补充新水，另外还要产生一定的金属腐蚀。由此，锅水将被逐渐浓缩，其含盐量将比给水大得多。在蒸汽引出管附近水珠很容易被蒸汽带出，使蒸汽品质恶化。夹带水珠的蒸汽进入过热器后，由于温度升高，水珠会沉淀和蒸发，而在过热器内遗留下残渣形成盐垢。蒸汽含盐的危害性 传热阻力增加。盐垢使过热器管壁传热不良，不仅造成过热蒸汽达不到额定温度，而且使过热器管壁温过高。当温度超过钢材允许温度时，就会发生爆管事故。含盐沉积在热设备上，造成设备堵塞和变形。当含盐分蒸汽进入汽轮机时，因蒸汽压力下降而沉淀析出盐分，粘附在汽轮机叶片上，使汽轮机效率和出力都降低，严重时发生重大事故。,1.5 锅炉的结构,蒸汽锅炉锅内装置对安全的影响：汽水分离装置：考虑蒸汽中夹带水珠的成因，设计汽水分离装置的目的，就是要尽可能避免锅筒蒸发面和蒸汽空间过高的局部负荷，使蒸汽均匀地穿出水面和被引出；有效削弱进入锅筒的汽水混合物动能，缓解它对水面的冲击；设置多折流动路线，充分利用蒸汽的离心和惯性分离作用；及时导出所分离的水，以免再次被蒸汽携带；另外，创造大量水膜表面积，以粘附更多的水滴，等等。设计汽水分离装置时，也应考虑良好的水循环，从而不至于产生过大阻力并且要便于制造、安装和检修。目前，从工作原理上考虑，广泛应用着离心分离、惯性分离、膜状分离和掸击分离四种类型汽水分离装置。下面简介几种汽水分离装置，实际应用中可将几种装置组合使用，以获得更好的分离效果。,1.5 锅炉的结构,蒸汽锅炉锅内装置对安全的影响：汽水分离装置：,1.5 锅炉的结构,蒸汽锅炉锅内装置对安全的影响：汽水分离装置：,1.5 锅炉的结构,蒸汽锅炉锅内装置对安全的影响：内置式旋风分离器：随着锅炉蒸发量的增大，仅靠前述简单的汽水分离装置已不能达到改善蒸汽品质的要求，需要采用效果较好的内置式旋风分离器。汽水混合物由上升管进入锅筒后，经过汽水混合物挡板，沿内置式旋风分离器旋风筒内壁切向进入该分离器，在筒内形成强烈的旋转运动，水滴被离心力甩到筒壁上，然后沿筒壁侧流回到锅筒的水中，而蒸汽则在筒的中间部位旋转向上进入蒸汽空间。为保证汽水分离的效果，汽水混合物进入旋风筒的速度应为810m/s，蒸汽在筒内截面上的上升速度应在0.40.5m/s之间。上升汽流通过顶帽时，湿蒸汽再次得到分离。由于利用了强烈的离心作用，旋风分离器一般分离效果都较好，适用于对蒸汽品质要求高的、蒸发量30t/h以上的锅炉。,1.5 锅炉的结构,蒸汽锅炉锅内装置对安全的影响：蒸汽清洗装置：为了进一步提高蒸汽品质，可利用给水清洗蒸汽，即让含水滴蒸汽通过较清洁的给水层，使蒸汽中夹带的杂物溶解到给水中去。给水加入多方条形水盘组成的蒸汽清洗装置，形成一水层，蒸汽冲出蒸发面后，须曲折地经过这一清洗水层才能到达蒸汽空间，保证清洗全部蒸汽，从而起到提高蒸汽品质的目的。汽水分离装置和蒸汽清洗装置常常联合使用，以得到满意的清洗和分离效果。这种联合装置工作时，汽先在内置式旋风分离器中把水分离出去，然后通过旋风分离器上方的波形百叶窗，再经过蒸汽清洗装置和锅筒顶部的波形百叶窗，最后从蒸汽孔板引出。,1.5 锅炉的结构,蒸汽锅炉锅内装置对安全的影响：分段蒸发、连续排污装置：,1.5 锅炉的结构,蒸汽锅炉锅内装置对安全的影响：给水保护套管圈及常用的几种给水方式：,1.5 锅炉的结构,火管、水管及其它换热管耐热、耐磨、耐腐蚀新型结构：提高管口耐热性能的结构：对一些高温介质温度较高的余热锅炉，为了降低换热管高温介质入口处的温度，保护换热管，可以在换热管高温介质入口处设置水环。,1.5 锅炉的结构,火管、水管及其它换热管耐热、耐磨、耐腐蚀新型结构：降低管子和管口磨损的结构：,1.5 锅炉的结构,火管、水管及其它换热管耐热、耐磨、耐腐蚀新型结构：无间隙管子管板内孔焊接结构：,1.6 压力容器的结构,压力容器类别及压力等级、品种的划分：介质分组 压力容器的介质分为以下两组，包括气体、液化气体以及最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体：(1)第一组介质，毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。(2)第二组介质，除第一组以外的介质。介质危害性：介质危害性指压力容器在生产过程中因事故致使介质与人体大量接触，发生爆炸或者因经常泄漏引起职业性慢性危害的严重程度，用介质毒性程度和爆炸危害程度表示。介质毒性危害程度和爆炸危险程度按照HG 206602000压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类确定。HG 20660没有规定的，由压力容器设计单位参照GB 504485职业性接触毒物危害程度分级的原则，决定介质组别。毒性程度：综合考虑急性毒性、最高容许浓度和职业性慢性危害等因素，极度危害最高容许浓度小于0.1mg/m3；高度危害最高容许浓度0.11.0 mg/m3；中度危害最高容许浓度1.010.0 mg/m3；轻度危害最高容许浓度大于或者等于10.0 mg/m3。易爆介质：指气体或者液体的蒸汽、薄雾与空气混合形成的爆炸混合物，并且其爆炸下限小于10%，或者爆炸上限和爆炸下限的差值大于或者等于20%的介质。,1.6 压力容器的结构,压力容器类别及压力等级、品种的划分：压力容器类别的划分应当根据介质特性，按照以下要求选择类别划分图，再根据设计压力p（单位MPa）和容积V（单位L），标出坐标点，确定压力容器类别：(1)第一组介质，压力容器类别的划分见图A-1；(2)第二组介质，压力容器类别的划分见图A-2。,图1 压力容器分类图第一组介质,图A2 压力容器分类图第二组介质,1.6 压力容器的结构,压力容器的结构性能要求：压力容器除应满足技术经济指标外，还应满足各项结构性能要求：强度：压力容器所有部件都应有足能的强度，否则就不能保证压力容器的安全。考虑压力容器部件结构尺寸时，要同时兼顾强度、材料、制造和检验成本等诸多方面因素。一般应根据各部件所承受的载荷进行应力分析和强度计算，在符合所用材料的强度要求，便于制造和检验的前提下合理地确定各部件的结构尺寸。刚度与稳定性：刚度与稳定性是指构件在外力作用下保持其原有形状的能力。有时压力容器的设计主要取决于刚度与稳定性而不是强度，例如承受外压的容器、真空容器等。另外，为了满足制造工艺要求以及运输和安装过程中的刚度要求，有时也需要增加部件的厚度，以提高压力容器刚度。密封性：压力容器密封的可靠性是保证安全生产的重要措施之一，这是由于流程工业生产的物料往往是易燃、易爆或有毒、有害的介质。物料的泄漏，不但影响生产，更重要的是会造成人员中毒、死亡，甚至引起爆炸，其后果非常严重。,1.6 压力容器的结构,压力容器的结构性能要求：压力容器除应满足技术经济指标外，还应满足各项结构性能要求：耐久性：压力容器的耐久性是根据所要求的使用年限来决定的。一般压力容器的使用年限为812年，重要的压力容器，如高压容器一般设计年限为2025年，甚至30年，原因是高压容器的制造成本高，通常将内件加以改进和更换，而仍保留和使用压力容器外壳。核电容器早先的设计寿命为3040年，现在已达到60年。通过各种延寿措施，压力容器的实际使用年限往往还要长，其耐久性大多取决于腐蚀情况。在某些特殊情况下，还取决于容器的疲劳、蠕变、材料性能劣化（如应变时效、珠光体球化、石墨化）以及振动等。根据使用年限和服役条件，如腐蚀、高温等情况，正确选用材料，设计容器细部结构、降低容器中的应力水平，是保证容器耐久性的重要措施。制造、检验、操作和运输方便：压力容器的结构应考虑便于制造和检验，以保证质量和满足长期运行的要求，并应尽量采用标准部件。标准化是降低容器设备成本的一个重要因素。容器的结构还要考虑便于操作和日常维护，设置必要的人孔、手孔和检查孔等。容器的尺寸和形状应考虑运输的方便，其直径、长度和重量应符合运输部门的规定。,1.6 压力容器的结构,常用压力容器的结构：压力容器通常是由筒体、封头、法兰、接管、支座等部件所组成。,壳体,壳体之封头,支座,连接件,接管,开孔,密封元件,人孔,1.6 压力容器的结构,筒体结构：整体式筒体结构有单层卷焊、整体锻造、锻焊、铸-锻-焊以及电渣重熔等五种结构型式。1 单层卷焊式筒体:用卷板机将钢板卷成纵向开口圆筒，然后将纵向开口焊接在一起制成带纵焊缝筒节，再将若干个筒节组焊形成筒体，最后配上封头或端盖组装成容器。这是应用最广泛的一种容器结构。优点：结构成熟，使用经验丰富，理论较完善；制造工艺成熟、流程简单，材料利用率高；便于进行调质（淬火加回火）等热处理；容易装设开孔、接管及内件；零件少，生产及管理方便；无使用温度限制，可作为热容器及低温容器。主要缺陷：一：其壁厚往往受到钢材轧制和卷制能力的限制，我国目前单层卷焊式筒体的最大壁厚一般150mm，国外可达300mm左右；二：规格相同的压力容器产品，单层卷焊式筒体所用钢板厚度最大，厚钢板各项性能差异大，且综合性能也不如薄板和中厚板，因此产生脆性破坏的危险性增大；三：在壁厚方向上应力分布不均匀，材料利用不够合理。随着冶金和压力容器制造技术的改进，单层卷焊式结构的上述不足将逐步得到克服。,1.6 压力容器的结构,2 整体锻造式筒体:早采用且沿用至今的一种压力容器筒体结构型式。它是在钢坯上采用钻孔或热冲孔方法先开一个孔，加热后在孔中穿一心轴，然后在锻压机上逐渐锻压成形，最后再经过切削加工制成，筒体的顶、底部可和筒体一起锻出，也可分别锻出后用螺纹连接在筒体上，是没有焊缝的全锻制结构。如容器较长，也可将筒体分几节锻出，中间用法兰连接。常用于超高压等场合，它具有质量好、使用温度无限制的优点。因制造时钻孔在钢锭心部的比较疏松的部位，剩余部分经锻压加工后组织密实，故质量可靠。制造整体锻造式筒体的缺点是，需要锻压、切削加工和起重设备等一整套大型设备；材料利用率较低；在结构上存在着与单层卷焊式筒体相同的缺点。因此，这种筒体结构一般只用于内径为300500mm的小型容器上。3 锻焊式筒体：在整体锻造式筒体基础上，随着焊接技术的进步而发展起来的，是由若干个锻制的筒节和端部法兰组焊而成，所以只有环焊缝而没有纵焊缝。与整体锻造式相比，无需大型锻造设备，故容器规格可以增大，保持了整体锻造式筒体材质密实、质量好、使用温度没有限制等主要优点。因而常用于直径较大的高压容器，且在核容器上也获得了广泛的应用。,1.6 压力容器的结构,4 铸锻焊式筒体:随着铸造、锻造和焊接技术的发展提高而出现的一种新型的筒体。制造时，根据容器的尺寸，在特制的钢模中直接浇铸成一个空心八角形铸锭，钢模中心设有一活动式激冷芯柱，在钢水凝固过程中，可以更换芯柱以控制激冷速度，使晶粒细化。浇铸后切除冒口及两端，锻造成筒节，经机加工和热处理后组焊成容器。这种制造工艺金属消耗量可大大降低，但制造工序较复杂。5 电渣重熔筒体：或称电渣焊成形筒体，近年发展起来的一种制造过程高度机械化、自动化的筒体结构型式。造制时，将一个很短的圆筒（称为母筒）夹在特制机床的卡盘上，利用电渣焊在母筒上连续不断地堆焊，直到所需长度。熔化的金属形成一圈圈的螺圈条，经过冷却凝固而成为一体，其内外表面同时进行切削加工，以获得所要求的尺寸和粗糙度。这种筒体的制造无需大型工装设备，工时少，造价低，器壁内各部分材质比较均匀，无夹渣与分层等缺陷。是一种很有前途的制造高压容器的工艺。,1.6 压力容器的结构,筒体结构：组合式筒体：又可分为多层板式结构和绕制式结构两大类。1 多层板式筒体结构:包括多层包扎、多层热套、多层绕板、螺旋包扎等数种。这种筒体由数层或数十层紧密贴合的薄金属板构成。优点：一是可通过制造工艺过程控制和产生层板间预应力，使壳壁应力沿壁厚分布趋于均匀，使壳体材料得到充分利用，所以壁厚可以减薄；二是当容器的介质具有腐蚀性时，可以采用耐蚀合金钢作内筒，而用低廉的碳钢或其它强度较高的低合金钢作层板，能充分发挥不同材料的长处，节省贵重金属；三是当壳壁材料中存在的裂纹等严重缺陷一般不易扩展到其它各层；四是由于使用薄板，具有较好的抗裂性能，故脆性破坏的可能性较小；五是在制造上不需要大型锻压设备。缺点：多层板厚壁筒体与锻制的端部法兰或封头的深环焊缝，常因两连接件的热传导情况差别较大而产生焊接缺陷，有时还会因此而发生脆断。目前，已有多家大型压力容器制造厂采用阶梯状环焊缝结构，避免深环焊缝结构。由于多层板式筒体在结构和制造上具有较多的优点，是制造高压容器，特别是大型高压容器的主要结构形式，而且制造方法也在不断发展。,1.6 压力容器的结构,1 多层板式筒体结构:多层包扎式筒体:美国斯密思（A.O.Smith）公司于1931年首创，现已为许多国家所采用，是目前使用最广泛、制造和使用经验最为成熟的组合式筒体结构。先用1525mm厚的钢板卷焊成内筒，然后再将612 mm，随着包扎能力的提高，现已有采用20mm厚以上的层板压卷成两个半圆形或三瓦片形，用钢丝绳或其它装置扎紧并点焊固定在内筒上，焊好纵缝并把其外表面修磨光滑，依此继续直到达到设计厚度为止。层板间的纵焊缝要相互错开一定角度，使其分布在筒节圆周的不同方位上。此外筒节上开有若干穿透各层层板（不包括内筒）的小孔，一组称透气孔，用以排除层板间隙中的气体，避免气体膨胀产生不必要的应力；另一组称为信号孔、泄漏孔或检漏孔，通过直接观察有无介质泄漏或间接通过检测通入的检漏气体（如蒸汽）进出检漏孔时成分的变化，来及时发现内筒破裂泄漏，防止缺陷扩大。筒体端部的法兰过去多用锻制，近年来也开始采用多层包扎焊接结构。和其它结构型式相比，多层包扎式筒体生产周期长、制造中手工操作量大。目前液压包扎手的采用已使其得到改善。,图1-55,1.6 压力容器的结构,1 多层板式筒体结构:多层热套式筒体:最早用于制造超高压反应容器和炮筒上。如图所示，它由几个中厚度（一般为2050mm）钢板卷焊而成的圆筒套装而成，每个外层圆筒的内径均略小于被套装的内层圆筒的外径，将外层圆筒加热膨胀后套在内层圆筒外面，这样将各层筒依次相套，直到达到设计厚度为止。再将若干个筒节和端部法兰（端部法兰也可采用多层热套结构）组焊成筒体。早期制作这种筒体在设计中均应考虑套合预应力因素，以确保层间的计算过盈量（内筒外径大于外筒内径的量），这就需要对每一层套合面进行精密加工，增加了加工上的困难。近年来工艺改进后，对过盈量的控制要求较宽，套合面只需进行粗加工或只喷砂（或喷丸）处理而不经机加工，大大简化了加工工艺。筒体组焊成后进行退火热处理，以消除套合应力和焊接残余应力。多层热套式筒体兼有整体式和组合筒体两者的优点，材料利用率较高，制造方便，无需其它专门工艺装备，发展应用较快。当然，多层热套式筒体也有弱点，因其层数较少，使用的是中厚板，所以在防脆断能力方面要差于多层包扎式。,1.6 压力容器的结构,1 多层板式筒体结构:多层绕板式筒体:在多层包扎式筒体的基础上发展而来的。它由内筒、绕板层、楔形板和外筒四部分组成。内筒一般用1040mm厚的钢板卷焊而成；绕板层则是用厚35mm的成卷钢板构成。首先将成卷钢板的端部搭焊在内筒上，然后用专用的绕板机将钢板连续地缠绕在内筒上，直到达到所需厚度为止。起保护作用的外筒厚度一般为1012mm，为两个半圆壳体，用机械方法紧包在绕板外面，然后纵向焊接在一起。由于绕板层是螺旋状的，因此在绕板层与内、外筒之间均出现一个一边高等于钢板厚度的三角形空隙区，为此在绕板层的始端与末端都得事先焊上一段狭长的楔形板以填补空隙。故筒体只有内外筒有纵焊缝，绕板层基本上没有纵焊缝，省却需逐层修磨纵焊缝的工作，其材料利用率和生产自动化程度均高于多层包扎式结构，但受限于卷板宽度、筒节不能做得很长（目前最长的为2.2m），且长筒的环焊缝较多。我国于1966年就研制成多层绕板式容器，但由于受绕板机能力和卷板宽度的制约，目前只能绕制外径为400l200mm的筒节，且最大长度仅为1600mm。,1.6 压力容器的结构,1 多层板式筒体结构:螺旋包扎筒体:是多层包扎式结构的改进型。多层包扎式筒体层板层为各层半径不同的同心圆，其每层层板的展开长度也不同，这就要求准确下料以保证装配焊接间隙，不仅费时而且费料。螺旋包扎式结构则采用楔形板和填补板作为包扎的第一层。楔形板一端厚度为层板厚度的两倍，然后逐渐减薄至层板厚度，这样第一层就形成个与层板厚度相等的台阶，使以后各层呈螺旋形逐层包扎。包扎至最后一层，可用与第一层楔形板方向相反的楔形板收尾，使整个筒节仍呈圆形。这种结构比多层包扎式下料工作量要少，并且材料利用率也有所提高。,1.6 压力容器的结构,2 绕制式筒体结构:包括型槽绕带式和扁平钢带式两种。这种筒节体是由一个用钢板卷焊而成的内筒和在其外面缠绕的多层钢带构成。它具有多层板式筒节体的一些优点，而且可以直接缠绕成所需长度的筒体，因而可以避免多层板筒节体那样深而窄的环焊缝。压力容器的筒体结构还有套箍式、绕丝式等型式。,1.6 压力容器的结构,2 绕制式筒体结构:型槽绕带式筒节体:制造时先用1850mm厚钢板卷焊个内筒并将内筒节的外表面加工成可以与型槽钢带相互啮合的沟槽，然后缠绕上数层型槽钢带至所需厚度。钢带的始端和末端用焊接固定。由于型槽钢带的两面都带有凹凸槽，缠绕时钢带层之间及其和内筒之间均能互相啮合，使筒节体能承受一定的轴向力。此外，在缠绕时一面用电加热钢带，一面拉紧钢带，并用辊子压紧和定向，缠绕后用空气和水冷却，使钢带收缩而对内层产生预应力。筒节体的端部法兰也可以用同样方法绕成，并将外表面加工成圆柱形，然后在其外面热套上法兰箍。适用于大型高压容器，此种结构一般用于直径600mm以上，温度350以下，压力19.6MPa以上的工况。制造时机械化程度、生产效率和材料利用率均较高，经长期使用证明，质量良好，安全可靠。但由于钢带形状复杂，尺寸公差要求很严，从而给轧钢厂的轧辊制造带来很大困难，若变换钢带材料就必须重新设计、制造轧辊。况且钢带之间的啮合需要几个面同时贴紧，质量难以保证带层之间总有局部啮合不良现象。筒壁开孔和搬运都比较困难，要小心避免外层钢带损坏。,1.6 压力容器的结构,2 绕制式筒体结构:扁平钢带式（倾角错绕式）筒体:属我国首创由内筒、绕带层和筒体端部三部分组成。内筒为单层卷焊，其厚度一般为筒体总厚度的2025，筒体端部一般为锻件，其上有30锥面以便与钢带的始末端相焊。扁平钢带以倾角（钢带缠绕方向与筒体横断面之间的夹角，一般为2631）错绕的方式缠绕于