锅炉压力容器中按几何形状划分的基本承压单元称为受压元件。常见受压元件多是轴对称壳体结构,主要是球壳、圆筒壳及与其相配的各种形式的封头。
一、球壳
球形容器的本体是球壳即中空薄壁球。球形容器的直径一般都比较大,难以整体或半整体压制成形,大多是由许多块预先压制成形的球面板组焊而成。
球壳适宜于承压,在内压力和壁厚相同的情况下,球形壳体的应力是圆筒形壳体的1/2。如果容器的直径、制造材料和工作压力相同,球形容器所需要的壁厚也为圆筒的1/2。从表面积来看,球形壳体的表面积比容积相同的圆筒形壳体小10%~30%。表面积小,壁厚较薄,因而制造同容积的容器,球形容器要比圆筒形容器节省板材约30%~40%。所以球形容器最适宜作储存容器,目前大型液化气体储罐多采用球形。此外,有些用蒸气直接加热的容器,为了减少热损失,有时也采用球体,如造纸工业中用于蒸煮纸浆的蒸球。
球形容器制造比较困难,工时成本较高,而且作为反应或传热、传质用容器,不便于在内部安装工艺附件装置和内部介质的流动。
半球壳或球缺可用作圆筒壳的封头。
二、圆筒壳
圆筒是使用得最普遍的一种承压结构。圆筒形容器比球形容器易于制造,便于在内部装设工艺附件及内部介质的流动,因此广泛用作锅炉部件及反应、换热和分离容器。圆筒形容器由一个圆筒壳体和两端的封头(端盖)组成。
1.薄壁圆筒壳 薄壁圆筒壳外径与内径之比一般不大于1.2,多应用于中、低压锅炉及容器。薄壁圆筒除了直径较小者可以采用无缝钢管外,一般用钢板卷成圆筒后焊接而成。圆筒壳承压后应力分布比较均匀。由于圆筒壳的周向(环向)应力是轴向应力的两倍,所以制造圆筒壳体时一般将纵焊缝减至最少。
2.厚壁圆筒壳 其外径与内径之比一般大于1.2。按结构可分为单层筒体、多层板筒体和绕带式筒体等种。
三、与圆筒壳相配的封头
锅炉压力容器的封头或端盖按形式可分为凸形封头、锥形封头和平板封头几种。
1.凸形封头 包括半球形封头、碟形封头、椭球形封头和无折边球形封头等种。
半球形封头是一空心半球体,加工制造比较困难,只有压力较高、直径较大或有其他特殊需要的圆筒容器才采用半球形封头。
碟形封头又称带折边的球形封头,形状如碟,中央是部分球面,与筒体连接部分是一定高度的圆筒壳体(直边),球面体与圆筒壳体间由过渡弧(折边)连接。由于结构不连续,碟形封头现大都被椭球形封头所取代。
椭球形封头由以短轴为回转轴的半椭球壳和圆筒壳体组成。标准椭球封头的长短轴之比为2,在中、低压锅炉及容器中应用最为普遍。
无折边球形封头是深度很小的球冠。它与圆筒体连接处结构不连续,存在很高的局部应力,只应用于直径较小、压力很低的容器。
2.锥形封头 锥形封头分无折边锥形封头和带折边锥形封头两种。无折边锥形封头与筒体直接连接,结构形状不连续,在连接处附近产生较大的局部应力,该结构形式只应用于直径小、压力较低的容器,且要求半顶角α≤30°,多采用局部加强结构。带折边锥形封头由圆锥壳体、过渡圆弧和圆筒壳体组成,半顶角α有30°和45°两种。
3.平封头 圆形平板结构简单,制造方便,便承压后受力状况很差。除用作小直径的锅炉集箱端盖外,常在低压锅炉、容器中用作人孔和手孔盖板。