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1、第10章 压力容器零部件,第一节 法兰联接,一、法兰联接结构与密封原理二、法兰的结构与分类三、法兰密封的影响因素四、法兰标准及选用,一、法兰联接结构与密封原理,1.法兰联接结构,1-被联接件（法兰）；2-密封元件（垫片）；3-联接件（螺栓、螺母）,法兰密封失效很少是联接件或被联接件强度破坏，多因密封不好而泄漏。故法兰联接设计主要解决的问题是防止介质泄漏。,流体密封的基本原理：在联接口处增加流体流动的阻力。当压力介质通过密封口的阻力降大于密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封住了。密封口泄漏途径：一是垫片渗漏，二是压紧面泄漏。垫片材料本身存在着大量的毛细管，渗漏是难免的；压紧面泄漏是密封失效的主
2、要形式。,一、法兰联接结构与密封原理,2.法兰密封的原理,预紧密封比压：形成初始密封条件时在垫片单位面积上受到的压紧力。,工作密封比压：工作状态下维持密封结构不泄漏而作用在垫片单位面积上的残余压紧力。,二、法兰的结构与分类,按法兰接触面分类1.窄面法兰：法兰与垫片的整个接触面积都位于螺栓孔包围的圆周范围内。2.宽面法兰：法兰与垫片接触面积位于法兰螺栓中心圆的内外两侧。,二、法兰的结构与分类,按法兰与设备或管道的联接方式分类 1.整体法兰 平焊法兰：刚性较差，受力后法兰盘的矩形断面发生微小转动，与法兰相联的筒壁随着发生弯曲变形。对焊法兰：提高了刚性；由于颈的根部厚度比器壁厚，降低了的弯曲应力；法
3、兰与筒体对接焊缝强度好。,二、法兰的结构与分类,按法兰与设备或管道的联接方式分类 2.活套法兰 法兰不需焊接，法兰盘可以采用与设备或管道不同的材料制造。法兰受力后不会对筒体或管道产生附加的弯曲应力，一般只适用于压力较低场合。,二、法兰的结构与分类,按法兰与设备或管道的联接方式分类 3.螺纹法兰法兰与管壁通过螺纹进行联接。法兰对管壁产生的附加应力较小，螺纹法兰多用于高压管道上。,方形法兰有利于把管子排列紧凑。椭圆形法兰通常用于阀门和小直径的高压管上。,三、法兰密封的影响因素,1.螺栓预紧力影响密封的一个重要因素：预紧力必须使垫片压紧并实现初始密封条件；预紧力过大会使垫片被压坏或挤出。提高螺栓预紧
4、力可增加垫片的密封能力。当密封所需要的预紧力一定时，采取减小螺栓直径，增加螺栓个数的办法对密封是有利的。,三、法兰密封的影响因素,2.压紧面(密封面)平面型压紧面（a、b）压紧面表面为光滑平面，或有数条三角形断面沟槽。优点：压紧面结构简单，加工方便。缺点：压紧面垫片接触面积较大，预紧时，垫片容易往两边挤，不易压紧，密封性能较差。当介质有毒或易燃易爆时，不得采用。,三、法兰密封的影响因素,2.压紧面(密封面)凹凸型压紧面（c）压紧面是由一个凸面和一个凹面相配合组成，在凹面上放置垫片。优点是便于对中，能防止垫片被挤出，故适用于压力较高的场合。榫槽型压紧面（d）压紧面由一个榫和一个槽组成，垫片置于槽
5、中，不会被挤流动。垫片可以较窄，压紧垫片所需的螺栓力较小。缺点是结构与制造比较复杂，更换挤在槽中的垫片困难，榫面部分容易损坏。适于易燃、易爆、有毒的介质以及较高压力的场合。,三、法兰密封的影响因素,2.压紧面(密封面)锥形压紧面（左图）锥形压紧面是和球面金属垫片（称透镜垫片）配合而成锥角200。通常用于高压管件密封。缺点是需要的尺寸精度和表面光洁度高，直径大时加工困难。梯形槽压紧面（右图）利用槽的内外锥面与垫片接触而形成密封的，槽底不起密封作用。压紧面一般与槽的中心线呈230，与椭圆形或八角形截面的金属垫圈配合。密封可靠，加工比透镜垫容易。用于高压容器和高压管道。,三、法兰密封的影响因素,3.
6、垫片性能密封的必要条件：适当的垫片变形和回弹能力。垫片的变形和回弹能力与垫片的材料和结构有关。垫片材料：良好的变形性能和回弹能力；一定的机械强度和适当的柔软性；工作温度下不易变质硬化或软化。非金属垫片材料：石棉板、橡胶板、石棉胶板及合成树脂。金属非金属混合制垫片：金属包垫片及缠绕垫片等。金属垫片材料：不要求强度高，而是要求软韧。常用的是软铝、铜、铁(软钢)、蒙耐尔合金钢和188不锈钢等。,三、法兰密封的影响因素,4.法兰刚度法兰刚度不足而产生过大的翘曲变形往往是导致密封失效的原因。提高法兰刚度的措施：增加法兰的厚度、减小螺栓力作用的力臂(即缩小螺栓中心圆直径)和增大法兰盘外径；对于带长颈的整体
7、和活套法兰，增大长颈部分的尺寸，将能显著提高法兰抗弯变形能力。,三、法兰密封的影响因素,5.操作条件操作条件即压力、温度和介质的物理、化学性质。温度对密封性能的影响：高温介质粘度小，渗透性大，容易泄漏；介质在高温下对垫片和法兰的溶解与腐蚀作用将加剧，增加了产生泄漏的因素；在高温下，法兰、螺栓、垫片可能发生蠕变，致使压紧面松弛，密封比压下降；非金属垫片在高温下将加速老化或变质，甚至被烧毁；在高温作用下，由于密封组合件各部分的温度不同，发生热膨胀不均匀，增加了泄漏的可能；如果当温度和压力联合作用时，又有反复的激烈变化，则密封垫片会发生“疲劳”，使密封完全失效。,四、法兰标准及选用,1.压力容器法兰
8、标准 平焊法兰 平焊法兰分成甲型平焊法兰（JBT4701-2000）与乙型平焊法兰（JBT4702-2000），区别是乙型法兰有一个壁厚不小于16mm的圆筒形短节，其刚性比甲型平焊法兰好。甲型的焊缝开V型坡口，乙型的焊缝开U型坡口。对焊法兰（JBT47032000）将乙型平焊法兰中的短节，换成一个根部加厚的“颈”，使法兰的整体强度和刚度更大。,四、法兰标准及选用,2.压力容器法兰的尺寸 法兰尺寸的基本参数 法兰的公称直径DN。指的是与法兰相配筒体或封头的公称直径。法兰公称压力PN。在规定设计条件下，确定法兰结构尺寸时采用的设计压力。分0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0和6.4MP
9、a7个等级。,四、法兰标准及选用,2.压力容器法兰的尺寸 确定法兰尺寸的计算基础及选用法兰系列表中的法兰尺寸：规定设计温度是200、规定法兰材料是16MnR或16Mn锻件，根据不同型式的法兰，规定了垫片的形式、材质、尺寸和螺柱材料的基础上，按照不同的容器直径和设计压力，通过多种方案的比较计算和尺寸圆整得到的。从法兰尺寸系列表来观察，法兰的尺寸是由法兰的公称压力和公称直径唯一确定的。在选用法兰时，只需知道法兰的公称压力和公称直径即可，不管实际使用的法兰材料是不是16MnR，也不用管法兰的使用温度是不是200，只要法兰的公称压力和公称直径一定，法兰的类型一定，法兰的尺寸就是一定的。,四、法兰标准及
10、选用,3.压力容器法兰的最大允许工作压力法兰标准中又附有两张标明法兰最大允许工作压力的表（见教材P453455）容器法兰标准中的法兰尺寸是根据特定条件确定的，可是在法兰尺寸系列表中法兰尺寸又是由PN与DN唯一确定的。如果实际生产中使用的法兰都是由16MnR制造的，操作温度又都是200，那么在法兰尺寸系列表中按某一公称压力查得的法兰，它的允许最大工作压力将等于该法兰的设计压力。如果使用的材料比16MnR差，或使用的温度又比200高，那么该法兰的允许最大工作压力就应低于它的设计压力；如果采用的法兰材料强度高于16MnR，或使用的温度低于200，那么该法兰的允许最大工作压力就应高于它的设计压力。即法
11、兰的最大允许工作压力是高于还是低于其公称压力，完全取决于选用的法兰材料与法兰的工作温度。,四、法兰标准及选用,4.压力容器法兰的选用步骤要为一台内径为Di，设计压力为p，设计温度为t的容器筒体或封头选配法兰时，可以按下列步骤进行：根据容器的Di（DN）和设计压力为p，参照教材P250表13-1确定法兰的结构类型；根据选定的法兰类型和容器的设计压力、设计温度以及法兰材料，用附表II6、7（见教材P453455）中确定法兰的公称压力。有时要将所确定的公称压力和公称直径用表131复核一下该PN与 DN是否在所选定的法兰类型包容的范围之内。根据所确定的PN与DN从相应的尺寸表中选定法兰各部分的尺寸。,
12、【法兰选用举例】,为一台精馏塔塔节选配法兰。该塔内径Di1000mm，n=4mm，操作温度280，设计压力p=0.2MPa，法兰材料可用20R，也可用16MnR，试分别确定使用这两种材料时法兰的类型和尺寸。,四、法兰标准及选用,5.容器法兰的标记法兰类型代号：法兰（无衬环）、法兰C（带衬环）密封面形状代号：平面P、凹面A、凸面T、榫面S、槽面C,【法兰标记举例】公称压力1.6MPa，公称直径800mm的衬环榫槽密封面乙型平焊法兰中的榫面法兰。标记为：法兰CS 8001.6 JB 47022000。,6.管法兰标准 国内配管系列英制管：以英寸表示公称直径，国际上通用，各国的英制管外径尺寸略有差异
13、，但大致相同。公制管：以mm表示，我国除石油化工行业之外的其它行业广泛采用。区别：钢管外径在DN150mm时，公制管外径小于英制管；DN300mm时公制管外径稍大于英制管。国内管法兰标准英制管在国际上分为欧洲体系和美洲体系。同一体系内部各国的法兰标准之间可以互相配用，但体系之间不能互相配用，主要是公称压力等级不同。我国法兰标准有国家标准GB91129135（欧洲体系和美洲体系），机械行业标准JBT7490，化工行业标准HG205922063597。我国压力容器安全监察规程99版，规定管法兰优先选用HG2059220635标准的法兰。,四、法兰标准及选用,第二节 容器支座,一、卧式容器支座二、立
14、式容器支座,鞍座：卧式容器、大型卧式贮槽、热交换器等多采用鞍座；圈式支座：大直径薄壁容器和真空操作的容器，支承数多于两个时，采用比采用鞍式支座受力情况更好；支腿支承：小直径的容器。,一、卧式容器支座,注意设备受热会伸长，为防止设备器壁中产生热应力。在操作时要加热的设备，总是将一个支座做成固定式的，另一个做成活动式的。使设备与支座间可以有相对的位移。,1.双鞍式支座卧式容器,一、卧式容器支座,卧式容器的力学分析：压力内压或外压（真空）；储罐重量圆筒、封头及其附件等的重量；物料重量正常操作时为物料重量，而在水压试验时为充水重量；其他载荷雪载荷、风载荷、地震载荷等。双鞍座卧式容器的力学模型：长度为L
15、、受均布载荷q作用的外伸简支梁。,1.双鞍式支座卧式容器 双鞍座筒体的轴向应力 支座反力计算,一、卧式容器支座,L筒体长度（两封头切线之间的距离），mm；hi封头内壁曲面高度，平封头hi=0 mm；q单位长度的重量载荷，Nmm。【注】凸形封头折算为直径等于容器直径，长度为2/3hi的圆筒。,1.双鞍式支座卧式容器 双鞍座筒体的轴向应力 筒体内力分析封头载荷的简化：(a)封头与物料的重量为，作用在封头的重心上；封头重心至封头切线的距离为（以半球形封头为例）。利用力的平移定理，此载荷在粱端点等效为力 和力偶；(b)封头充满液体时，液体静压力对封头作用一水平向外推力。因为液体压力沿筒体高度按线性规律
16、分布，顶部静压为零，底部静压为，所以水平推力向下偏离容器轴线。液体静压力作用在封头上的合力矩可简化为：。,一、卧式容器支座,1.双鞍式支座卧式容器 双鞍座筒体的轴向应力 筒体内力分析跨中截面上的弯矩为：支座处截面上的弯矩：,一、卧式容器支座,1.双鞍式支座卧式容器 双鞍座筒体的轴向应力 筒体的轴向应力计算在跨中横截面1-1上，由介质压力及弯矩所引起的轴向应力之和：,一、卧式容器支座,横截面的最高点,横截面的最低点,在支座处横截面22上，由压力及弯矩所引起的轴向应力之和：,有效截面的最高点,有效截面的最低点,K1，K2系数，取决于筒体是否加强及鞍座包角的大小。,1.双鞍式支座卧式容器 双鞍座筒体
17、的轴向应力 筒体的轴向应力计算,一、卧式容器支座,在支座处横截面22上，由压力及弯矩所引起的轴向应力之和：,1.双鞍式支座卧式容器 双鞍式支座的结构与标准横向直立筋板、轴向直立筋板和底板焊接而成。与设备筒体连接处，有带加强垫板和不带加强垫板的两种结构。,一、卧式容器支座,1.双鞍式支座卧式容器 双鞍式支座的结构与标准根据底板上螺栓孔形状的不同，每种型式的鞍座又分为F型（固定支座）和S型（活动支座），F型和S型底板的各部分尺寸，除地脚螺柱孔外，其余均相同。鞍座标准分为轻型(A)和重型(B)两大类，重型又分为BIB V五种型号。鞍座标准的选用：首先根据鞍座实际承载的大小，确定选用轻型（A型）或重型
18、（BI，BII，BIII，BIV，BV型)鞍座；再根据容器圆筒强度确定选用1200或1500包角的鞍座。鞍座标记方法：,一、卧式容器支座,1.双鞍式支座卧式容器 双鞍式支座的结构与标准【例】公称直径为2600mm的轻型(A型)鞍座，标记为：JBT471292 鞍座A2600F JBT471292 鞍座A2600S2.圈式支座圈座适用的范围是：因自身重量而可能造成严重挠曲的薄壁容器；多于两个支承的长容器。3.支腿支腿支座与容器壁连接处存在较大的局部应力，故只适用于小型容器。,一、卧式容器支座,1.耳式支座耳式支座又称悬挂式支座，它由筋板和支脚板组成。耳式支座分为A型（短臂）和B型（长臂）两类，每
19、类又分为带垫板和不带垫板两种，不带垫板的分别以AN和BN表示。特点：简单、轻便，但对器壁会产生较大的局部应力。耳式支座标准选用的方法是：根据公称直径DN及估算的总重量Q值预选一标准支座，然后计算支座承受的实际载荷Q，并使QQ（支座本体允许载荷，单位为kN）。耳式支座的标记方法：JBT472592 型号（A、AN、B、BN）支座号（18）标记示例：JBT472592 耳座AN3；材料：Q235A.F,二、立式容器支座,第三节 容器的开孔补强,一、开孔应力集中现象及其原因二、开孔补强设计的原则与补强结构三、等面积补强的设计方法四、整体补强,一、开孔应力集中现象及其原因,1.应力集中的定义容器开孔后
20、，在孔边附近的局部地区，应力会达到很大的数值。这种局部应力增长现象，叫做“应力集中”。在应力集中区域的最大应力值，称之为“应力峰值”，通常以max表示。,图中K为实际应力与球壳薄膜应力的比值，称为“应力集中系数”。,一、开孔应力集中现象及其原因,2.应力集中产生的根本原因由于结构的连续性被破坏，在开口接管处，壳体和接管的变形不一致。为使二者在连接之后的变形协调一致，连接处便产生了附加的内力，主要是附加弯矩。由此产生附加弯曲应力，便形成连接处局部地区的应力集中。,二、开孔补强设计的原则与补强结构,1.补强设计原则 等面积补强法的设计原则规定局部补强的金属截面积必须等于或大于开孔所减去的壳体截面积
21、，其含义在于补强壳壁的平均强度，用与开孔等截面的外加金属来补偿被削弱的壳壁强度。缺点：不能完全解决应力集中问题，当补强金属集中于开孔接管的根部时，补强效果良好；当补强金属比较分散时，即使100等面积补强，仍不能有效地降低应力集中系数。塑性失效补强原则为极限设计的方法，同时又考虑到结构的安定性。基本特点：开孔容器在接管处达到全域塑性时的极限压力应等于无孔壳体的屈服压力；同时，按弹性计算的最大应力应不超过2s。如果将薄膜应力控制在许用应力以下，那么应力集中区的最大应力集中系数可以为3.0。但这种补强方法只允许采用整体锻件补强结构。,二、开孔补强设计的原则与补强结构,2.补强形式 内加强平齐接管；外
22、加强平齐接管；对称加强凸出接管；密集补强。效果：密集补强对称凸出接管内加强平齐接管外加强平齐接管。,二、开孔补强设计的原则与补强结构,3.补强结构 补强板搭接结构 加强元件补强结构 整体补强结构4.不另行补强最大开孔直径 设计压力p2.5MPa；当相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；接管外径89mm；接管最小壁厚满足下表规定。,三、等面积补强的设计方法,等面积补强：使补强的金属量等于或大于开孔所削弱的金属量。补强金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积，必须等于或大于壳体由于开孔而在纵截面上所削弱的正投影面积。即A1A2A3An AA1、A2、A3、An补强
23、金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积，mm2；A壳体由于开孔在纵截面上削弱的正投影面积，mm2。内压容器：外压容器：fr强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比。,三、等面积补强的设计方法,1.允许开孔的范围当采用局部补强时，筒体及封头上开孔最大直径不得超过以下数值：a.筒体内径Di1500mm时，开孔最大直径d0.5Di，且500mm。b.筒体内径Dil500mm时，开孔最大直径dDi/3，且1000mm。c.凸形封头或球壳开孔的最大直径d0.5Di。d.锥形封头开孔的最大直径dDk/3，Dk为开孔中心处的锥体内径。,三、等面积补强的设计方法,2.开孔有效补强范围及补
24、强面积的计算有效宽度：有效高度：外侧高度：内侧高度：,有效补强区的矩形WXYZ范围内，可作为有效补强的金属面积。,三、等面积补强的设计方法,2.开孔有效补强范围及补强面积的计算A1壳体承受内压或外压所需设计厚度之外的多余金属，mm2；A2接管承受内压或外压所需设计厚度之外的多余金属，mm2；A3在补强区内的焊缝截面积，mm2；A4在补强区内另加的补强截面积，mm2。若A1A2A3A，则不需另加补强；若A1A2A3A，则需另加补强；补强面积为A4A-(A1A2A3),三、等面积补强的设计方法,3.开孔补强设计步骤A.计算壳体(或封头)与接管承受内压(或外压)时的计算壁厚S和St，确定壁厚附加量C
25、和C2，同时确定开孔内直径d；B.利用A.中确定的d，C，C2以及壳体(或封头)和接管的名义壁厚Sn和Snt，计算补强有效宽度B和高度h1和h2；C.计算开孔补强的面积要求A，以及Al和A2，并根据补强区内焊缝的尺寸确定A3；D.比较A与A1A2A3，若AA1A2A3，则不需另加补强，若AA1A2A3，则需另加补强面积；E.确定补强圈材质和厚度Sk，按下式计算A4：式中Sk补强圈的实际厚度，mm补强的厚度Sk通常取与壳体或封头等厚度，或按下式计算：式中D1和D2分别为补强圈的内、外径。经反复计算，使AA1A2A3，并接近相等时为止。,四、整体补强,所谓整体补强，就是用增加整个筒体或封头壁厚的办
26、法来降低峰峰值应力，使之达到工程上许可的程度。当筒身上开设排孔，或封头上开孔较多时、可以采用用整体补强的办法。,第四节 容器附件,一、接口管二、凸缘三、手孔与人孔四、视镜,一、接口管,设备上的接口管，用于连接其它设备和介质的输送管道，或用于装置测量、控制仪表。,二、凸缘,当接管长度必须很短时，可用凸缘(又叫突出接口)来代替。凸缘本身具有加强开孔的作用，不需再另外补强。,二、凸缘,当接管长度必须很短时，可用凸缘(又叫突出接口)来代替。凸缘本身具有加强开孔的作用，不需再另外补强。,三、手孔与人孔,安设手孔和人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。手孔的直径一般为150250mm，标准手孔的公称直径有DN150和DN250两种。当设备的直径超过900mm时，应开设人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形两种。椭圆形人孔的短轴应与受压容器的筒身轴线平行。圆形人孔的直径一般为400mm，容器压力不高或有特殊需要时，直径可以大一些，圆形标准人孔的公称直径有DN400，DN450，DN500和DN600四种。椭圆形人孔(或称长圆形人孔)的最小尺寸为400300mm。,四、视镜,视镜除了用来观察设备内部情况外，也可用作物料液面指示镜。,
