{能源化工管理}化工容器设计第七讲

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1、法 兰 引 言,在石油、化工设备和管道中，由于生产工艺的要求，或者为制造、运输、安装、检修方便，常采用可拆卸的联接结构。 （一）化工设备中的可拆卸连接应当满足下列基本要求： a、能保证在操作温度和操作压力下的紧密不漏； b、有足够的强度，不因可拆卸连接的存在而消弱了整个结构的强度，并保证本本身能抵抗所有外力的作用； c、能迅速的并多次装卸； d、成本低廉。,法 兰 引 言,（二）连接型式分类 常见的可拆卸结构有法兰联接、螺纹联接和承插式联接,螺纹连接闸阀,承插式连接,法兰连接三通球阀,钎焊连接,法 兰 引 言,采用可拆卸联接之后，确保接口密封的可靠性，是保证化工装置正常运行的必要条件。由于法兰

2、联接有较好的强度和紧密性，适用的尺寸范围宽，在设备和管道上都能应用，所以应用最普遍。但法兰联接时，不能很快地装配与拆卸，制造成本较高。,法 兰 引 言,（三）法兰 1、法兰的连接结构：一对法兰、垫片和若干螺栓螺母。借助螺栓将两部分设备连接在一起，并压紧垫片使连接处紧密不漏。,法 兰 引 言,（三）法兰 2、法兰的密封原理：法兰在螺栓预紧力的作用下，把处于密封面之间的垫片压紧。施加于单位面积上的压力（压紧应力）必须达到一定的数值才能使垫片变形而被压实，密封面上由机械加工形成的微隙被填满，形成初始密封条件。所需的这个压紧应力叫垫片密封比压力，以y表示，单位为MPa。密封比压力主要决定于垫片材质。显

3、然，当垫片材质确定后，垫片越宽，为保证应有的比压力，垫片所需的预紧力就越大，从而螺栓和法兰的尺寸也要求越大，所以法兰联接中垫片不应过宽，更不应该把整个法兰面都铺满垫片。,法 兰 引 言,（三）法兰 2、法兰的密封原理：当设备或管道在工作状态时，介质内压形成的轴向力使螺栓被拉伸，法兰密封面沿着彼此分离的方向移动，降低了密封面与垫片之间的压紧应力。如果垫片具有足够的回弹能力，使压缩变形的回复能补偿螺栓和密封面的变形，而使预紧密封比压值至少降到不小于某一值(这个比压值称为工作密封比压)，则法兰密封面之间能够保持良好的密封状态。反之，垫片的回弹力不足，预紧密封比压下降到工作密封比压以下，甚至密封处重新

4、出现缝隙，则此密封失效。因此，为了实现法兰联接处的密封，必须使密封组合件各部分的变形与操作条件下的密封条件相适应，即使密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧力。为此，螺栓和法兰都必须具有足够大的强度和刚度，使螺栓在容器内压形成的轴向力作用下不发生过大的变形。,法 兰 引 言,（三）法兰 3、法兰连接问题： （1）结构完整性问题：对于法兰连接要确保组成螺栓连接系统的各部件有足够的强度，使之在各种操作条件下长期使用而不破坏； （2）紧密型问题：法兰的失效主要表现为泄漏。因此，法兰连接的最基本问题是在各种操作条件下，设备内的介质不会通过法兰接头向外或向内发生泄漏。,法 兰 引 言,（三）法

5、兰 4、法兰设计计算的两个基本问题： 法兰选用 包括法兰标准及其应用；法兰、垫片和螺栓的选用。 法兰设计 （1）密封设计：按操作条件，选取法兰型式、压紧面形状、垫片型式，计算在安装工况和操作工况下，螺栓必需的预紧载荷和操作载荷，以达到设计的密封要求。 （2）强度计算：即初定法兰的结构尺寸，根据（1）计算得到的螺栓载荷，对法兰进行上述两种工况下的受力分析和校核，以确定厚度等尺寸。,法 兰 公称通径、公称压力、法兰标准及其应用,1、公称通径： 一般将容器和管道的直径按等级划分为一系列的的公称通径，由字母DN和后跟无因次的整数组成。例如：DN25、DN50。对于英制单位的标准，以字母NPS后跟无因次

6、的整数组成，如：NPS1，NPS2。容器的公称通径等于容器的内经；管子则不然，其公称通径既不等于管子内径，也不等于外径，而是接近它们的某个整数；法兰的公称通径与其相连的容器或管子的公称通径相一致。,法 兰 公称通径、公称压力、法兰标准及其应用,2、公称压力： 按容器或管道所受的压力分为若干等级而定的，由字母pN后跟无因次整数组成。对于英制标准，以字母CLASS和后跟无因次整数组成。 法兰的允许操作压力取决于公称压力大小、法兰的材料及其操作温度。,法 兰 公称通径、公称压力、法兰标准及其应用,3、法兰标准： 其标准按管法兰和容器法兰区分。设备法兰与管法兰均已制定出标准。在很大的公称直径和公称压力

7、范围内，法兰规格尺寸都可以从标准中查到，只有少量超出标准规定范围的法兰，才需进行设计计算。目前国外的管法兰标准可归属两个系列，即以pN和CLASS标示的两个压力级别的管法兰。国内的容器法兰标准仍是原机械电子工业部、化工部、劳动部、中石化总公司共同制定的压力容器法兰（JB4700-4703）。,法 兰 公称通径、公称压力、法兰标准及其应用,4、应用： （1）公称压力的选取，应使设计压力不超过标准中给出的额定压力，此压力是在设计温度和法兰材料下给定的。 （2）标准法兰的连接尺寸，如法兰的外径、法兰压紧面的外径、螺栓中心圆的直径、螺栓的数量和螺栓直径，对同一DN（或NPS）和pN（或CLASS）的法

8、兰，不论其结构型式，都是一致的，即具有相同的连接尺寸。应尽量选用标准法兰。,法 兰 法兰结构类型和应用场合,（一）法兰的分类,法 兰 法兰结构类型和应用场合,整 体 法 兰,法 兰 法兰结构类型和应用场合,整 体 法 兰,平焊法兰（图(a) (b) ） 法兰盘焊接在设备筒体或管道上，制造容易，应用广泛，但刚性较差。法兰受力后，法兰盘的矩形截面发生微小转动，见下图，与法兰相联的筒壁或管壁随着发生弯曲变形。于是在法兰附近筒壁的截面上，将产生附加的弯曲应力。所以平焊法兰适用的压力范围较低（PN4.0MPa）。,法 兰 法兰结构类型和应用场合,整 体 法 兰,对焊法兰（图(c)） 对焊法兰又称高颈法兰

9、或长颈法兰。颈的存在提高了法兰的刚性，同时由于颈的根部厚度比筒体厚，所以降低了根部的弯曲应力。此外，法兰与筒体（或管壁）的联接是对接焊缝，比平焊法兰的角焊缝强度好，故对焊法兰适用于压力、温度较高或设备直径较大的场合。,法 兰 法兰结构类型和应用场合,松 体 法 兰,松式法兰的特点是法兰未能有效地与容器或管道连接成一整体，不具有整体式连接的同等强度，如上图所示。由于法兰盘可以采用与设备或管道不同的材料制造，因此这种法兰适用于铜制、铝制、陶瓷、石墨及其非金属材料的设备或管道上。另外，这种法兰受力后不会对筒体或管道产生附加的弯曲应力，这也是它的一个优点，但一般只适用于压力较低的场合。,法 兰 法兰结

10、构类型和应用场合,任 意 式 法 兰,任意式法兰其整体性介于整体法兰和松式法兰之间，包括未焊透的焊接法兰。按形状分为：圆形、方形和椭圆形几种,圆形法兰是最常见的，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子上。,（二）、影响法兰密封的因素 螺栓预紧力 密封面型式 垫片性能 法兰刚度 操作条件,法 兰 法兰结构类型和应用场合,法 兰 法兰结构类型和应用场合,法 兰 法兰结构类型和应用场合,法兰密封面类型表,法 兰 法兰结构类型和应用场合,法兰密封面类型表,法 兰 法兰结构类型和应用场合,法 兰 法兰结构类型和应用场合,法 兰 法兰结构类型和应用场合,法 兰 法兰结构类型

11、和应用场合,金属与非金属混合制垫片有金属包垫片及缠绕垫片等，见图(b)、(c)和(d)。金属包垫片是用薄金属板（镀锌薄钢板、0Cr18Ni9等）将非金属包起来制成的；金属缠绕垫片是薄低碳钢带(或合金钢带)与石棉带一起绕制而成。这种缠绕式垫片有不带定位圈的和带定位圈的两种。金属包垫片及缠绕垫片较单纯的金属垫片有较好的性能，适应的温度与压力范围较高一些。 金属垫片材料一般并不要求强度高，而是要求软韧。常用的是软铝、紫铜、铁(软钢)、蒙耐尔合金(含Ni67，Cu30，Cr45)钢等。金属垫片主要用于中、高温和中、高压的法兰联接密封。,法 兰 法兰结构类型和应用场合,垫片材料的选择应根据温度、压力以及

12、介质的腐蚀情况决定，同时还要考虑密封面的形式、螺栓力的大小以及装卸要求等 。,垫片材料的选用,（一）材料 对其材料的要求是：强度高、韧性好、耐介质腐蚀。 （二）分级 按螺栓的许用应力大小分为高强度、中强度、低强度三级。 （三）选配 和法兰垫片选配一样，选螺栓材料强度时，也要考虑两者的协同。如公称压力高的法兰，需要密封性能好的垫片，也需要选配强度级别高的螺栓。若螺栓强度级别偏低，没有足够的螺栓载荷提供垫片密封所需的压紧力；而过高，当螺栓数量一定时，使螺栓直径太小，导致螺栓设计应力过高，一不小心容易造成拧断。在高温下，过高的螺栓应力，导致过快松弛。为避免螺栓与螺母咬死，螺母的硬度一般比螺栓低HB3

13、0，所以它们也存在一个选配的问题。,螺 栓,（四）数目与布置,2、螺栓的数量至少应为4个，且为4的整数倍。 3、螺栓的许用应力取决于材料、螺栓直径和操作温度。可以看出，设计或选用法兰连接时，应将其作为一个整体，法兰、垫片和螺栓之间需要有一个合适的选配。,螺 栓,（一）垫片的密封机理 1、机理分析： 法兰通过紧固螺栓压紧垫片实现密封。泄漏以两种形式出现：渗透泄漏和界面泄漏。 渗透泄漏：流体通过垫片材料本体毛细管的泄漏； 界面泄漏：流体通过垫片与法兰接触界面泄漏，这是法兰的主要泄漏来源。 分析：预紧螺栓时，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上，使垫片发生弹性或塑性变形，以填满法兰压紧面上的不平间隙，从

14、而阻止流体泄漏。设备操作时，法兰压紧面趋向分开，垫片产生回弹，如果垫片与压紧面之间没有残余足够的压紧力，就不能封住流体，即紧密失效。,法兰设计,（一）垫片的密封机理 2、比压力和垫片系数 预紧比压y：预紧时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始的密封条件，此时垫片所必需的最小压紧载荷，因以单位接触面积上的压紧载荷计，故也称为“最小压紧力”，单位为MPa。 垫片系数m：操作时，达到密封不漏，垫片上所必须维持的比压与介质压力p的比值。 y、m仅与垫片材料、结构与厚度有关。同时，保证法兰连接紧密不漏有两个条件： （1）必须在预紧时，使螺栓力在压紧面与垫片之间建立起不低于y值的比压力； （2）当设备工

15、作时，螺栓力应能够抵抗内压作用，并且在垫片上维持m倍内压的比压力。,法兰设计,法兰设计,（二）密封计算,法兰设计,（二）密封计算,法兰设计,（二）密封计算,法兰设计,（二）密封计算,法兰设计,（二）密封计算,法兰设计,（三）法兰的强度计算,力 学 计 算 模 型,法兰设计,（三）法兰的 强度计算,Waters法包含了一下的假设和简化： （1）所有组成法兰接头的部件的材料假定是均匀的，并在设计载荷条件下保持完全弹性； （2）所有施加于法兰上的载荷，归结为一对作用在法兰环内外周上的均布力W1所组成的力偶； （3）忽略螺栓的影响，假设问题是周对称； （4）不计螺栓孔德影响； （5）假设壳体和椎颈为薄壳结构； （6）壳体理论分析中，以法兰和椎颈的内孔表面为中性面； （7）当法兰环绕曲时，桥体与椎颈大端的径向位移为零； （8）法兰中面因所施加的力偶而引起的伸长可忽略； （9）内压以及由内压引起的各部分相邻边缘处产生的盈利与法兰环力偶产生的弯曲应力相比，可忽略不计； （10）法兰的位移很小，叠加原理可以应用。,法兰设计,（三）法兰的 强度计算,法兰设计,（三）法兰的强度计算,法兰设计,（三）法兰的强度计算,上图较复杂，因此Waters法确定了法兰强度的三个主要应力： 法兰环内圆柱面上与椎颈连接处的最大径向应力