化工设备设计基础第10章压力容器零部

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1、第10章 压力容器零部件,第一节 法兰联接 第二节 容器支座 第三节 容器的开孔补强 第四节 容器附件,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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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.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

7、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

8、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

9、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6.4MPa7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

10、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

11、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P4

12、53455）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。,【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

13、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，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

14、），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

15、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、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

16、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