第六章 能承受压力的容器零部件设计6.1 法兰连接5.1.1.法兰连接结构与密封原理1.连接结构：第1页第1页法兰连接结构（外观）第2页第2页法兰连接结构（剖开看）第3页第3页2.法兰密封原理法兰密封面泄漏原因：●密封垫表面与法兰密封面之间有空隙,或截面内有毛细管——泄漏通道。●密封面两侧介质有压差——推动力。从法兰密封连接过程看其密封原理：（1）安装过程——拧紧螺栓,垫片被压紧（垫内毛细管被切断；消除了与法兰密封面之间空隙）。垫片单位面积上所受压紧力，称为垫片密封比压。当垫片密封比压达到某一值时，便具备了初始密封条件，此时比压称为预紧密封比压。第4页第4页（2）工作条件下——介质压力和温度均升高。——螺栓被拉伸，法兰变形，法兰密封面相对有分离趋势。致使垫片比压下降。——垫片回弹，补偿或部分补偿了法兰分离位移。此时残余比压若不小于某一值（称为工作密封比压），仍可保持良好密封状态。不然，将发生泄漏。第5页第5页看看法兰连接的工作过程第6页第6页6.1.2.法兰分类1.整体法兰——法兰与设备或管道不可拆卸。1）平焊法兰——板式平焊法兰，带颈平焊法兰第7页第7页板式平焊管法兰2）.对焊法兰第8页第8页2.松套法兰平焊环松套板式翻边松套板式第9页第9页3.螺纹法兰——法兰与设备或管道之间以螺纹连接。第10页第10页6.1.3 影响法兰密封原因原因1.螺栓预紧力——大小适当。垫片受力均匀。螺栓采用小直径多数量(四倍数）。 对称拧紧办法。第11页第11页原因2.法兰密封面形式第12页第12页原因3. 垫片性能垫片密封面塑性变形力 ——实现初始密封；垫片材料及结构回弹能力 ——提升工作状态下残余密封比压。耐侵蚀的能力。力学性能，尤其抗高温蠕变能力。工作时候的温度下变质硬化或软化性。第13页第13页看看垫片压缩回弹性能试验第14页第14页垫片类型：第15页第15页第16页第16页第17页第17页第18页第18页第19页第19页第20页第20页 原因4.法兰刚度——法兰在外力作用下抵抗变形力。刚度小——受力後变形大，垫片受力不均，易泄漏。法兰受力：思考：法兰将如何变形？第21页第21页法兰变形1:法兰轴向翘曲变形第22页第22页法兰变形2法兰环向翘曲变形第23页第23页怎么样提高—增长法兰厚度；—减小螺栓力与垫片力作用点间距离；—增兰盘外径；—螺栓数量要足够。第24页第24页 原因五.操作条件压力高—介质泄漏推动力大。温度高 —介质粘度低，渗入性强，容易泄漏； —介质腐蚀和抗老化性能增强； —法兰、螺栓及垫片易发生蠕变，垫片比压下降； — 非金属垫片易发生老化，丧失塑性。·温度压力联合作用，并且重复波动，垫片易发生“疲劳” 失效。第25页第25页6.1.4 法兰原则1.能承受压力的容器法兰原则1）甲型平焊法兰第26页第26页2）乙型平焊法兰3）长颈对焊法兰第27页第27页压力容器法兰选取 拟定法兰连接尺寸基本信息参数：——公称压力（PN）和公称直径（DN)。①.公称直径确实定： ◎管法兰—与相联接管子公称直径相同； ◎能承受压力的容器法兰— ·板卷筒体，与相联接筒体公称直径相同； ·无缝钢管作筒体，与相联接无缝管公称直径相同。第28页第28页②.公称压力确实定：基准：以16MnR在 200℃时力学性能为基准拟定法兰尺寸系列。 即基准条件下，法兰最大允许操作压力为该法兰公称压力。法兰公称压力拟定：公称压力 PN 法兰材质 最大允许工作所承受的压力 (MPa)-20~200℃ 300℃350℃ 0.6 Q235-A 0.4 0.33 0.30 16MnR 0.6 0.51 0.49 15MnVR 0.65 0.63 0.6第29页第29页③ 拟定能承受压力的容器法兰PN —JB4700-92(见书P156,P329)判断一下： （1）.能承受压力的容器法兰材质为20R，300 ℃时设计压力为1.0MPa。其公称压力应当为多少？ （2）管法兰材质为Q235-A,选取PN=0.6MPa，问300℃时能否承受0.4MPa工作所承受的压力？第30页第30页能承受压力的容器法兰设计环节：（1）拟定DN;（2）依据法兰材质、工作时候的温度和最高工作所承受的压力，拟定PN；（3）由PN,DN拟定法兰形式及连接尺寸、螺栓尺寸及数量。（4）依据介质工作时候的温度、工作所承受的压力拟定密封面及垫 片类型；（5）拟定螺栓、螺帽材质；（6）绘制草图。第31页第31页2.管法兰管法兰原则：1）HG20592~20635——97 ?钢制管法兰、垫片、紧固件?2）GB9112~9123 ?钢制管法兰?注：?能承受压力的容器安全技术监察规程?推荐1）。第32页第32页HG20592-97 管法兰类型：a.板式平焊b.带颈对焊法兰第33页第33页c.带颈平焊d.承插焊e.平焊环松套板式f.翻边松套板式第34页第34页g.螺纹法兰h.法兰盖椭圆形法兰办法兰第35页第35页例题为一台精流塔配一对连接塔身与封头法兰。塔内径为1000mm,操作温度为280o，设计压力为0.2MPa。塔体材质为Q235-B。介质无腐蚀性及其它危害。解：1.拟定DN DN=1000mm（板卷筒体）。 2.拟定PN 法兰材质也采用Q235-BR,依据操作温度（ 280°C）及设计压力（0.2MPa)，查温度/压力表（JB4700-92),得PN=0.6(MPa)。 3.由DN和PN，查尺寸原则JB4701-92,拟定连接尺寸及螺栓规格数量。螺栓M20 ,36个第36页第36页 4.拟定密封面形式及垫片。 查表6-1，拟定采用平形密封面，垫片采用耐油橡胶石棉垫。垫片尺寸由相应原则拟定。表6-3 给出参考宽度值：20mm。 5.拟定螺栓螺帽材质。由相应原则查得。表6-6给出参考值：螺栓螺母均为Q235-A。 6.绘草图。螺栓M20 ,36个第37页第37页6.2 容器支座作用：支撑容器重量；固定位置。6.2.1 卧式容器支座种类：——圈座——鞍座——支腿双鞍式支座第38页第38页1).支座反力计算每一支座反力：F=mg/2式中 mg——设备总重。2).筒体轴向弯矩哪里较大？◎支座处(2-2截面）弯矩为负，横截面上部受拉，下部受压◎两支座中间处（1-1截面）： 弯矩为正——横截面上部受压，下部受拉。筒体受压处也许出现何种破坏形式？方向如何？第39页第39页3).筒体轴向应力计算在跨距中点：载荷——介质压力，弯矩。“—”上部为负，“+”下部为正。在支座处：当A≤Rm/2时，封头有支撑作用，保持筒体圆形，确保了局部刚度。第40页第40页4).筒体轴向应力验算 判据：B值得计算：1）由Rm和Se计算A:2）由A，依据材料线）双鞍式支座的结构及其标准（1）结构第42页第42页材质：垫板—与筒体相同，其它---Q235-A.F 。第43页第43页（2）鞍座原则及其标识鞍座分为轻型（A）和重型（B）（BⅠ~BⅤ）。 固定式——F型； 活动式——S型。原则号：JB/T4712-92 . 鞍座标识：JB/T4712-92 鞍座 [型号][公称直径]-[F或S]比如：DN2600轻型鞍座标识为JB/T4712-92 鞍座A2600-FJB/T4712-92 鞍座A2600-S第44页第44页6).鞍座位置——A确实定：A≤Do/4,且小于0.2L。最大小于0.25L。L——封头赤道圆（切点）间距离。A——赤道圆至支座中心线间距离。思考：在施工图上，L,A标注在赤道圆上，可否？第45页第45页6.2.2 立式容器支座1.耳式支座3.悬挂式支座2.裙座4.支撑式支脚第46页第46页6.3 容器开孔补强6.3.1.容器开孔应力集中现象开孔处出现应力集中，应力集中系数为： K=σ实际/σ膜其大小为多少？见平板开孔试验测试：实测结果：K≈3即应力集中点实际应力大约为膜应力3倍。第47页第47页6.3.2.开孔补强原则与补强结构1.开孔补强原则： ——等面积补强。即要求局部补强金属截面积必须等于或不小于开孔减去壳体截面积。2.补强结构：（1）补强圈结构●材质厚度普通与壳体相同；●补强圈要与壳体、接管较好地焊接，以同时受力。●补强板上有一个M10小孔，用以检查焊缝缺点；名曰泄漏信号孔。第48页第48页（2）加强元件结构（3）整体补强结构若须补强接管较多，可采用增长壳体壁厚办法，也称为整体补强。第49页第49页3.不另行补强最大开孔直径同时满足下列要求，可不另行不强：（1）壳体设计压力p≤2.5MPa;（2）两相邻孔中心距不小于两孔直径之和；（3）接管外径小于89mm；（4）接管最小壁厚满足下表要求：接管外径25 3238 45 48 57 657689最小壁厚 3.5 4.0 5.0 6.0第50页第50页6.3.3.等面积补强设计办法1. 开孔有效补强范围及补强面积计算 等面积补强——补强金属量等于或不小于开孔所削弱金属量。 图上看，应当考虑截面是强度削弱较大截面 ——轴（纵）向截面面积：第51页第51页B=2d d=接管内径+2C (C=C1+C2)第52页第52页 等面积补强，纵截面上投影面积要满足下式： A1+A2+A3≥AA1—壳体奉献（有效壁厚减去计算壁厚部分）；A2—接管奉献（有效壁厚减去计算壁厚部分）；A3—焊缝金属截面积; A—壳体上需要补强截面积。（表6-20 P179）第53页第53页在补强区范围内，设 Ae =A1+A2+A3假如Ae ≥A ,则无需补强；假如Ae ＜A ，则需要补强。补强面积为 A4=A- Ae第54页第54页2.开孔补强设计环节：（1）拟定壳体及接管计算壁厚S和St ,C、C2以及d ；（2）拟定有效宽度B和高度h1 、h2 ；（3）计算A1、 A2、A3和A ；（4）比较Ae (=A1+A2+A3)与A ，若Ae ≥A,则无需补强，不然，须补强。（5）计算有效补强范围内另加补强面积A4≥A-Ae 。注意：●补强板厚度和材质普通与壳体相同； ●补强板外径普通与B值相同。第55页第55页补强圈是如何安装的？第56页第56页6.4 容器附件1.铸造接管第57页第57页2.凸缘3.手孔4.常压人孔5.回转盖人孔第58页第58页6.水平吊盖人孔第59页第59页7.回转盖快开人孔第60页第60页8.不带颈视镜第61页第61页9.带颈的视镜第62页第62页法兰密封面泄漏原因：●密封垫表面与法兰密封面之间有空隙,或截面内有毛细管——泄漏通道。●密封面两侧介质有压差——推动力。从法兰密封连接过程看其密封原理：（1）安装过程——拧紧螺栓,垫片被压紧（垫内毛细管被切断；消除了与法兰密封面之间空隙）。垫片单位面积上所受压紧力，称为垫片密封比压。当垫片密封比压达到某一值时，便具备了初始密封条件，此时比压称为预紧密封比压。（2）工作条件下——介质压力和温度均升高。1.整体法兰——法兰与设备或管道不可拆卸。1）平焊法兰——板式平焊法兰，带颈平焊法兰原因1.螺栓预紧力——大小适当。垫片受力均匀。螺栓采用小直径多数量(四倍数）。 对称拧紧办法。垫片密封面塑性变形力 ——实现初始密封；垫片材料及结构回弹能力 ——提升工作状态下残余密封比压。耐侵蚀的能力。力学性能，尤其抗高温蠕变能力。工作时候的温度下变质硬化或软化性。—增长法兰厚度；—减小螺栓力与垫片力作用点间距离；—增兰盘外径；—螺栓数量要足够。压力高—介质泄漏推动力大。温度高 —介质粘度低，渗入性强，容易泄漏； —介质腐蚀和抗老化性能增强； —法兰、螺栓及垫片易发生蠕变，垫片比压下降； — 非金属垫片易发生老化，丧失塑性。·温度压力联合作用，并且重复波动，垫片易发生“疲劳” 失效。 拟定法兰连接尺寸基本信息参数：——公称压力（PN）和公称直径（DN)。①.公称直径确实定： ◎管法兰—与相联接管子公称直径相同； ◎能承受压力的容器法兰— ·板卷筒体，与相联接筒体公称直径相同； ·无缝钢管作筒体，与相联接无缝管公称直径相同。②.公称压力确实定：基准：以16MnR在 200℃时力学性能为基准拟定法兰尺寸系列。 即基准条件下，法兰最大允许操作压力为该法兰公称压力。（1）拟定DN;（2）依据法兰材质、工作时候的温度和最高工作所承受的压力，拟定PN；（3）由PN,DN拟定法兰形式及连接尺寸、螺栓尺寸及数量。（4）依据介质工作时候的温度、工作所承受的压力拟定密封面及垫 片类型；（5）拟定螺栓、螺帽材质；（6）绘制草图。管法兰原则：1）HG20592~20635——97 ?钢制管法兰、垫片、紧固件?2）GB9112~9123 ?钢制管法兰?注：?能承受压力的容器安全技术监察规程?推荐1）。解：1.拟定DN DN=1000mm（板卷筒体）。 2.拟定PN 法兰材质也采用Q235-BR,依据操作温度（ 280°C）及设计压力（0.2MPa)，查温度/压力表（JB4700-92),得PN=0.6(MPa)。 3.由DN和PN，查尺寸原则JB4701-92,拟定连接尺寸及螺栓规格数量。 4.拟定密封面形式及垫片。 查表6-1，拟定采用平形密封面，垫片采用耐油橡胶石棉垫。垫片尺寸由相应原则拟定。表6-3 给出参考宽度值：20mm。 5.拟定螺栓螺帽材质。由相应原则查得。表6-6给出参考值：螺栓螺母均为Q235-A。 6.绘草图。◎支座处(2-2截面）弯矩为负，横截面上部受拉，下部受压◎两支座中间处（1-1截面）： 弯矩为正——横截面上部受压，下部受拉。在支座处：当A≤Rm/2时，封头有支撑作用，保持筒体圆形，确保了局部刚度。材质：垫板—与筒体相同，其它---Q235-A.F 。L——封头赤道圆（切点）间距离。A——赤道圆至支座中心线间距离。思考：在施工图上，L,A标注在赤道圆上，可否？实测结果：K≈3即应力集中点实际应力大约为膜应力3倍。同时满足下列要求，可不另行不强：（1）壳体设计压力p≤2.5MPa;（2）两相邻孔中心距不小于两孔直径之和；（3）接管外径小于89mm；（4）接管最小壁厚满足下表要求：B=2d d=接管内径+2C (C=C1+C2) 等面积补强，纵截面上投影面积要满足下式： A1+A2+A3≥AA1—壳体奉献（有效壁厚减去计算壁厚部分）；A2—接管奉献（有效壁厚减去计算壁厚部分）；A3—焊缝金属截面积; A—壳体上需要补强截面积。（表6-20 P179）假如Ae ＜A ，则需要补强。补强面积为 A4=A- Ae注意：●补强板厚度和材质普通与壳体相同； ●补强板外径普通与B值相同。

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