化工容器设计第七讲

1、U能迅速的并多次装卸；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；成本低廉。钎焊连接（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。由于法兰联接有较好的强度和紧 密性 适用的尺寸范圉竟,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

2、很快地装酉己与拆卸,制造成本 较高。（三）法兰二引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。法兰弓I 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

3、 求越大,所以法兰联接中垫片不应过竟,更不应该 把整个法兰面都铺满垫片。法兰 一弓I（三）法兰2.法兰的密封原理:当设备或管道在工作状态时f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 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_值（这个比压值称为工作密封比国 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,甚至密封处重新岀现缝隙,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

4、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。(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。3(三)法兰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

5、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。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 无因次的整数组成,如：NPSNPS2O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

6、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。其应用厶公称压力:按容器或管道所受的压力分为若干等级而左的，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 料及其操作舷。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范圉内 法兰规格尺寸都可以从标准中查到 只有少量超出标准规 定范圉的法兰,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 化工部劳动部中石化总公司共同制定的压力容器法

7、兰(JB4700-4703)。别的管法兰。国内的容器法兰标准仍是原机械电子工业部其应用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 -DN （或NPS ）和pN （或CLASS ）的法兰,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）法兰的分类厂整体法兰按整体性质程度I松式法兰I任意式法兰法兰的分娄按形状蘭法 兰法兰结构类型和应用场合整体法兰平焊冒法兰平焊储法

8、兰对龜兰整体法兰1 -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 壁或管壁随着发生穹曲变形。于是在法兰附近筒壁的截面 上 将产生附加的穹曲应力。所以平焊法兰适用的压力范 圈较低(PNv4.0MPa )。法兰在外力作用下的变形(Ti72受力后2对焊法兰（图（c）对焊法兰又称高颈法兰整体法兰或长颈法兰。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,所以降低了根部的穹曲应力。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

9、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r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。套在蘭法 兰法兰结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:I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

10、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（二）、影响法兰密封的因素螺栓预紧力 螺栓预紧力是影响童封的一个重要因素。预紧力必须使 垫片压紧并实现初始密封条件。同时,预紧力也不能过大 ,否则将会使垫片被压坏或挤出。由于预紧力是通过法兰 密封面传递给垫片的,要达到良好的密封,必须使预紧力 均匀地作用于垫片。因此,当密封所需要的预紧力一定时 ,采取增加螺栓个数、减小螺栓直径的办法对童封是有利的。（二）影响法兰密封的因素一密封面法兰联接的密封性能与密封面型式有直接关系,所以 要合理选择密封面的形状。法兰密封面型式的选择,主要 考虑压力.温度.介质。

11、常用的压紧面形状有：凸面（a ）.凹凸面（b） 樺槽法 兰法亘结构类型和应用场合法兰密封面类型表名称特点说明突面 (RF)表面是一个光滑的平面，也可车制密纹水线。密封面结构简单,加 工方便,且便于进行防腐衬里。但是，这种密封面垫片接触面积较 大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压紧。凹凸面 (MFM)密封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, 能够防止垫片被挤出f故可适用于压力较高的场合。樺槽面 CTG)密封面是由樺和槽所组成的，垫片置于槽中,不会被挤动。垫片可 以较窄,因而压紧垫片所需的螺栓力也就相应较小。即使用于压力 较咼之处,螺栓尺寸也不致过大。因而,它比以上两种密封面均易

12、获得良好的密封效果。密封面的缺点是结构与制造比较复杂，更换 挤在槽中的垫片比较困难。此外,樺面部分容易损坏，在拆装或运 输过程中应加以注意。樺槽密封面适于易燃.易爆.有毒的介质以 及较高压力的场合。当压力不大时,即使直径较大，也能很好地密 封。法兰密封面类型表名称全平面(FF)接面(RJ)其它类型密封面特点说明全平面密封适合于压力较小的场合(P/V1.6MPa); 环连接面主要用在带颈对焊法兰与整体法兰上适用压力范围为 (6.3MPaP/V25.0MPa )。对于高压容器和高压管道的密封.密封面可采用锥形密封面或梯形 槽密封面,它们分别与球面金属垫片(透镜垫片)和椭圆形或八角 形截面的金属垫片

13、配合。密封面可适用于压力较高的场合，但需要 的尺寸精度和表面光洁度高，不易加工。(二八影响法兰密封的因素垫片垫片是构成密封的重要元件，适当的垫片变形和回弹 能力是形成密封的必要条件。最常用的垫片可分为非金属金属.非金属与金属混 合制的垫片。非金属垫片材料有橡胶石棉板.聚四氟乙烯 等，如图(a)所示,这些材料的优点是柔软。耐温度和压 力的性能较金属垫片差,通常只适用于常.中温和中.低 压设备和管道的法兰密封。（二）影响法兰密封的因素垫片垫片断面形狀非金总轅垫片不带定位首齢缠绕垫片金属置d片带定位圈b强绕垫片(二)影响法兰密封的因素垫片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).

14、(c) 和(d)。金属包垫片是用薄金属板(镀锌薄钢板.0Crl8Ni9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走位圈的两种。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% f Cu30% f 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。（二）影响法兰密封的因素垫片垫片材料的选择应根据温度.压力以及介质的腐蚀情况 决定,同时还要考虑密封面的形式.螺栓力的大

15、小以及装卸要求等。材料密封面压力MPa温度介质中压橡胶石棉板光滑、凹凸2.5150压缩空气.惰性气体、 氨光滑1.6300蒸汽、水聚四氟氯乙烯光（凹凸）1.6200多种油品、油气、溶 剂、石油化工原料及 产品耐油橡胶石棉板光（凹凸）2.52001.650液化石油气金属缠绕垫片0Cr13 （0Cr19Ni9） 钢带+特制石棉（石 墨）凹凸4.0 6.460惰性气体光（凹凸）2.5450多种油品、油气、溶 剂、石油化工原料及 产品凹凸4.0450氢汽、氢汽与石油混 合汽6.4450金属包垫片铁皮（铝皮）+待制 石棉.0Cr13（0Cr19Ni9） + 特制 石棉光（凹凸）2.5450凹凸4.045

16、0氢汽、氢汽与石油混 合汽6.4450柔性石墨混合垫石墨+金属骨架（0Cr13. 0Cr19Ni9 等）光（凹凸）2.5450多种油品、油气、溶 剂、石油化工原料及 产品凹凸4.0450氢汽、氢汽与石油混 合汽6.4450金属环垫10、0Cr13.0Cr19Ni9梯形槽6.4450、（_）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

17、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HB30 ,所以它们也存在一个选配的问题。1、一般要求螺栓的最大间距不超过2厶+ 6才才/（加+ 0.5）（tf 法兰的厚度）。2、螺栓的数量至少应为4个,且为4的整数倍。3、喩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。（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

18、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Z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。(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tr ,单位为MPa。垫片系数m:

19、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 漏肴两个条件:(1) 必籲在触紧时，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) 当设备工作时,螺栓力应能够抵抗内压作用f并且在垫片上维持 m倍内压的比压力。(二)密封计算I、螺栓载荷计算：在预紧工况，螺栓拉力也应等于压紧垫片所需的最小压紧载荷，即：= 7vbDGy(2-109)式中：、气一螺栓的最小预紧载荷，N；Dg?垫片平均直径，取垫片反力作用位置 处的直径，mm；b一垫片的有效密圭寸宽度，mm；y?垫片的比压力，MPao（二）密封计算当bo 6

20、.4mm时,b=6.4b0 = 2.53術初因而用以计算的垫片平均直径Dg相应确定如下：当b 6.4mm时,DG =垫片接触面外径-2b。在操作工况下，螺栓载荷Wp应等于抵抗内压产 生的轴向使法兰连接分开的载荷和维持密封垫片表 面必需的压紧载荷之和，即：jrWp = - D2g pc + 2b7TDGmpc (2110)(二)密封计算式中：Wp操作工况下的螺栓载荷，N；m垫片系数，五因次。Pc计算压力，MPa。等式右边一项中，由于原始定义ni时是取2倍垫 片有效接触面积上的压紧载荷等于计算压力ni倍，故 计算时乘以2 o2、螺栓的尺寸和数目在预紧工况时：wAa 廿-mm2 (2-111)式中0

21、一常温下螺栓材料的许用应力，MPao(二)密封计算在操作工况时：A” 二 mm2(2-112)回；式中H-设计温度下螺栓材料的许用应力，MPa。 螺栓所需的总截面积Am取上述两种工况下较大值。 在选定螺栓数目n后，即可按下式得到螺栓直径dp：dR - mm(2-113)B Y 0.785斤式中，dp应圆整到标准螺纹的根径，并据此确定螺栓的 公称直径。（二）密封计算3、螺栓设计载荷: 预紧工况时：W二九;4叫,N （2-114） 而操作工况螺栓设计载荷仍按式（2-110）计算, 即 w 二 Wp。（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

22、和简化:(3)(4)(5)(6)(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；忽略螺栓的影响，假设问题是周对称； 不计螺栓孔德影响； 假设壳体和椎颈为薄壳结构； 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

23、（三）法兰的强度计算法兰设计（三）法兰的强度计算蘭上图较复杂，因 此Waters法确定 了法兰强度的三个 主宴应方：法兰环内圆柱面上与椎颈连接处的 最大轻向应力、切向应力，以及椎颈两端外表面的轴向弯曲应力。且视颈麟或大端、小法兰设计(三)法兰的强度计算2、法兰设计方法：(1)法兰力矩的计算法兰外力矩是由如下作 用于法兰的外力产生的：(i)内压作用于内经截面上的轴向力耳：(2-115)式中,Pc 计算内压,MPa；Dj法兰内径，mm。(ii)内压作用在法兰端面上的轴向力P2：卩2=扌(咲-丁)化 N (2-116)式中，Dg垫片反力作用位置的直径，mm。法兰设计(三)法兰的强度计算(iii)垫片

24、反力匕，等于螺栓设计载荷与内压产生 的总轴向力之差，即:P3 = W-Pj-P, N 式中，W取预紧或操作时的螺栓总载荷。这些力的作用位置不同，故其力臂视整体法兰和活套法 兰、松式法兰不同。对于整体法兰或按整体法兰计算的任 意式法兰：(2-117)/=/? + .5gR + g +厶12 _2Dh - Dg 与_ 2 R=V-(2-118)对于活套法兰:12/ -Db Dg2/ -厶+厶_ 2(2-119)(2-120)法兰设计（三）法兰的强度计算对于除活套法兰外的松式法兰或按松式法兰计算的任意式法兰:于是，法兰力矩为：M = PJ“M P3I3预紧时，因Pc = 0,故P1=P2=0, P3=W，总力矩为： Ma=M. = P3l3=Wl3(2-121)式中，W按式(2-114)取值。操作时，总力矩为：+ M2 +二印I + 鬥厶 + 点厶(2T22