第十章容器零部件 化工机械设备基础

1、1 第十章第十章 容器零部件容器零部件 2 一一 法兰连接法兰连接 二二 开孔补强与设备边缘开孔补强与设备边缘 三三 容器支座容器支座 四四 容器的焊接结构容器的焊接结构 五五 容器附件容器附件 3 一一 法兰连接结构与密封原理法兰连接结构与密封原理 1.1.连接结构：连接结构： 第一节第一节 法兰连接法兰连接 4 法兰连接结构（外观）法兰连接结构（外观） 5 法兰连接结构（剖开看）法兰连接结构（剖开看） 6 从法兰密封连接过程看其密封原理：从法兰密封连接过程看其密封原理： （1 1）预紧时）预紧时拧紧螺栓拧紧螺栓, ,垫片被压紧垫片被压紧 （垫内毛细管被切断；消除了与法兰密封（垫内毛细管被切

2、断；消除了与法兰密封 面之间的空隙）。面之间的空隙）。 垫片单位面积上所受的压紧力，称为垫片垫片单位面积上所受的压紧力，称为垫片 密封比压。密封比压。 当垫片密封比压达到某一值时，便具备了当垫片密封比压达到某一值时，便具备了 初始密封条件，此时的比压称为初始密封条件，此时的比压称为预紧密封预紧密封 比压。比压。 2.2.法兰密封原理法兰密封原理 7 （2 2）工作条件下）工作条件下介质压力和温度均升高介质压力和温度均升高 螺栓被拉伸，法兰变形，法兰密螺栓被拉伸，法兰变形，法兰密 封面相对有分离趋势。致使垫片比压封面相对有分离趋势。致使垫片比压 下降。下降。 垫片回弹，补偿或部分补偿了法垫片回弹

3、，补偿或部分补偿了法 兰分离的位移。兰分离的位移。 此时的残余比压若不小于某一值（称此时的残余比压若不小于某一值（称 为为工作密封比压工作密封比压），仍可保持良好密），仍可保持良好密 封状态。否则，将发生泄漏。封状态。否则，将发生泄漏。 8 密封垫表面与法兰密封面之间有空隙密封垫表面与法兰密封面之间有空隙, ,或截面或截面 内有毛细管内有毛细管泄漏通道。泄漏通道。 密封面两侧介质有压差密封面两侧介质有压差推动力推动力。 法兰密封面泄漏的原因：法兰密封面泄漏的原因： 9 1 1、按法兰接触面分为：、按法兰接触面分为： 窄面法兰窄面法兰整个接触面在螺栓孔内，如整个接触面在螺栓孔内，如榫槽面榫槽面

4、宽面法兰宽面法兰法兰接触面在中心圆的内外两侧，法兰接触面在中心圆的内外两侧， 用于中低压或垫片较软的场合，如用于中低压或垫片较软的场合，如平面、凹凸面平面、凹凸面 二二 法兰分类法兰分类 10 （1 1）整体法兰）整体法兰 将法兰与壳体锻或铸成一体或全焊透，典将法兰与壳体锻或铸成一体或全焊透，典 型的整体法兰有一个锥形的颈脖，故又称高（型的整体法兰有一个锥形的颈脖，故又称高（ 长）颈法兰。法兰受力后会使容器产生附加弯长）颈法兰。法兰受力后会使容器产生附加弯 曲应力。常见的形式有曲应力。常见的形式有平焊法兰平焊法兰和和对焊法兰对焊法兰两两 种。种。 2 2、按法兰与设备或管道的联接方式划分为：、

5、按法兰与设备或管道的联接方式划分为： 11 平焊法兰平焊法兰 对焊法兰对焊法兰 12 法兰法兰不直接固定在壳体上不直接固定在壳体上或或虽然固定而不能保虽然固定而不能保 证法兰与壳体作为一个整体证法兰与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结承受螺栓载荷的结 构。因不需焊接，法兰盘可以采用与设备或管构。因不需焊接，法兰盘可以采用与设备或管 道不同的材料制备。道不同的材料制备。 （2 2）松套法兰）松套法兰 13 松套法兰松套法兰 14 法兰和管壁通过螺纹进行法兰和管壁通过螺纹进行 连接，法兰对管壁产生的附连接，法兰对管壁产生的附 加应力较小。常用于加应力较小。常用于高压管高压管 道道。 （ 3 3）螺纹

6、法兰）螺纹法兰 15 螺纹法兰螺纹法兰 16 法兰的形状，除常见的以外，还有法兰的形状，除常见的以外，还有方形方形 和和椭圆形椭圆形。 方形法兰有利于把管子排列紧凑。椭圆方形法兰有利于把管子排列紧凑。椭圆 形法兰常用于阀门和小直径的高压管形法兰常用于阀门和小直径的高压管 上。上。 17 三三 影响法兰密封的因素影响法兰密封的因素 1 1、螺栓预紧力、螺栓预紧力 （1 1）预紧力不能过大，也不能过小。预紧力不能过大，也不能过小。 过大：使垫片压坏或挤出；过大：使垫片压坏或挤出； 过小：达不到垫片压紧并实现初始密封条件。过小：达不到垫片压紧并实现初始密封条件。 18 （2 2） 适当提高预紧力，可

7、以增加垫片的密适当提高预紧力，可以增加垫片的密 封能力。封能力。 使渗透性垫片材料的毛细管孔隙减小使渗透性垫片材料的毛细管孔隙减小 （3 3） 使预紧力均匀作用于垫片使预紧力均匀作用于垫片 可以采取减小螺栓直径以及增加螺栓个数可以采取减小螺栓直径以及增加螺栓个数 的办法。的办法。 19 2.2.法兰密封面形式法兰密封面形式 20 压紧面的表面为平面或 压紧面的表面为平面或带沟槽带沟槽的的 平面。平面。 优点：优点：结构简单，加工方便。结构简单，加工方便。 缺点：缺点：接触面积大，需要的预接触面积大，需要的预 紧比压大，螺栓承载大，故法兰紧比压大，螺栓承载大，故法兰 等零件要求高、笨重，垫片易挤

8、等零件要求高、笨重，垫片易挤 出，密封性能较差。使用压力出，密封性能较差。使用压力 P2.5MpaP2.5Mpa，有毒、易燃、易爆质，有毒、易燃、易爆质 中不能使用。中不能使用。 （1 1） 平面型压紧面平面型压紧面 21 由一个凹面和一个凸面 由一个凹面和一个凸面 配合组成。垫片放凹面中。配合组成。垫片放凹面中。 优点：优点：便于对中，能防垫片便于对中，能防垫片 挤出。可用在挤出。可用在 P6.4MpaP6.4Mpa。 。 （2 2） 凹凸型凹凸型 22 （3 3）榫槽型）榫槽型 一榫一槽密封面组成一榫一槽密封面组成 优点：优点：是对中性好，密封是对中性好，密封 预紧压力小，垫片不易挤预紧压

9、力小，垫片不易挤 出，也不受介质冲刷，用出，也不受介质冲刷，用 于易燃易爆密封要求高处于易燃易爆密封要求高处 缺点：缺点： 更换较困难，榫易更换较困难，榫易 损坏损坏 23 通常用于高压密封，其通常用于高压密封，其 缺点是需要的尺寸精度缺点是需要的尺寸精度 和表面粗糙度要求高。和表面粗糙度要求高。 须与须与透镜垫片透镜垫片配合配合, ,常常 用于高压管路。用于高压管路。 （4 4） 锥形压紧面锥形压紧面 24 槽底不起作用，是槽的槽底不起作用，是槽的 内外锥面与垫片接触而形内外锥面与垫片接触而形 成梯形密封的，与成梯形密封的，与椭圆或椭圆或 八角形截面的金属垫圈八角形截面的金属垫圈配配 合。合

10、。 （5 5） 梯形槽压紧面梯形槽压紧面 25 3. 3. 垫片性能垫片性能 （1 1）垫片密封面的塑性变形能力）垫片密封面的塑性变形能力 实现初始密封实现初始密封 （2 2）垫片材料及结构的回弹能力）垫片材料及结构的回弹能力 提高工作状态下的残提高工作状态下的残 余密封比压余密封比压 （3 3）耐腐蚀能力）耐腐蚀能力 （4 4）力学性能，尤其抗高温蠕变能力）力学性能，尤其抗高温蠕变能力 26 垫片类型：垫片类型： 27 28 29 30 31 32 刚度不足，导致过大的翘曲变形，往往是导致密刚度不足，导致过大的翘曲变形，往往是导致密 封失效的原因。刚性大的，法兰变形小，并可以封失效的原因。刚

11、性大的，法兰变形小，并可以 使分散分布的螺栓力均匀地传给垫片，故可以提使分散分布的螺栓力均匀地传给垫片，故可以提 高密封性能高密封性能 4.4.法兰的刚度法兰的刚度 法兰受力法兰受力 33 法兰变形法兰变形1:1: 34 法兰变形法兰变形2 2： 35 （1）增加法兰厚度；）增加法兰厚度； （2）减小螺栓力与垫片力作用点间距离；）减小螺栓力与垫片力作用点间距离； （3）螺栓数量要足够。）螺栓数量要足够。 36 5.5.操作条件操作条件 1 1 压力高压力高介质泄漏的推动力大。介质泄漏的推动力大。 2 2 温度高温度高 介质的粘度低，渗透性强，容易泄漏；介质的粘度低，渗透性强，容易泄漏； 介质的

12、腐蚀性能增强；介质的腐蚀性能增强； 法兰、螺栓及垫片易发生蠕变，垫片比法兰、螺栓及垫片易发生蠕变，垫片比 压下降；压下降； 非金属垫片易发生老化，丧失塑性。非金属垫片易发生老化，丧失塑性。 温度压力联合作用，并且反复波动，垫片容易温度压力联合作用，并且反复波动，垫片容易 发生发生“疲劳疲劳” ” 失效。失效。 37 四四 法兰标准法兰标准 1.1.压力容器法兰标准压力容器法兰标准 （1 1）甲型平焊法兰）甲型平焊法兰 截面基本为矩形的圆截面基本为矩形的圆 环（法兰盘），直接环（法兰盘），直接 与容器的筒体或者封与容器的筒体或者封 头焊接。头焊接。 38 （2 2）乙型平焊法兰）乙型平焊法兰 除

13、法兰盘外增加一除法兰盘外增加一 个厚度大于筒体壁厚个厚度大于筒体壁厚 的短节。（增加了刚的短节。（增加了刚 度，减少了弯矩）度，减少了弯矩） 39 （3 3）长颈对焊法兰）长颈对焊法兰 用根部增厚的颈取代了用根部增厚的颈取代了 乙型平焊法兰中的短节。乙型平焊法兰中的短节。 （提高了刚度，减少了（提高了刚度，减少了 焊接残余应力）焊接残余应力） 40 压力容器法兰的选用压力容器法兰的选用 确定法兰连接尺寸的基本参数：确定法兰连接尺寸的基本参数： 公称压力（公称压力（PNPN）和公称直径（）和公称直径（DN)DN)。 （1 1）公称直径的确定：）公称直径的确定： 管法兰管法兰与相联接管子的公称直径

14、相同；与相联接管子的公称直径相同； 压力容器法兰压力容器法兰 板卷筒体，与相联接筒体的公称直径相同；板卷筒体，与相联接筒体的公称直径相同； 无缝钢管作筒体，与相联接无缝管的公称直径无缝钢管作筒体，与相联接无缝管的公称直径 相同。相同。 41 公称压力：公称压力：在规定的设计条件下，在确定在规定的设计条件下，在确定 法兰结构尺寸时所采用的设计压力法兰结构尺寸时所采用的设计压力 基准：基准：以以16MnR16MnR在在 200200时的力学性能为时的力学性能为 基准确定法兰尺寸系列。基准确定法兰尺寸系列。 即即基准条件下，法兰的最大允许操作压基准条件下，法兰的最大允许操作压 力为该法兰的公称压力。

15、力为该法兰的公称压力。 （2 2）公称压力的确定：）公称压力的确定： 42 法兰公称压力的确定：法兰公称压力的确定： 43 压力容器法兰设计步骤：压力容器法兰设计步骤： （1 1）确定）确定DN;DN; （2 2）根据）根据法兰材质、工作温度和最高工作压法兰材质、工作温度和最高工作压 力力，确定，确定PNPN； （3 3）由）由PN,DNPN,DN确定法兰形式及连接尺寸、螺栓确定法兰形式及连接尺寸、螺栓 尺寸及数量。尺寸及数量。 （4 4）根据介质工作温度、工作压力确定密封）根据介质工作温度、工作压力确定密封 面及垫片类型；面及垫片类型； （5 5）确定螺栓、螺帽材质；）确定螺栓、螺帽材质；

16、（6 6）绘制草图。）绘制草图。 44 例：为一台精流塔配一对连接塔身与封头的法例：为一台精流塔配一对连接塔身与封头的法 兰。塔的内径为兰。塔的内径为1000mm,1000mm,操作温度为操作温度为280280，设计，设计 压力为压力为0.2MPa0.2MPa。塔体材质为。塔体材质为Q235-BQ235-B。介质无腐蚀。介质无腐蚀 性及其他危害。性及其他危害。 解：解：1.1.确定确定DN DN=1000mmDN DN=1000mm（板卷筒体）。（板卷筒体）。 45 2.2.确定确定PN PN 法兰材质也采用法兰材质也采用Q235-B,Q235-B,根据根据 操作温度（操作温度（ 280280

17、C C）及设计压力（）及设计压力（0.2MPa)0.2MPa)， 查温度查温度/ /压力表压力表10-1010-10得得PN=0.6(MPa)PN=0.6(MPa)。 3.3.由由DNDN和和PNPN，查尺寸标准表，查尺寸标准表10-3,10-3,确定连接确定连接 尺寸及螺栓的规格数量。尺寸及螺栓的规格数量。 螺栓螺栓M20 ,36个个 46 2.2.管法兰管法兰 管法兰标准：管法兰标准： 1 1）HG20592-2063597 HG20592-2063597 钢制管法兰、垫片、紧固件钢制管法兰、垫片、紧固件 2 2）GB/T9112-9124-2000 GB/T9112-9124-2000

18、钢制管法兰钢制管法兰 47 a.板式平焊 HG20592-97 HG20592-97 管法兰类型：管法兰类型： b.带颈对焊法兰 48 c.带颈平焊 d.承插焊 e.平焊环松套板式 f.翻边松套板式 49 g.螺纹法兰 方法兰 椭圆形法兰 h.法兰盖 50 从法兰密封连接过程看其密封原理：从法兰密封连接过程看其密封原理： （1 1）预紧时）预紧时 预紧密封比压预紧密封比压 （2 2）工作条件下）工作条件下 工作密封比压工作密封比压 知识回顾：知识回顾： 51 2 2、影响法兰密封的因素、影响法兰密封的因素 (1)(1)螺栓预紧力螺栓预紧力 (2)(2)法兰密封面形式法兰密封面形式 (3)(3)

19、垫片性能垫片性能 (4)(4)法兰刚度法兰刚度 (5)(5)操作条件操作条件 52 第二节第二节 开孔补强与设备边缘开孔补强与设备边缘 容器开孔应力集中现象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：开孔处出现应力集中，应力集中系数为： K=K=max max/ / 其大小为多少？其大小为多少？ 53 实测结果：实测结果：K3K3 即应力集中点的即应力集中点的 实际应力大约为实际应力大约为 膜应力的膜应力的3 3倍。倍。 见平板开孔试验测试：见平板开孔试验测试： 54 二二 开孔补强原则与补强结构开孔补强原则与补强结构 1.1.开孔补强原则：等面积补强开孔补强原则：等面积补强 即

20、规定局部补强的金属截面积必须等于或大即规定局部补强的金属截面积必须等于或大 于开孔减去的壳体截面积。于开孔减去的壳体截面积。 55 2.2.补强结构：补强结构： （1 1）补强圈结构（贴板补）补强圈结构（贴板补 强）强） 材质厚度一般与壳体相同；材质厚度一般与壳体相同； 补强圈要与壳体、接管很补强圈要与壳体、接管很 好地焊接，以同时受力。好地焊接，以同时受力。 补强板上有一个小孔，用补强板上有一个小孔，用 以检查焊缝缺陷；名曰泄以检查焊缝缺陷；名曰泄 漏信号孔。漏信号孔。 56 若须补强的接管较若须补强的接管较 多，可采取增加壳多，可采取增加壳 体壁厚的办法，也体壁厚的办法，也 称为整体补强。

21、称为整体补强。 （2）补强管结构（接管补强）补强管结构（接管补强） （3）整体补强结构）整体补强结构 57 3.3.不另行补强的最大开孔直径不另行补强的最大开孔直径 同时满足如下要求的，可不另行补强：同时满足如下要求的，可不另行补强： （1 1）壳体设计压力）壳体设计压力p2.5MPa;p2.5MPa; （2 2）两相邻孔中心距不小于两孔直径之和；）两相邻孔中心距不小于两孔直径之和； （3 3）接管的外径不大于）接管的外径不大于89mm89mm； （4 4）接管的最小壁厚满足下表要求）接管的最小壁厚满足下表要求： 58 三三 等面积补强的设计方法等面积补强的设计方法 1. 开孔有效补强范围及补

22、强面积的计算开孔有效补强范围及补强面积的计算 等面积补强等面积补强补强的金属量等于或大于开补强的金属量等于或大于开 孔所削弱的金属量。孔所削弱的金属量。 59 等面积补强，纵截面上的投影面积要满足下式：等面积补强，纵截面上的投影面积要满足下式： A A1 1+A+A2 2+A+A3 3AA A A1 1壳体的贡献（有效壁厚减去计算壁厚部分）；壳体的贡献（有效壁厚减去计算壁厚部分）； A A2 2接管的贡献（有效壁厚减去计算壁厚部分）；接管的贡献（有效壁厚减去计算壁厚部分）； A A3 3焊缝金属截面积焊缝金属截面积; ; AA壳体上需要补强的截面积。壳体上需要补强的截面积。 60 在补强区范围

23、内，在补强区范围内， 设设 Ae =AAe =A1 1+A+A2 2+A+A3 3 如果如果Ae A ,Ae A ,则无需补强则无需补强； 如果如果Ae Ae A A ，则需要补强。，则需要补强。 补强面积为补强面积为 A A4 4=A- Ae=A- Ae 61 2.开孔补强设计步骤开孔补强设计步骤： （1 1）确定壳体及接管的计算壁厚）确定壳体及接管的计算壁厚S S和和S St t ,C ,C、C C2 2以以 及及d d ； （2 2）确定有效宽度）确定有效宽度B B和高度和高度h h1 1 、h h2 2 ； （3 3）计算）计算A A1 1、 A A2 2、A A3 3和和A A ；

24、（4 4）比较）比较Ae=(AAe=(A1 1+A+A2 2+A+A3 3) )与与A A ，若，若Ae A,Ae A,则无需则无需 补强，否则，须补强。补强，否则，须补强。 （5 5）计算有效补强范围内另加补强面积）计算有效补强范围内另加补强面积A A4 4A-A- Ae Ae 。 62 注意：补强板厚度和材质一般与壳体相同；注意：补强板厚度和材质一般与壳体相同； 63 第三节第三节 容器支座容器支座 作用：支撑容器的重量；固定位置。作用：支撑容器的重量；固定位置。 一一 卧式容器支座卧式容器支座 种类：种类： 64 材质：垫板材质：垫板与筒体相同，其它与筒体相同，其它-Q235-A.F -

25、Q235-A.F 。 65 鞍座标准及其标记鞍座标准及其标记 鞍座分为鞍座分为轻型（轻型（A A）和和重型（重型（B B）。 固定式固定式FF型；型； 活动式活动式SS型。型。 标准号：标准号：JB/T4712-92 .JB/T4712-92 . 鞍座标记：鞍座标记： JB/T4712-92 JB/T4712-92 鞍座鞍座 型号型号公称直径公称直径-F-F或或SS 例如：例如：DN2600DN2600的轻型鞍座标记为的轻型鞍座标记为 JB/T4712-92 JB/T4712-92 鞍座鞍座A2600-FA2600-F JB/T4712-92 JB/T4712-92 鞍座鞍座B2600-SB2

26、600-S 66 ADo/4,ADo/4,且不大于且不大于0.2L0.2L。最大不大于最大不大于 0.25L0.25L。 LL封头赤道圆间的距离。封头赤道圆间的距离。 AA赤道圆至支座中心线间的距离。赤道圆至支座中心线间的距离。 鞍座的位置鞍座的位置AA的确定的确定： 67 二二 立式容器支座立式容器支座 1 1 耳式支座耳式支座 2 2 支承式支座支承式支座 3 3 腿式支座腿式支座 68 第四节第四节 容器的焊接结构容器的焊接结构 一一 焊接接头焊接接头 1 1接头形式接头形式 69 70 71 2.2.坡口形式坡口形式 72 73 74 二二 压力容器焊接接头的分类压力容器焊接接头的分类 75 压力容器上的压力容器上的A A、B B类焊接接头，主要是类焊接接头，主要是 壳体上的纵、环向对接接头，是受压壳壳体上的纵、环向对接接头，是受压壳 体上的主承力焊接接头体上的主承力焊接接头，这类接头要求，这类接头要求 采用全焊透结构，应尽量采用双面焊的采用全焊透结构，应尽量采用双面焊的 全焊透对接接头。全焊透对接接头。 A A、B B类对接接头均应按类对接接