压力容器审核人员培训教材第五部分

1、1压力容器压力容器设计审批人培训设计审批人培训（五）（五） 济南石油化工设计院济南石油化工设计院 黄黄 泓泓 电话二一二年十一月2内容简介GB150.3-2011压力容器压力容器 第第3部分：设计部分：设计第第7章、附录章、附录C 、附录、附录D一、法兰二、密封结构三、焊接结构四、关于低温压力容器的基本设计要求3一、法兰概述： 螺栓法兰连接是由一对法兰、若干个螺栓、螺母和一个垫片组成，其连接方式如图 :41、法兰类型常用的管法兰型式：板式平焊法兰、带颈平焊法兰、带颈对焊法兰52、法兰密封面型式 法兰密封面型式常用有突平面、凹凸面、榫槽面和

2、环面四种。突平面(raised seal face) 突平面(平面)是由相对突起的一对平面组成的密封面 ，此密封面结构简单，制造方便，但密封性能相对较差，用于较低压力场合。 6凹凸面(malefemale seal face) 凹凸面是由一对相配合的凹面和凸面组成的密封面，此密封面便于安装时垫片对中，垫片不会被挤出密封面，密封性能优于平面。适用于压力较高或介质为易燃、易爆、有毒的场合。7榫槽面(tongue-groove seal face) 榫槽面是由一对相配合的榫面和槽面组成的密封面， 密封垫片较窄，易被压紧，密封性好，适用于压力较高，介质易燃、易爆、有毒的场合。但更换垫片困难，装配时应注

3、意保护好密封榫面。 8环面(ring joint) 环面是由一对相配合的环面组成的密封面，这种密封面适配金属环垫片。用于温度、压力较高或有波动，介质渗透性较强的场合。93、标准管法兰的选用 HG/T2059220635-2009 HG/T20592 20614-2009 PN系列（欧洲体系）A、B两个系列A系列为国际通用系列（俗称英制管）B系列为国内沿用系列（俗称公制管）采用B系列的管法兰应在公称直径DN的数值后标注（B） HG/T20615 20635-2009 Class系列（美洲体系）注意：两个体系间不能互相配用两个体系间不能互相配用10(1)板式平焊法兰。板式平焊法兰的适用范围PN2.

4、5到PN40，建议不使用在易燃易爆和高度、极度危害介质等要求严格的场合。 (2)带颈平焊法兰和承插焊法兰。与带颈对焊法兰相比，带颈平焊法兰和承插焊法兰的颈部高度低，生产采用滚轧或模锻的工艺，比带颈对焊法兰简单。法兰上增加了短颈，对提高法兰刚度、改善法兰的承载能力都大有益处。在引进的石油化工装置中普遍使用带颈平焊法兰和承插焊法兰结构型式。另一方面，带颈平焊法兰和承插焊法兰采用填角焊缝结构，现场安装较方便。对施工单位可以省略焊缝拍片探伤的工序，所以，比较受欢迎。 11 由于带颈平焊法兰和承插焊法兰的结构特点，对其使用亦有限制。可参考GBT 208012006 压力管道规范工业管道的规定。以下场合不

5、得采用承插焊焊接：1) 可能产生缝隙腐蚀或严重冲蚀的场合；2) 要求焊接部位及管道内壁光滑过渡的场合；3) 剧烈循环工况或 GC1 级管道的场合，且承插焊连接接头的公称直径大于 DN50。12 压力-温度额定值 不同材料的法兰在不同的温度下有不同的最大许用压力。 13 紧固件的使用 商品级六角头螺栓及型六角螺母只能用于PN16，非有毒、非可燃以及非剧烈循环场合，配非金属平垫片。 商品级双头螺柱及型六角螺母只能用于PN40，非有毒、非可燃以及非剧烈循环场合。 板式平焊法兰、螺纹法兰、对焊环松套法兰和平焊环松套法兰不应使用于剧烈循环工况。 板式平焊法兰建议不使用在易燃易爆和高度、极度危害介质等要求

6、的场合。14 容器腐蚀裕量取3mm 时,对于内部联接用以及某些情况下的地脚螺栓如用碳钢则很难考虑腐蚀裕度的选取,建议采用不锈钢制螺栓。 接管法兰密封面朝向配置： 原则上所有接管的凹面应向上。如果将容器顶部或侧面的接管法兰配置成凸面是不合理的，因为这样配置使密封面容易受到损伤。而容器底部的管口应该设置成凸面结构，这样就易于垫片的安装和更换。但是与阀门连接的管法兰密封面应与阀门匹配。15 选择压力容器接管法兰的压力等级或密封面形式时，应考虑介质的毒性或易燃易爆性。 按照HG/T20583-2011 之7.2.3 规定，容器内为易燃、易爆介质或毒性为中度危害和轻度危害的介质，管法兰的公称压力选用应不

7、低于1.6MPa；对毒性为高度或极度危害介质或强渗透性介质， 管法兰的公称压力不小于2.0MPa； 容器内介质毒性为极度危害或高度危害介质或强渗透性介质的中度危害和液化石油气时，接管的法兰应采用带颈对焊管法兰。 低温容器、高温容器、疲劳容器以及类压力容器的接管法兰宜采用带颈对焊管法兰。 高温、高压、不允许泄漏、拆卸次数少的场合的法兰连接形式，宜采用法兰焊唇的焊死结构。16 压力容器接管法兰选用石棉橡胶垫时应注意的问题 当介质为水，蒸汽，空气，煤气，氨，碱液，惰性气体等，而工作条件为压力波动小，不经常拆卸的场合，我们经常选用石棉橡胶垫片。 石棉橡胶垫片不能用于按照真空设计的设备中，因为石棉橡胶垫

8、片存在微小的孔隙，这样就不能保证真空度,在这种情况下应该使用橡胶圈或者缠绕垫片。缠绕垫片分为4 种基本形式：即基本型(A 型) ，带内环型(B 型) ，带外环型(C 型)和带内外环型(D 型) 。A 型适用于槽密封面，D 型适用于突面，B 型适用于凹凸面。17 介质为环氧乙烷的不能用含石棉的垫片。 强渗透性介质如液氨等，不能使用泄漏率较高的非金属垫片。18TSG R0004-2009固定式压力容器安全技固定式压力容器安全技术监察规程术监察规程中关于管法兰的规定中关于管法兰的规定3.17 3.17 压力容器用管法兰压力容器用管法兰(1)(1)钢制压力容器管法兰、垫片、紧固件的设计应当钢制压力容器

9、管法兰、垫片、紧固件的设计应当参照行业标准参照行业标准HG/T20592HG/T20592HG/T20635-2009HG/T20635-2009钢制钢制管法兰、垫片、紧固件管法兰、垫片、紧固件系列标准的规定；系列标准的规定；(2)(2)盛装液化石油气、毒性程度为极度和高度危害介盛装液化石油气、毒性程度为极度和高度危害介质以及强渗透性中度危害介质的压力容器，其管质以及强渗透性中度危害介质的压力容器，其管法兰应当按照行业标准法兰应当按照行业标准HG/T20592HG/T20592HG/T20635HG/T20635系系列标准的规定，至少应用高颈对焊法兰、带加强列标准的规定，至少应用高颈对焊法兰、

10、带加强环的金属缠绕垫片和专用级高强度螺栓组合。环的金属缠绕垫片和专用级高强度螺栓组合。194、标准容器法兰的选用 JB/T47004707-200020 选用原则：优先选用标准法兰。 选用JB/T47004707标准法兰时，可免除计算。 JB/T4703筒体最小厚度问题：当需要与小于该厚度(0)的较薄圆筒对接时，需增加法兰高度。按表32122 JB/T4700第6.6.1.2条对长颈法兰当工作压力大于或等于0.8倍本标准中规定的最大许用工作压力时，法兰与圆筒的对接焊缝必须进行100%的射线或超声检测。该要求应在图样中标明。 腐蚀裕度:JB/T4702为2，JB/T4703为3。 凹凸面设备法兰

11、密封面朝向配置的问题 立式容器的槽面或凹面应向上，卧式容器的槽面或凹面应位于筒体上。23 法兰热处理 碳素钢或低合金钢制法兰在下列任一情况下进行正火热处理: a、法兰断面厚度大于50mm ； b、锻制法兰。 用碳素钢或低合金钢板材或型材制造的法兰环对接接头、焊制整体法兰，应经焊后热处理。24 选用标准法兰的步骤a、按照公称直径DN和设计压力P确定法兰类型。b 、按照PP的原则确定法兰的公称压力PN。c、按照公称直径DN和公称压力PN，查出法兰的各部分尺寸，并标记出标准代号。255、非标法兰设计（ GB150.3-2011第7章） 螺栓法兰连接设计的内容a.确定垫片材料、型式及尺寸;b.确定螺栓

12、材料、规格及数量;c.确定法兰材料、密封面型式及结构尺寸; d.进行应力校核， 计算中所有尺寸均不包括腐蚀 余量；e. 对承受内压的窄面整体法兰和按整体法兰计算的窄面任意式法兰进行刚度校核。26法兰的类型法兰的类型 法兰可分为法兰可分为 松式法兰松式法兰 整体法兰整体法兰 任意式法兰任意式法兰松式法兰整体法兰任意式法兰图2-51法兰的种类27 密封机理密封机理28 泄漏形式泄漏形式29 螺栓法兰连接的密封条件螺栓法兰连接的密封条件 界面泄漏是螺栓法兰密封的主要失效形式。界面泄漏是螺栓法兰密封的主要失效形式。防止界面泄漏需要满足两个密封条件：防止界面泄漏需要满足两个密封条件：予紧时，满足初始密封

13、条件。予紧时，满足初始密封条件。操作时，满足工作密封条件。操作时，满足工作密封条件。 30保证密封的条件保证密封的条件预紧时，法兰密封预紧时，法兰密封面上的比压不低于面上的比压不低于预紧密封比压预紧密封比压y工作时，法兰密封面工作时，法兰密封面上的比压不低于操作上的比压不低于操作密封比压，即密封比压，即m倍的倍的介质计算压力介质计算压力 31影响密封的因素影响密封的因素螺栓预紧力螺栓预紧力 法兰刚度法兰刚度 压紧面形式压紧面形式和加工质和加工质 量量 垫片性能垫片性能 操作条件操作条件32 平面形、平面形、O形、波形、齿形、八角形、形、波形、齿形、八角形、 椭圆形等椭圆形等 非金属垫片非金属垫

14、片 常用材料：石棉橡胶板、橡胶板、聚四氟乙烯、常用材料：石棉橡胶板、橡胶板、聚四氟乙烯、合成纤维、石墨等。合成纤维、石墨等。 金属垫片金属垫片 常用材料：铜、铝、低碳钢、不锈钢、合金等。常用材料：铜、铝、低碳钢、不锈钢、合金等。 组合式垫片组合式垫片包括：金属包垫片；缠绕式垫片；带骨架的非金属包括：金属包垫片；缠绕式垫片；带骨架的非金属垫片等。垫片等。 垫片形状垫片形状垫片类型垫片类型垫片垫片33 非金属垫片：非金属垫片：如橡胶垫，石棉橡胶垫，聚四氟如橡胶垫，石棉橡胶垫，聚四氟乙烯垫等，断面形状一般为平面形或乙烯垫等，断面形状一般为平面形或O形形34非金属垫片非金属垫片35金属垫片金属垫片36

15、金属垫片金属垫片37金属非金属组合垫片金属非金属组合垫片38金属非金属组合垫片金属非金属组合垫片39金属垫片金属垫片40垫片断面形式垫片断面形式41 要有全面的观念，综合考虑温度、压力、介质、要有全面的观念，综合考虑温度、压力、介质、压紧面形式等方面要求，其中温度和压力是影响密压紧面形式等方面要求，其中温度和压力是影响密封的主要因素，也是选择垫片的主要依据。封的主要因素，也是选择垫片的主要依据。垫片选择原则垫片选择原则 依据标准和规范，重视实践经验。依据标准和规范，重视实践经验。 在保证密封的前提下，尽量选用结构简单、价在保证密封的前提下，尽量选用结构简单、价格便宜、便于安装和更换的垫片。格便

16、宜、便于安装和更换的垫片。421、预紧工况、预紧工况 Fa=DGby DG-垫片计算直径垫片计算直径 b-垫片有效密封宽度垫片有效密封宽度 螺栓载荷螺栓载荷Wa=Fa2、操作工况、操作工况 FP=2DGbmPC 螺栓载荷螺栓载荷WP=F+FP = +2DGbmPC CGPD24螺栓载荷螺栓载荷螺栓设计螺栓设计43预紧工况：预紧工况：操作工况：操作工况：取取Am=maxAa，AP baaWAtbPPWAnAdm40螺栓直径螺栓直径44）（表螺栓最小间距按法兰有效厚度螺栓公称直径螺栓最大间距：3-720113 .150)5 . 0(62)45 . 3(maxGBdmdLdLfBfBB螺栓间距的限制

17、螺栓间距的限制螺栓的公称直径应不小于M12，当公称直径大于M48 时，应采用细牙螺纹。45螺栓是法兰密封连接中的重要元件，对其基本要螺栓是法兰密封连接中的重要元件，对其基本要求是强度要高、韧性要好。求是强度要高、韧性要好。 螺母更换比螺栓容易，且螺母价廉，所以要螺母更换比螺栓容易，且螺母价廉，所以要求螺栓材料的强度比螺母高。求螺栓材料的强度比螺母高。 为避免螺栓和螺母咬死或胶合，要求螺栓材为避免螺栓和螺母咬死或胶合，要求螺栓材料的硬度比螺母高料的硬度比螺母高HB30以上。以上。 对于对于t-20的螺栓，要求选用低合金钢，并的螺栓，要求选用低合金钢，并进行夏比进行夏比V形缺口低温冲击试验。形缺口

18、低温冲击试验。 螺栓材料螺栓材料46应力分析模型应力分析模型4748法兰强度校核条件：法兰强度校核条件： tntfH5.25.1minH轴向应力 tf设计温度下法兰的许用应力n t设计温度下圆筒材料的许用应力49tfRtfTR 径向应力T环向应力 tf设计温度下法兰的许用应力50tfRH2tfTH2H轴向应力R径向应力T环向应力 tf设计温度下法兰的许用应力517.5.3.5 法兰刚度校核 当法兰在相同的操作条件下有成功的使用经验时，可以免除刚度校核。否则： 对整体法兰和按整体法兰计算的任意法兰，刚度指数按（7-23）计算：114.5212ooOIhKEMVJ52式中：K1刚度系数，取0.3E

19、法兰材料的弹性模量，Mpa;当法兰设计力矩Mo为预紧控制时，E取常温下的弹性模量，当法兰设计力矩Mo为操作控制时，E取设计温度下的弹性模量，其他系数同7.5.3.153法兰连接的合理设计 法兰连接合理设计的三个关键： (1) 在垫片设计时，应控制尽可能小的垫片载荷。 (2) 在螺栓配置设计中，应控制尽可能小的螺栓中心圆直径，从而构成尽可能小的法兰力矩，遵循“最小载荷准则” 。 (3) 在以上基础上，将法兰的锥颈和法兰环比例设计得当，使法兰各部分允分地发挥强度性能并保证足够的刚度，即趋于满应力状态，遵循“满应力准则”。5455二、密封结构GB150.3-2011压力容器 第3部分 设计附录C 本

20、附录规定了圆筒形压力容器用金属平垫密封、双锥密封、伍德密封、卡扎里密封、八角垫和椭圆垫密封、卡箍紧固结构的设计方法。各密封结构型式的适用范围见下表：56特点：特点： 强制式密封强制式密封 采用窄面金属垫片采用窄面金属垫片 主螺栓直径大主螺栓直径大适用范围：适用范围：t 200C Di 1000mm平垫密封平垫密封57双锥密封双锥密封581、结构简单，装拆方便、密封可靠。、结构简单，装拆方便、密封可靠。2、半自紧密封，主螺栓直径较小。、半自紧密封，主螺栓直径较小。3、压力和温度波动时也能保证良好密封。、压力和温度波动时也能保证良好密封。适用范围：适用范围：P=6.435MPa t =0400C

21、Di =4003200mm双锥密封双锥密封双锥密封特点双锥密封特点591、全自紧式密封，压力和温度的波动不会影响密封可靠性。、全自紧式密封，压力和温度的波动不会影响密封可靠性。 2、取消了主螺栓，使筒体端部尺寸减小。、取消了主螺栓，使筒体端部尺寸减小。 零件多、结构复杂。零件多、结构复杂。优点优点缺点缺点伍德密封伍德密封60其它密封结构其它密封结构61三、焊接结构1、GB150.3-2011压力容器 第3部分：设计附录D （资料性附录）2、HG/T20583-2011钢制化工容器结构设计规定 第18章 焊接结构62焊接接头形式焊接接头形式63坡口形式坡口形式64656667686970GB 1

22、50.32011 附录D (提示的附录)焊接结构 焊接接头和坡口的形式及尺寸均基于等强度原则确定。 本附录仅给出一些常用焊接接头结构，供设计及制造时参考选用，焊缝坡口的基本形式及尺寸仅为推荐内容，本附录中各类焊接接头的施焊工艺必须按NB/T47014（ JB /T4708 ）评定合适后采用。71在保证焊接质量的前提下，焊接接头设计应遵循以下原则：a）焊缝填充金属尽量少；b）焊接工作量应尽量少，且操作方便；c）合理选择坡口角度、钝边高、根部间隙等结构尺寸，使之有利于坡口加工及焊透，以减少各种缺陷产生的可能；d）有利于焊接防护；e）合理选择焊材，至少应保证对接焊接接头的抗拉强度不低于母材标准规定的

23、下限值；f）焊缝外形应尽量连续、圆滑，减少应力集中。72D.2 A、B类焊接接头结构D.2 .1常见A、B类对接接头 A、B类对接接头，当两侧钢材厚度相等时，可采用图D.1的连接形式。 B类对接接头，当两侧钢材厚度不等时，可单面或双面削薄厚板边缘，或采用堆焊方法将薄板边缘焊成斜面，具体见GB150.4的相关规定。73图D.1（续）74图D.1（续）75D.3.1 插入式接管 在下列使用条件下，接管内径边角处应倒圆，圆角半径一般取nt/4或19 mm两者中的较小值： a)承受疲劳载荷的压力容器； b)低温压力耷器； c)钢材的标准抗拉强度下限值Rm540 MPa的容器。 d) 图样注明有应力腐蚀

24、的容器。76 D.10 夹套封闭件结构图D.2377图D.23787980图D.2581HG/T20583-2011 手工焊（对接接头）82HG/T20583-2011手工焊（对接厚板接头）83HG/T20583-2011 自动焊（对接接头）84HG/T20583-2011 角接焊接接头85HG/T20583-2011 带补强圈的角接焊接接头86HG/T20583-2011 非径向接管角接接头87HG/T20583-2011 斜接管角接接头88HG/T20583-2011 管子或筒体与平盖的角接接头89HG/T20583-2011 锥体与筒体的连接接头90HG/T20583-2011 封头与裙

25、座的焊接接头91坡口设计原则坡口设计原则1、尽量减少填充金属量。、尽量减少填充金属量。2、保证焊透，避免产生各种焊接缺陷。、保证焊透，避免产生各种焊接缺陷。3、便于施焊，改善劳动条件。、便于施焊，改善劳动条件。4、减少焊接变形和残余变形量。、减少焊接变形和残余变形量。921、尽量采用对接接头、尽量采用对接接头2、尽量采用全焊透结构、尽量采用全焊透结构 3、尽量减小焊缝处的应力集中、尽量减小焊缝处的应力集中 4、便于进行无损检验、便于进行无损检验 焊接结构设计原则焊接结构设计原则93接管与壳体间的焊接接头 工艺接管与容器壳体及开孔补强圈连接的接头处拘束度大，存在较大的应力集中。加之焊缝金属通常比

26、母材塑性低，焊缝根部及焊接热影响在疲劳载荷(如循环压力和温度、振动等)作用下易成为裂纹的起源。 94 从焊接施工操作讲，这类焊缝是容器上所有焊缝最难控制、也是最易产生问题的地方，这是因为目前壳体上的马鞍形开孔仍大量采用气割、气刨等手工开孔方法，不易保证坡口角度及钝边尺寸；坡口表面的氧化皮较难去除，施焊接管的操作位置又往往不利于焊工控制成型等等；所以极易产生裂纹、未焊透、夹渣、未熔合等缺陷，而目前图纸上对接管与容器连接焊缝的无损检测问题又往往无明确规定，这样便削弱了焊工的责任感，致使此类焊缝质量不易保证。 95 从设计角度讲，一些设计人员往往只注意焊条、焊丝强度，而忽视了韧性。加之焊接冶金过程的

27、影响，致使大量焊缝金属出现高强度、低塑性现象，焊缝及热影响区易产生开裂。另外，设计者对如何设计出保证焊接质量的接头缺乏了解，也是导致接头质量不佳的重要原因。96 坡口及间隙对焊缝质量有直接影响，因此应注意提高坡口尺寸的精确度。此外，坡口的清洁度十分重要，应将坡口表面的的油污、脏物、碳弧气刨产生的氧化皮、渗碳层及淬硬层清除。97 疲劳断裂失效约占金属失效结构的40，ASME认为：接管的设计应考虑最大限度地降低应力集中。最安全的容器是在容器上所有部分都具有最低的总应力(一次应力及应力集中等)，而不是在一次膜应力上取最大的安全系数，而不管局部应力集中。所以，有效的降低应力集中，是设计容器与接管焊接接头时应给予足够重视的问题。 98固定式压力容器安全技术监察规程固定式压力容器安全技术监察规程的要求的要求3.14 3.14 焊接接头焊接接头 3.14.1 3.14.1 壳体接头设计壳体接头设计 焊制压力容器筒体的纵向接头、筒节与焊制压力容器筒体的纵向接头、筒节与筒节（封头）连接的环向接头、封头的拼接接筒节（封头）连接的环向接头、封头的拼接接头，以及球壳板间的焊接接头