第十二章容器零部件

1、1234第十二章容器零部件第十二章容器零部件教学重点：教学重点： 各零部件标准的选用。各零部件标准的选用。教学难点：教学难点： 标准法兰的选用。标准法兰的选用。5被连接件被连接件 连接件连接件 密封元件密封元件 法兰联接法兰联接图图12-1 螺栓法兰连接结构螺栓法兰连接结构1-螺栓螺栓 2-垫片垫片 3-法兰法兰312第一节第一节 法兰联接法兰联接 一、法兰联接结构与密封原理一、法兰联接结构与密封原理 1、密封组成、密封组成6泄漏途径泄漏途径 密封原理密封原理压紧面泄漏压紧面泄漏 垫片渗漏垫片渗漏 当压力介质通过密封口当压力介质通过密封口的阻力降大于密封口两的阻力降大于密封口两侧的介质压力降时

2、，介侧的介质压力降时，介质就被密封住质就被密封住3122、工作原理、工作原理图图12-1 螺栓法兰连接结构螺栓法兰连接结构1-螺栓螺栓 2-垫片垫片 3-法兰法兰7通过垫片材料本体毛细通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏。可通过管的渗透泄漏。可通过对渗透性垫片材料添加对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成或与不透性材料组合成型来避免型来避免“垫片渗漏垫片渗漏”。沿着垫片与压紧面之沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大间的泄漏，泄漏量大小主要与界面间隙尺小主要与界面间隙尺寸有关。寸有关。“压紧面泄压紧面泄漏漏”是密封失效的主是密封失效的主要途径。要途径。垫片渗

3、漏垫片渗漏压紧面泄漏压紧面泄漏泄漏泄漏8压紧面泄漏压紧面泄漏垫片渗漏垫片渗漏图图12-2 泄漏形式泄漏形式9螺栓法兰连接的整个工作过程：螺栓法兰连接的整个工作过程：图图12-2（a）尚未预紧工况、尚未预紧工况、 （b）预紧工况、预紧工况、 （c）操作工况操作工况（a）尚未预紧工况）尚未预紧工况 将上、下法兰压紧面和垫片的将上、下法兰压紧面和垫片的 接触处的微观尺寸放大，表面接触处的微观尺寸放大，表面 是凹凸不平的，这就是流体泄是凹凸不平的，这就是流体泄 漏的通道。漏的通道。（a）尚未预紧工况尚未预紧工况图图12-3 密封机理图密封机理图10（b）预紧工况（无内压）预紧工况（无内压） 拧紧螺栓，

4、螺栓力通过法兰压拧紧螺栓，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上。垫片产生弹性紧面作用到垫片上。垫片产生弹性或屈服变形，填满凹凸不平处，堵或屈服变形，填满凹凸不平处，堵塞泄漏通道，形成初始密封条件。塞泄漏通道，形成初始密封条件。 形成初始密封条件时垫片单位面积形成初始密封条件时垫片单位面积上所需的最小压紧力，称为上所需的最小压紧力，称为“” ，单位为，单位为MPaMPa。在预紧工。在预紧工况下，如垫片单位面积上所受的压况下，如垫片单位面积上所受的压紧力小于比压力紧力小于比压力y y，介质即发生泄漏。，介质即发生泄漏。引入概念引入概念1“预紧比压预紧比压y”（b）预紧工况预紧工况图图12-3 密封机理

5、图密封机理图y值仅与垫片材料、值仅与垫片材料、结构与厚度有关。结构与厚度有关。11通入介质通入介质压力上升压力上升密封比压下降密封比压下降导致导致垫片弹性压缩变形部分产生回弹，使压垫片弹性压缩变形部分产生回弹，使压紧面上的密封比压力仍能维持紧面上的密封比压力仍能维持以以保持密封性能。保持密封性能。为保证在操作状态时法兰的密封性为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加在垫片上的压应力，能而必须施加在垫片上的压应力，称为称为。操作密封比压往往用介质计算压力操作密封比压往往用介质计算压力的的m倍表示，倍表示， m称为称为“垫片系数垫片系数”。引入概念引入概念2“操作密封比压操作密封比压”（c）操作

6、工况操作工况（c）操作工况操作工况 图图12-3 密封机理图密封机理图12二、法兰的结构与分类二、法兰的结构与分类1、按法兰接触面分、按法兰接触面分图图12- 窄面法兰与宽面法兰窄面法兰与宽面法兰13整体法兰整体法兰将法兰与壳体锻或铸成一体或全焊透，典型的整体法兰有一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（长）颈法兰。法兰受力后会使容个锥形的颈脖，故又称高（长）颈法兰。法兰受力后会使容器产生附加弯曲应力。器产生附加弯曲应力。2、按法兰与设备或管道的联接方式划分、按法兰与设备或管道的联接方式划分图图12-5 (d) (e)(f) 整体法兰整体法兰(e)(d)(

7、f)14整体法兰整体法兰15整体法兰整体法兰16松套法兰松套法兰法兰不直接固定在壳体上或虽然固定而不能保证法兰法兰不直接固定在壳体上或虽然固定而不能保证法兰与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。图图12-5 (a) (b)(c)松套法兰松套法兰17松套法兰松套法兰18螺纹法兰螺纹法兰 法兰和管壁通过螺纹进行连接，法兰对管壁产生的附法兰和管壁通过螺纹进行连接，法兰对管壁产生的附加应力较小。常用于高压管道。加应力较小。常用于高压管道。图图 螺纹法兰螺纹法兰19螺纹法兰螺纹法兰20圆形、方形和椭圆形3、按法兰形状分、按法兰形状分图图12-6 不同形状的法兰不同形

8、状的法兰21三、影响法兰密封的因素三、影响法兰密封的因素预紧力应均匀地作用到垫片上，可采取减小螺栓直径、预紧力应均匀地作用到垫片上，可采取减小螺栓直径、增加螺栓个数等措施来提高密封性能。增加螺栓个数等措施来提高密封性能。预紧力不宜太大，否则使垫片整体屈服丧失回弹能力，预紧力不宜太大，否则使垫片整体屈服丧失回弹能力，甚至将垫片挤出或压坏。甚至将垫片挤出或压坏。适当提高预紧力可增加垫片的密封能力，即在正常工况适当提高预紧力可增加垫片的密封能力，即在正常工况下保留较大的接触面比压力。下保留较大的接触面比压力。预紧力使垫片压紧实现初始密封。预紧力使垫片压紧实现初始密封。1、螺栓预紧力、螺栓预紧力22主

9、要根据工艺条件、密封口径以及准备采用的主要根据工艺条件、密封口径以及准备采用的垫片等进行（常用垫片等进行（常用5 5种）选择种）选择u形状和粗糙度应与垫片相匹配形状和粗糙度应与垫片相匹配;u使用金属垫片时其压紧面的质量要求比使用非金属垫片时高；使用金属垫片时其压紧面的质量要求比使用非金属垫片时高；u压紧面表面不允许有刀痕和划痕；压紧面表面不允许有刀痕和划痕；u应能均匀地压紧垫片，保证平面度和垂直度。应能均匀地压紧垫片，保证平面度和垂直度。压紧面的质量要求压紧面的质量要求 压紧面的型式压紧面的型式2、压紧面（密封面）、压紧面（密封面）23平面型压紧面平面型压紧面 优点：结构简单，加工方便。优点：

10、结构简单，加工方便。缺点：是接触面积大，需要的预紧比压大，螺栓承载大，故缺点：是接触面积大，需要的预紧比压大，螺栓承载大，故法兰等零件要求高、笨重，垫片易挤出，密封性能较差。使法兰等零件要求高、笨重，垫片易挤出，密封性能较差。使用压力用压力P2.5MPa，有毒、易燃、易爆介质中不能使用。有毒、易燃、易爆介质中不能使用。24凹凸型压紧面凹凸型压紧面 由一个凹面和一个凸由一个凹面和一个凸面配合组成。垫片放面配合组成。垫片放凹面中。凹面中。优点：便于对中，能优点：便于对中，能防垫片挤出。防垫片挤出。可用在可用在P6.4MPa，DN800mm25榫槽型压紧面榫槽型压紧面 一榫一槽密封面组成，优点一榫一

11、槽密封面组成，优点是对中性好，密封预紧压力是对中性好，密封预紧压力小，垫片不易挤出，不受介小，垫片不易挤出，不受介质冲刷，用于易燃易爆密封质冲刷，用于易燃易爆密封要求高处。缺点是更换较困要求高处。缺点是更换较困难，榫易损坏。难，榫易损坏。注意：应使固定在设备上的注意：应使固定在设备上的法兰为槽面法兰为槽面, ,可拆下部分的法可拆下部分的法兰为榫面。兰为榫面。26锥形压紧面锥形压紧面 通常用于高压密封，通常用于高压密封，其缺点是需要的尺寸其缺点是需要的尺寸精度和表面粗糙度要精度和表面粗糙度要求高。须与透镜垫片求高。须与透镜垫片配合配合, ,常用于高压管道常用于高压管道。 27梯形槽压紧面梯形槽压

12、紧面 槽底不起密封作用，是槽底不起密封作用，是槽的内外锥面与垫片接槽的内外锥面与垫片接触成梯形触成梯形, ,形成密封的，形成密封的，与椭圆或八角形截面的与椭圆或八角形截面的金属垫圈配合。金属垫圈配合。 28非金属垫片非金属垫片 金属垫片金属垫片 金属金属非金属组合垫片非金属组合垫片 一般要求软韧，一般要求软韧，强度要求其次强度要求其次 3、垫片性能、垫片性能29密封失效的主密封失效的主要原因之一要原因之一提高法兰刚度的措施：提高法兰刚度的措施：增加法兰厚度增加法兰厚度；减小螺栓力作用的力臂减小螺栓力作用的力臂( (即缩小即缩小中心圆直径中心圆直径) )；增大法兰盘外径增大法兰盘外径。刚度不足：

13、过大的翘曲变形刚度不足：过大的翘曲变形4、法兰刚度、法兰刚度30图图12-11 法兰的翘曲变形法兰的翘曲变形 31在压力、介质和温度的联合作用下，尤其是波动在压力、介质和温度的联合作用下，尤其是波动的高温下，会严重影响密封性能，甚至使密封因的高温下，会严重影响密封性能，甚至使密封因疲劳而完全失效。疲劳而完全失效。操作条件操作条件指压力、温度及介质的物理化学性质对密封性能指压力、温度及介质的物理化学性质对密封性能的影响的影响。 特特 点点高温下，介质粘度小，渗透性大，易泄漏；介质高温下，介质粘度小，渗透性大，易泄漏；介质对垫片和法兰的腐蚀作用加剧，增加了泄漏的可对垫片和法兰的腐蚀作用加剧，增加了

14、泄漏的可能性；法兰、螺栓和垫片均会产生较大的高温蠕能性；法兰、螺栓和垫片均会产生较大的高温蠕变与应力松弛，使密封失效；某些非金属垫片还变与应力松弛，使密封失效；某些非金属垫片还会加速老化、变质，甚至烧毁。会加速老化、变质，甚至烧毁。 原原 因因5、操作条件、操作条件32四、法兰标准及选用四、法兰标准及选用 平焊法兰平焊法兰 对焊法兰对焊法兰 甲型甲型 压力容器压力容器法法 兰兰乙型乙型 1、压力容器法兰标准、压力容器法兰标准33焊缝形式：甲型为焊缝形式：甲型为V型坡口，乙型为型坡口，乙型为U型坡口，型坡口，因此乙型更易焊透，故其强度和刚度更高。因此乙型更易焊透，故其强度和刚度更高。比较比较 乙

15、型法兰带有一个短筒体，因此刚性较甲型法兰乙型法兰带有一个短筒体，因此刚性较甲型法兰好，可用于压力较高，直径较大的场合；好，可用于压力较高，直径较大的场合；平平焊焊法法兰兰 图图12-12甲型平焊法兰甲型平焊法兰图图12-13 乙型平焊法兰乙型平焊法兰34特点特点 由于有长颈，并由于有长颈，并采用对焊，故刚采用对焊，故刚性更好，用于压性更好，用于压力更高处力更高处. . 对焊法兰对焊法兰 图图12-14 长颈对焊法兰长颈对焊法兰35平焊与对焊平焊与对焊法兰都有带法兰都有带衬环与不带衬环与不带衬环两种。衬环两种。 注意问题注意问题 密封面都有密封面都有平面型、凹平面型、凹凸型、榫槽凸型、榫槽型三种

16、。型三种。 图图 带衬环的甲型平焊法兰带衬环的甲型平焊法兰36选择法兰的主要参数选择法兰的主要参数公称压力（公称压力（PN）公称直径（公称直径（DN）2、如何选用压力容器法兰、如何选用压力容器法兰37公称直径公称直径 公称压力公称压力 压力容器法兰的公称直径与压力容器的公称直径压力容器法兰的公称直径与压力容器的公称直径取同一系列数值取同一系列数值法兰公称压力与法兰的最大操作压力和操作温度法兰公称压力与法兰的最大操作压力和操作温度以及法兰材料三个因素有关。以及法兰材料三个因素有关。公称压力公称压力是以是以16MnR在在200时的最高工作时的最高工作压力为依据制定的，因此当法兰材料和工作温度压力为

17、依据制定的，因此当法兰材料和工作温度不同时，最大工作压力将降低或升高。不同时，最大工作压力将降低或升高。383、压力容器法兰的标记、压力容器法兰的标记39第二节容器支座一、卧式容器支座一、卧式容器支座 三种：三种：P173P173图图12-1612-16 （1 1）鞍座）鞍座应用最广。已标准已标准化化 JB/T4712-92JB/T4712-92 （2 2）圈座）圈座大直径薄壁容器，因自重可能造成严重挠曲的。 （3 3）支腿）支腿（支承或支座）小型设备。401、双鞍式支座（1 1）鞍座结构）鞍座结构 由底板、筋板、腹板、垫板组合而成：173图 有轻（A）、重（B）型之分从所允许承受的载荷来说。

18、DN1m才有轻重型之分；DN1m均为重型。 带垫板与不带垫板 DN1m允许不带垫板 F型（固定支座）与S型（滑动支座） S S型螺栓孔为长圆孔。同一型螺栓孔为长圆孔。同一台容器配对使用。台容器配对使用。41焊焊制与弯制制与弯制腹板与底板由两块板焊在一起或一块板弯成。 DN900DN900才有弯制结构。才有弯制结构。包角有包角有 和和 两种。两种。增大包角可以提高承载能力。 鞍座有六种型式鞍座有六种型式P175表12-6 鞍座尺寸鞍座尺寸P175表12-7根据公称直径和允许载荷根据公称直径和允许载荷QQ选取选取 15012042（2 2）选用注意事项）选用注意事项 实际Q实际Q Q，计算 时应按

19、容器内充满水情况（水压实验）。垫板材料应与壳体相同。如：不锈钢容器配碳钢鞍座，必须配用相同不锈不锈钢容器配碳钢鞍座，必须配用相同不锈钢垫板钢垫板。活动支座用双螺母，第一个拧紧后退一圈，然后拧紧第二个螺母活动支座用双螺母，第一个拧紧后退一圈，然后拧紧第二个螺母。鞍座中心到封头切线的距离A:a、A0.2L 鞍座部位有加强圈时，否则鞍座面弯矩大；b、鞍座部位无加强圈时，在满足A0.2L的情况下尽量使 A0.5 AALih0.5oinRRoR充分利用封头对筒体的加强作用充分利用封头对筒体的加强作用。一般应优先满足a。（圆筒外半径） L/D=36（使筒体中面与鞍座面弯矩值接近。）432、圈式支座 大直径

20、薄壁容器，因自重可能造成严重挠曲的；多于两个支座的大直径薄壁容器，因自重可能造成严重挠曲的；多于两个支座的长容器等。长容器等。 443、支腿小型容器。小型容器。45二、立式容器支座1 1、耳式支座（悬挂式支座）、耳式支座（悬挂式支座）JB/T4725-92JB/T4725-92A A型型短臂（短脚）支座短臂（短脚）支座B B型型长臂（长脚）支座（有保温层或直接放在楼板上时用长臂（长脚）支座（有保温层或直接放在楼板上时用B B型）型）ANAN带垫板带垫板BNBN不带垫板不带垫板462、支承式支座 用于高度不大的中小型设备（支承在设备的底封头上）用于高度不大的中小型设备（支承在设备的底封头上） J

21、B/T4724-92JB/T4724-92473、腿式支座（支承在设备的圆柱部分）JB4713-92盖板底板支柱A-AAA484、裙式支座 尚未标准化尚未标准化 高大直立塔设备中广泛应用。49 第三节 容器的开孔补强 由于结构和工艺的需要，必须在设备的筒体或封头上开孔。如：人孔、手孔、进出料口等。 开孔影响：开孔影响：1、平均应力 （承载面积 ）强度削弱； 2、应力集中截面形状突变； 3、壳体与接管处不连续应力附加弯、剪应力 从而使局部应力壳体中的薄膜应力,导致疲劳破坏或脆性裂口。开孔部位的应力集中将引起壳体局部的强度削弱。开孔边缘的最大应力应力峰值比平均应力高出数倍，所以很多破坏都是从孔缘开

22、始。为降低孔缘应力峰值，应采取一定的补强措施。整体补强整体补强与局部补强局部补强50一、开孔补强的设计原则与补强结构 1 1、开孔补强的设计原则、开孔补强的设计原则 （1 1）等面积补强法的设计原则）等面积补强法的设计原则 开孔被削弱的有效面积（承受强度的面积）可起补强作用的金属截面积（补强面积）。 可恢复壳体的平均强度，但不能完全解决应力集中问题可恢复壳体的平均强度，但不能完全解决应力集中问题。 为使用最早的方法，适用范围广，且简便。51（2）塑性失效补强设计原则 关于安定的概念关于安定的概念：开停工时的升压与卸载、间歇操作设备的增压与减压、介质压力的波动和温度变化，均会造成器壁内应力的变化

23、。如果这种应力变化不会使已经发生了一次塑性变形的二次应力区域出现反复的塑性变形，那么这些存在二次应力的局部区域就被认为是“安定”的。由于材料的应变硬化，导致产生微小裂纹，并在以后的交变操作中逐渐扩展，导致疲劳破坏，或造成裂纹的突然开裂，形成低应力脆性断裂。董大勤：p208 是一种极限设计方法，同时又考虑到结构的安定性。其基本点是：开孔接管处达到全域塑性时的极限应力应等于无孔壳体的屈服应力；同时按弹性计算的最大应力应不超过max3 s， 即max2s /1.5s1.5 s表明：表明：如果将薄膜应力控制在许用应力 之下，那么应力集中区的最大应力集中系数可以允许达到3.0。 这种方法只允许采用整锻件

24、补强结构。522、补强结构因开孔是局部的，所以补强也可以是局部的-在开孔附近安置一种补强元件。局部不强结构有三种：局部不强结构有三种：（1 1）补强圈补强（贴板补强）补强圈补强（贴板补强） a）平齐接管外补强，最常用； b）内伸接管外补强-可降低应力集中系数。碰内件时不能用。 c）内伸接管内外补强-单面补不能满足要求时用。 大多数中低压化工容器均用此。补强圈尺寸、结构已有标准（JB/T4736-95JB/T4736-95）。 优点：优点：结构简单、制造方便，使用经验丰富； 缺点：缺点：与壳体为搭接焊缝，抗疲劳性能差；与壳壁间形成一静止气隙，于传热不利，容易产生附加热应力。 使用条件：使用条件：常温、静载中低压容器（材料一般与壳体相同），钢材常温抗拉强度 ，圈厚 ，壳厚 （焊缝深，用高强度钢焊缝处易产生裂纹）。 MPab540nc5 . 1mmn3853（2 2）加强管补强（接管、厚壁管补强）加强管补强（接管、厚壁管补强） 在开孔处焊一段加厚的接管，加厚部分位于最大应力区域，比补强圈能更有效地降低应力集中系数。 多用于低合金、高强度钢容器多用于低合金、高强