第9章压力容器通用零部件

1、LOGO化工设备机械基础化工设备机械基础123451 设备及零部件标准的最基本参数为：设备及零部件标准的最基本参数为：公称公称直径直径DN和和公称压力公称压力PN。 压力容器的公称直径：通常指筒体的内径。压力容器的公称直径：通常指筒体的内径。 当筒体直径较小时可直接采用无缝钢管制作，此当筒体直径较小时可直接采用无缝钢管制作，此时公称直径的数值等于钢管的外径。时公称直径的数值等于钢管的外径。 公称直径公称直径DNDN：指标准化以后的标准直径，以：指标准化以后的标准直径，以DNDN表示，单位表示，单位mmmm，例如内径，例如内径1200mm1200mm的容器的公称的容器的公称直径标记为直径标记为D

2、N1200DN1200。公称压力公称压力PNPN：容器及管道的操作压力经标准化以：容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以后的标准压力称为公称压力，以PNPN表示，单位表示，单位MPaMPa。表表9-1 压力容器的公称直径压力容器的公称直径DN注：红色的公称直径尽量不采用。封头的公称直径应与筒体保持一致。筒体由筒体由钢板卷钢板卷制而成制而成300350400450500550600650700800900100011001200130014001500160017001800190020002100220023002400260028003000320034003600380

3、04000筒体由筒体由无缝钢无缝钢管制作管制作159219273325377426 公称压力（公称压力（PN)：常用的压力等级为：常用的压力等级为0.25，0.6，1.0，1.6，2.5，4.0，6.4，10 MPa等。等。管子的公称直径(公称通径)公称直径公称直径DNDN就是各种管子与管路附件的通用口径。同一公称直径的管子与就是各种管子与管路附件的通用口径。同一公称直径的管子与管路附件均能相互连接，具有互换性管路附件均能相互连接，具有互换性. .它不是实际意义上的管道外径或内它不是实际意义上的管道外径或内径，虽然其数值跟管道内径较为接近或相等；径，虽然其数值跟管道内径较为接近或相等；( (也

4、称公称口径、公称通也称公称口径、公称通径径) )。例如焊接钢管例如焊接钢管( (有缝管有缝管): ):化工厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸化工厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸汽等流体管道。按厚度可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。其公称汽等流体管道。按厚度可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。其公称直径不是外径，也不是内径，而是近似普通钢管内径的一个名义尺寸。直径不是外径，也不是内径，而是近似普通钢管内径的一个名义尺寸。每一公称直径，对应一个外径，其内径数值随厚度不同而不同。公称直每一公称直径，对应一个外径，其内径数值随厚度不同而不同。公称直径可用公制径可用公制mmmm表示，也可

5、用英制表示，也可用英制inin表示。管路附件也用公称直径表示。表示。管路附件也用公称直径表示。无缝管无缝管：分热轧管和冷拔管两种。如输送流体用无缝钢管：分热轧管和冷拔管两种。如输送流体用无缝钢管(GB (GB 8163-87)8163-87)、石油裂化用无缝钢管、石油裂化用无缝钢管(GB 9948-88)(GB 9948-88)、化肥设备用、化肥设备用高压无缝钢管（高压无缝钢管（GB 647986)GB 647986)等。等。有缝管的公称直径：公称直径公称直径15mm15mm或或1/21/2英寸，外径英寸，外径21.3mm21.3mm，壁厚壁厚2.75mm2.75mm（普通）（普通）3.25m

6、m3.25mm（加厚）（加厚）（公制）（英制）外径俗称61/8101分81/4;13.52分103/8173分151/221.34分203/426.86分25133.51吋3211/442.24011/248.350260.36521/273.080388.91004114.31255139.81506168.32008219.1无缝钢管的公称尺寸：分热轧管和冷拔管。分热轧管和冷拔管。无缝钢管不用公称直径而是以外径乘厚度表示。为公称外径与公称厚度。无缝钢管不用公称直径而是以外径乘厚度表示。为公称外径与公称厚度。 在管道工程中，管径超过在管道工程中，管径超过57mm57mm时，常采用热轧管。管径

7、在时，常采用热轧管。管径在57mm57mm以内常以内常选用冷拔管。选用冷拔管。 冷拔管的最大外径为冷拔管的最大外径为200mm200mm；热轧管的最大外径为；热轧管的最大外径为630mm630mm。与法兰相连接的无缝钢管公称直径与外径的关系与法兰相连接的无缝钢管公称直径与外径的关系DN15-18mm，DN20-25mm，DN25-32mm，DN32-38mmDN40-45mm，DN50-57mm，DN65-73mm，DN80-89mmDN100-108mm，DN125-133mm，DN150-159mm，DN200-219mmDN250-273mm，DN300-325mm，DN350-377m

8、m，DN400-426mmDN450-480mm，DN500-530mm，DN600-630m容器零部件的公称直径 法兰、支座等公称直径是相配的筒体、封头的公称法兰、支座等公称直径是相配的筒体、封头的公称直径。直径。DNDN20002000法兰，法兰，DNDN20002000鞍座。鞍座。还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径直径DNDN200200管法兰管法兰另有一些容器零部件公称直径是指结构中某一重要另有一些容器零部件公称直径是指结构中某一重要尺寸，尺寸，DNDN80(80(DgDg80)80)视镜是指窥视孔的直径为视镜是指窥视孔的直径为

9、80mm80mm。公称压力工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件的尺工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件的尺寸也不同。寸也不同。将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。表表13-313-3压力容器法兰与管法兰的公称压力压力容器法兰与管法兰的公称压力压力容器压力容器法兰法兰0.25 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4管法兰管法兰0.25 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.3 10 16 25v设计时如果选用标准零部件，必须将操作温度下的最设计时如果选用标准零部件，必须将操作温度下的

10、最高操作压力高操作压力( (或设计压力或设计压力) )调整为所规定的某一公称压调整为所规定的某一公称压力等级力等级( (调整方法见第五节调整方法见第五节) )，然后根据，然后根据DNDN与与PNPN选定选定该零部件的尺寸。该零部件的尺寸。v如果零件不选用标准零部件，而是自行设计，设计压如果零件不选用标准零部件，而是自行设计，设计压力就不必符合规定的公称压力。力就不必符合规定的公称压力。生产工艺要求，或为制造、运输、安装、检修生产工艺要求，或为制造、运输、安装、检修方便，常采用可拆卸的联接结构。方便，常采用可拆卸的联接结构。常见的可拆卸结构有：常见的可拆卸结构有：法兰联接法兰联接螺纹联接螺纹联接

11、 承插式联接。承插式联接。可拆卸联接应确保接口密封的可靠性。可拆卸联接应确保接口密封的可靠性。 法兰联接强度较好和紧密性，适用尺寸范围法兰联接强度较好和紧密性，适用尺寸范围宽，设备和管道应用最普遍。宽，设备和管道应用最普遍。法兰联接不能很快装配与拆卸，制造成本较高。法兰联接不能很快装配与拆卸，制造成本较高。 v设备法兰与管法兰均已制定出标准。根据公设备法兰与管法兰均已制定出标准。根据公称直径和公称压力，可以从标准中查到，少称直径和公称压力，可以从标准中查到，少量超出标准规定范围法兰，才需进行设计。量超出标准规定范围法兰，才需进行设计。一、法兰联接结构与密封原理联接件强度破坏很少见，多是密封不好

12、而泄漏。联接件强度破坏很少见，多是密封不好而泄漏。设计中要防止介质泄漏。设计中要防止介质泄漏。组合件组合件通过垫片材料通过垫片材料本体毛细管本体毛细管的的渗透泄漏，除了受介质压力、渗透泄漏，除了受介质压力、温度、粘度、分子结构等流温度、粘度、分子结构等流体状态性质影响外，主要与体状态性质影响外，主要与垫片的结构与材料性质垫片的结构与材料性质有关，有关，可通过对渗透性垫片材料添可通过对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，或加某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成型来与不透性材料组合成型来避避免免“渗透泄漏渗透泄漏”；沿着垫片与压紧面之间的泄沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大小主要与漏，泄漏

13、量大小主要与界面界面间隙尺寸间隙尺寸有关。压紧面就是有关。压紧面就是指上、下法兰与垫片的接触指上、下法兰与垫片的接触面。加工时压紧面上面。加工时压紧面上凹凸凹凸不不平的间隙及平的间隙及压紧力不足压紧力不足是造是造成成“界面泄漏界面泄漏”的直接原因。的直接原因。“界面泄漏界面泄漏”是密封失效的是密封失效的主要途径主要途径。渗透泄漏渗透泄漏界面泄漏界面泄漏泄漏泄漏界面泄漏界面泄漏渗透泄漏渗透泄漏法兰密封的原理扳紧螺栓、压紧垫片、填满缝隙、实现密封预紧力压紧垫片。预紧力压紧垫片。 压紧应力（垫片密封比压力）到一定数值使垫片变压紧应力（垫片密封比压力）到一定数值使垫片变形，密封面上微隙被填满，形成初始

14、密封条件。形，密封面上微隙被填满，形成初始密封条件。密封比压力主要决定于垫片材质。密封比压力主要决定于垫片材质。垫片材质确定后，垫片越宽，为保证比压力，预紧力垫片材质确定后，垫片越宽，为保证比压力，预紧力越大，螺栓和法兰尺寸也越大，所以垫片不应过宽，越大，螺栓和法兰尺寸也越大，所以垫片不应过宽，更不应该把整个法兰面都铺满垫片。更不应该把整个法兰面都铺满垫片。(a)(b)(c)F1F1F1F1pFpFp 法兰联接的工作原理：法兰联接的工作原理：工作状态：内压产生轴向拉伸力，降低了压紧应力。工作状态：内压产生轴向拉伸力，降低了压紧应力。垫片有足够回弹，补偿变形，预紧密封比压值不小于垫片有足够回弹，

15、补偿变形，预紧密封比压值不小于某一值某一值( (工作密封比压工作密封比压) )，保持良好密封。反之，回弹，保持良好密封。反之，回弹不足，则此密封失效。不足，则此密封失效。密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧力。螺栓和法兰须有足够大的强度和刚度，不发生紧力。螺栓和法兰须有足够大的强度和刚度，不发生过大的变形。过大的变形。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13-3（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

16、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9-1 密封机理图密封机理图（b）预紧工况（无内压）预紧工况（无内压） 拧紧螺栓，螺栓力通过法兰压紧面拧紧螺栓，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上。垫片产生弹性或屈服变作用到垫片上。垫片产生弹性或屈服变形，填满凹凸不平处，堵塞泄漏通道，形，填满凹凸不平处，堵塞泄漏通道，形成初始密封条件。形成初始密封条件。 预紧预紧(无内压无内压)时，迫使垫片变形与压紧时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件，此时垫面

17、密合，以形成初始密封条件，此时垫片单位面积上所需的最小压紧力，称为片单位面积上所需的最小压紧力，称为“”，用，用 表示，也称为表示，也称为，单位为，单位为MPa。在预紧工况。在预紧工况下，如垫片单位面积上所受的压紧力小下，如垫片单位面积上所受的压紧力小于比压力于比压力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9-1 密封机理图密封机理图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。通入介质通入介质压力上升压力上升A: 内压引起的轴向力，使上下法兰压紧面内压引起的轴向力，使上下法兰压紧面分离，垫片压缩量减少，密

18、封比压（即，分离，垫片压缩量减少，密封比压（即，压紧面上的压紧应力）下降压紧面上的压紧应力）下降导致导致B:垫片弹性压缩变形部分产生回弹，补偿垫片弹性压缩变形部分产生回弹，补偿因螺栓伸长所引起的压紧面分离，使压紧因螺栓伸长所引起的压紧面分离，使压紧面上的密封比压力仍能维持面上的密封比压力仍能维持以保持以保持密封性能。密封性能。为保证在操作状态时法兰的密封性能而为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加（维持）在垫片上的压应力，必须施加（维持）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的操作密封比压往往用介质计算压力的m倍表示，倍表示， 这里这里m称为称为“垫片系数垫片系数”，无

19、，无因次。因次。引入概念引入概念2“操作密封比压操作密封比压”：（c）操作工况）操作工况（c）操作工况）操作工况 图图9-1 密封机理图密封机理图防止流体泄漏的基本方法防止流体泄漏的基本方法当介质通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时，当介质通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封。而介质通过密封口的阻力是借施加于压紧面介质就被密封。而介质通过密封口的阻力是借施加于压紧面上的上的 来实现的，作用在压紧面上的密封比压力越大，来实现的，作用在压紧面上的密封比压力越大，则介质通过密封口的阻力越大，越有利于密封。则介质通过密封口的阻力越大，越有利于密封。在密封口增加流在密封口增

20、加流体流动的阻力体流动的阻力泄漏时介质通过密封口的动力：泄漏时介质通过密封口的动力：密封口内外介质压力差密封口内外介质压力差泄漏时介质通过密封口的阻力：泄漏时介质通过密封口的阻力：压紧面上的压紧面上的由以上分析，在确立法由以上分析，在确立法兰设计方法时，把预紧兰设计方法时，把预紧工况与操作工况分开处工况与操作工况分开处理，从而大大简化了法理，从而大大简化了法兰设计。为此，对两个兰设计。为此，对两个不同的工况分别引进两不同的工况分别引进两个垫片性能参数，即个垫片性能参数，即“最小压紧应力最小压紧应力”或或“比压力比压力”y以及以及“垫片垫片系数系数”m。预紧比压预紧比压y：定义为预紧定义为预紧(

21、无内压无内压)时，迫使垫片时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密变形与压紧面密合，以形成初始密封条件，此时垫片所必需的最小压封条件，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，因以单位接触面积上的压紧载荷计，故也称最小压紧应力紧载荷计，故也称最小压紧应力”，单位为单位为MPa。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。垫片系数垫片系数m：是指操作是指操作(有内压有内压)时，达到紧密时，达到紧密不漏，垫片所必须维持的比压不漏，垫片所必须维持的比压与介质压力与介质压力p的比值（无单位）。的比值（无单位）。不少生产实践和广泛的不少生产实践和广泛的研究表明研

22、究表明y和和m值还与垫值还与垫片尺寸，介质性质、压片尺寸，介质性质、压力、温度、压紧面粗糙力、温度、压紧面粗糙度等许多因素有关，而度等许多因素有关，而且且m与与y之间也存在内在之间也存在内在联系。联系。二、法兰的分类图图9-2 法兰结构类型（整体法兰）法兰结构类型（整体法兰）将法兰与壳体锻或铸成一体或经全熔透的平焊法兰将法兰与壳体锻或铸成一体或经全熔透的平焊法兰 （一）整体法兰整体法兰整体法兰整体法兰整体法兰整体法兰整体法兰特点特点保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度可适当减薄；保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度可适当减薄；但会在壳体上产生较大应力。但会在壳体上产生较大应力。带颈法兰：提高法兰与

23、壳体的连接刚度，适用于压力、带颈法兰：提高法兰与壳体的连接刚度，适用于压力、 温度较高的重要场合。温度较高的重要场合。图图9-3 法兰结构类型（松式法兰）法兰结构类型（松式法兰）活套法兰活套法兰螺纹法兰螺纹法兰搭接法兰搭接法兰 指法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证与指法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。 如：如：活套法兰、螺纹法兰、搭接法兰等。活套法兰、螺纹法兰、搭接法兰等。（二）松式法兰活套法兰活套法兰螺纹法兰螺纹法兰搭接法兰搭接法兰松式法兰松式法兰活套法兰活套法兰但法兰刚度小，厚度较厚，一般只适用于压力

24、较但法兰刚度小，厚度较厚，一般只适用于压力较低的场合低的场合典型的松式法兰，其法兰的力矩完全由法兰环本典型的松式法兰，其法兰的力矩完全由法兰环本身来承担，对设备或管道不产生附加弯曲应力身来承担，对设备或管道不产生附加弯曲应力适用于有色金属和不锈钢制设备或管道上，且法适用于有色金属和不锈钢制设备或管道上，且法兰可采用碳素钢制作，以节约贵重金属兰可采用碳素钢制作，以节约贵重金属（三）任意式法兰 整体性介于整体法兰和松式法兰之间，包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。括未焊透的焊接法兰。图图9-3 法兰结构类型（任意式法兰）法兰结构类型（任意式法兰）任意式法兰任意式法兰任意式法兰

25、任意式法兰任意式法兰任意式法兰圆形法兰最常见，方形法兰利于管子排列圆形法兰最常见，方形法兰利于管子排列紧凑，椭圆形法兰常用于阀门和小直径的紧凑，椭圆形法兰常用于阀门和小直径的高压管子上。高压管子上。三、影响法兰密封的因素影响法兰密封的因素主要有：影响法兰密封的因素主要有： 螺栓预紧力；螺栓预紧力； 密封面型式；密封面型式；垫片性能；垫片性能；法兰刚度；法兰刚度；操作条件。操作条件。 螺栓预紧力螺栓预紧力是影响密封一个重要因素。螺栓预紧力是影响密封一个重要因素。v预紧力使垫片压紧并实现初始密封。预紧力使垫片压紧并实现初始密封。v预紧力过大则垫片被压坏或挤出。预紧力过大则垫片被压坏或挤出。 预紧力

26、通过法兰密封面传递给垫片，良好的密封，预紧力通过法兰密封面传递给垫片，良好的密封，必须使预紧力均匀地作用于垫片。必须使预紧力均匀地作用于垫片。当需要预紧力一定时，采取增加螺栓个数、减小当需要预紧力一定时，采取增加螺栓个数、减小螺栓直径对密封有利螺栓直径对密封有利 密封面法兰联接密封性能与密封面型式有关，法兰联接密封性能与密封面型式有关，密封面型式选择，主要考虑压力、密封面型式选择，主要考虑压力、温度、介质。温度、介质。压力容器和管道中常用的法兰密封面型式和特点：1 1、突面（、突面（RFRF） 光滑平面，可车制密纹水线。结构简单，加工方光滑平面，可车制密纹水线。结构简单，加工方便，便于进行防腐

27、衬里。便，便于进行防腐衬里。 接触面积大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压接触面积大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压紧。紧。（a）突面）突面2、凹凸面（MFM） 凸面和凹面相配合，凹面上放置垫片，防止垫凸面和凹面相配合，凹面上放置垫片，防止垫片被挤出，适用于压力较高。片被挤出，适用于压力较高。（b）凹凸面）凹凸面凹凸面法兰连接凹凸面法兰连接3、榫槽面(TG)v槽中垫片不被挤动。槽中垫片不被挤动。v螺栓力较小。获得良好螺栓力较小。获得良好的密封效果。的密封效果。v结构较复杂，更换垫片结构较复杂，更换垫片较困难。较困难。v榫面容易损坏，榫面容易损坏，适于易燃、易爆、有毒适于易燃、易爆、有毒介质及较高

28、压力。介质及较高压力。压力不大时，即使直径压力不大时，即使直径较大，也能很好密封。较大，也能很好密封。（c）榫槽面）榫槽面榫槽面法兰连接榫槽面法兰连接4、全平面（FF）与环连接面（RJ）v全平面密封适合于压力较小的场合全平面密封适合于压力较小的场合（PNPN1.6MPa1.6MPa）；）；v环连接面主要用在带颈对焊法兰与整体法兰上，适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（用压力范围为（6.3MPa6.3MPaPNPN25.0MPa25.0MPa）。）。（d）全平面）全平面（e）环连接面（）环连接面（T型槽）型槽）(a)(b)(c)(d)光滑面凹凸面榫槽面环密封面按密封面型式

29、分：按密封面型式分：突面法兰突面法兰凹凸面法兰凹凸面法兰榫槽面法兰榫槽面法兰环形密封面法环形密封面法兰兰突面压紧面：突面压紧面：简单，加工方便，装卸容简单，加工方便，装卸容 易，易于防腐衬里。易，易于防腐衬里。压紧面可以是平滑的，适用压紧面可以是平滑的，适用 于于PN2.5MPa场合，场合，带沟槽的（带沟槽的（ 24条、宽深条、宽深 为为0.8mm0.4mm、截面为、截面为 三角形周向沟槽），防止非金三角形周向沟槽），防止非金 属垫片被挤出，适用更广。属垫片被挤出，适用更广。 容器法兰可用至容器法兰可用至6.4MPa，管管 法兰甚至可用至法兰甚至可用至2542MPa， 但随着公称压力的提高，适

30、用但随着公称压力的提高，适用 的公称直径相应减的公称直径相应减小小。由榫面、槽面配合构成，垫片由榫面、槽面配合构成，垫片安放在槽内，不会被挤出压紧安放在槽内，不会被挤出压紧面，较少受介质的冲刷和腐蚀，面，较少受介质的冲刷和腐蚀，所需螺栓力较小，但结构复杂，所需螺栓力较小，但结构复杂，更换垫片较难，只适用于易燃、更换垫片较难，只适用于易燃、易爆和高度或极度毒性危害介易爆和高度或极度毒性危害介质等重要场合。质等重要场合。凹凸压紧面：凹凸压紧面：榫槽压紧面：榫槽压紧面：各压紧面结构简介各压紧面结构简介安装易于对中，有效防止垫片安装易于对中，有效防止垫片被挤出，适用于被挤出，适用于PN6.4MPa的容

31、器法兰和管法兰。的容器法兰和管法兰。5 5、其他类型密封面、其他类型密封面高压容器和高压管道用高压容器和高压管道用球面（透镜）和椭圆或八角形截面金属垫片球面（透镜）和椭圆或八角形截面金属垫片高压管道的透镜式密封高压管道的透镜式密封图图9-3 双锥密封结构双锥密封结构 1-主螺母；主螺母；2-垫圈；垫圈；3-主螺栓；主螺栓；4-平盖；平盖；5-双锥环；双锥环；6-软金属垫片；软金属垫片；7-筒体端部；筒体端部；8-螺栓；螺栓；9-托环托环 垫片性能垫片适当变形和回弹能力是形成密封垫片适当变形和回弹能力是形成密封的必要条件。的必要条件。最常用垫片分为最常用垫片分为 非金属、非金属、 金属、金属、

32、非金属与金属混合制的垫片非金属与金属混合制的垫片非金属垫片：橡胶石棉板、聚四氟乙烯等。橡胶石棉板、聚四氟乙烯等。柔软柔软耐温度和压力性能较金属垫片差。耐温度和压力性能较金属垫片差。v只适用于常、中温和中、低压设备和管道只适用于常、中温和中、低压设备和管道的法兰密封。的法兰密封。金属与非金属混合制垫片：金属包垫片及缠绕垫片等。金属包垫片及缠绕垫片等。金属包垫片用薄金属板（镀锌薄钢板、金属包垫片用薄金属板（镀锌薄钢板、0Cr18Ni90Cr18Ni9等）将非金属包起来；等）将非金属包起来；金属缠绕垫片是薄低碳钢带金属缠绕垫片是薄低碳钢带( (或合金钢带或合金钢带) )与石与石棉带一起绕制而成。不带

33、定位圈和带定位圈。棉带一起绕制而成。不带定位圈和带定位圈。金属包垫片及缠绕垫片较单纯的金属垫片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有较好的性能，适应的温度与压力范围较高一些。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。材料一般并不要求强度高，而是要求软韧。常用是软铝、紫铜、铁常用是软铝、紫铜、铁( (软钢软钢) )、蒙耐尔合金、蒙耐尔合金( (含含Ni67Ni67，Cu30Cu30，Cr4Cr45 5) )钢等。钢等。主要用于中、高温和中、高压法兰联接密封。主要用于中、高温和中、高压法兰联接密封。垫片材料的选择：根据温度、压力以及介质腐蚀决定，

34、根据温度、压力以及介质腐蚀决定，同时考虑密封面形式、螺栓力的大同时考虑密封面形式、螺栓力的大小以及装卸要求等。小以及装卸要求等。查表查表4-154-15四、法兰标准及选用石油、化工上用的法兰标准有两类：石油、化工上用的法兰标准有两类： 一类是压力容器法兰标准一类是压力容器法兰标准 一类是管法兰标准一类是管法兰标准 压力容器法兰标准 1平焊法兰： 压力容器法兰标准压力容器法兰标准 JB470192平平焊焊法法兰兰对焊法兰对焊法兰DD 1D 3D N3 0 323K=s6013s77PII型 密 封 面PI型 密 封 面d(a)345dHt101016770.61.590DD 1D 3D NPI型

35、 密 封 面PII型 密 封 面PIII型 密 封 面1 53450.4(b)2对焊法兰 长颈对焊法兰有厚度更大的颈，刚性大。长颈对焊法兰有厚度更大的颈，刚性大。更高压力范围更高压力范围( (PN PN 0.6MPa0.6MPa6.4MPa)6.4MPa)和直径范围和直径范围( (DNDN300mm300mm2000mm)2000mm)，适用温度范围为，适用温度范围为-20-20450450。v平焊与对焊法兰都平焊与对焊法兰都有带衬环的与不带有带衬环的与不带衬环的两种。衬环的两种。当设备是由不锈钢制当设备是由不锈钢制作时，采用碳钢法作时，采用碳钢法兰加不锈钢衬环，兰加不锈钢衬环，可以节省不锈钢

36、。可以节省不锈钢。3、公称直径与公称压力根据公称直径与公称压力由法兰标准确定法兰根据公称直径与公称压力由法兰标准确定法兰尺寸尺寸压力容器法兰公称直径同压力容器压力容器法兰公称直径同压力容器例如例如DN DN 1000mm1000mm的压力容器，应当配用的压力容器，应当配用DN DN 1000mm1000mm的压力容器法兰。的压力容器法兰。 法兰公称压力：与最大操作压力、操作温度以及材料有关。与最大操作压力、操作温度以及材料有关。定义：以定义：以16MnR16MnR在在200200时的机械性能为基准时的机械性能为基准确定法兰尺寸，在确定法兰尺寸，在200200时，它的最大允许时，它的最大允许操作

37、压力就认为是具有该尺寸法兰的公称压操作压力就认为是具有该尺寸法兰的公称压力。力。公称压力公称压力PNPNO.6MPaO.6MPa法兰，用法兰，用16MnR16MnR制造的，制造的，在在200200时，最大允许操作压力时，最大允许操作压力0.6MPa0.6MPa。高于高于200200的最大操作压力将低于它的公称压力的最大操作压力将低于它的公称压力0.6MPa0.6MPa。低于低于200200仍按仍按200200确定其最高工作压力。确定其最高工作压力。材料改为材料改为Q235-AQ235-A，机械性能比，机械性能比16MnR16MnR差，公称压力差，公称压力PNPN0.6MPa0.6MPa的法兰，

38、的法兰，200200操作，最大允许操作压操作，最大允许操作压力也低于公称压力。力也低于公称压力。材料由材料由16MnR16MnR改为改为15MnVR15MnVR，机械性能优于，机械性能优于16MnR16MnR，公称压力公称压力PNPN0.6MPa0.6MPa的法兰，在的法兰，在200200操作时，最操作时，最大允许操作压力将高于它的公称压力。大允许操作压力将高于它的公称压力。v只要法兰的公称直径、公称压力确定了，法兰的尺只要法兰的公称直径、公称压力确定了，法兰的尺寸也就确定了。寸也就确定了。最大允许工作压力的确定：为操作温度为操作温度300300，设计压力，设计压力0.6MPa0.6MPa的容

39、器的容器选配法兰。选配法兰。材料材料15MnVR15MnVR按公称压力按公称压力0.6MPa0.6MPa查取。查取。材料材料20R20R按公称压力按公称压力1.0MPa1.0MPa查取尺寸。查取尺寸。 管法兰标准v同样公称直径的容器法兰和管法兰的尺同样公称直径的容器法兰和管法兰的尺寸不相同，不能互相代用。寸不相同，不能互相代用。v管法兰的型式除平焊、对焊法兰外，还管法兰的型式除平焊、对焊法兰外，还有铸钢法兰、铸铁法兰、活套法兰、螺有铸钢法兰、铸铁法兰、活套法兰、螺纹法兰等。纹法兰等。v管法兰标准查选方法、步骤与压力容器管法兰标准查选方法、步骤与压力容器法兰同。法兰同。 vGB9119.7-88

40、GB9119.7-88外，常用标准还有：化工部外，常用标准还有：化工部标准标准HG20592HG20592HG20602-97HG20602-97；中石化；中石化标准标准SH3406-96SH3406-96等。其中化工部标准中等。其中化工部标准中分为欧洲体系、美洲体系等，我国常用分为欧洲体系、美洲体系等，我国常用的为欧洲体系。的为欧洲体系。 例例10-110-1：塔身与封头的法兰。塔内径：塔身与封头的法兰。塔内径1000mm1000mm，操作温度，操作温度280280，设计压力设计压力0.2MPa0.2MPa。Q235-AQ235-A。 根据操作温度、设计压力和所用材料，应按公称压力为根据操作

41、温度、设计压力和所用材料，应按公称压力为0.6MPa0.6MPa查查选尺寸。选尺寸。压力不高，直径不大，用甲型平焊法兰、平面密封面，垫片用石压力不高，直径不大，用甲型平焊法兰、平面密封面，垫片用石棉橡胶板。棉橡胶板。法兰的各部尺寸从附录表法兰的各部尺寸从附录表9 9中查，中查， 联接螺栓材料联接螺栓材料Q235-AQ235-A，M20M20共共3636个。个。思考题：1. 1.法兰垫片密封的原理是什么？影响密封的因法兰垫片密封的原理是什么？影响密封的因素有哪些？素有哪些？2.2.法兰的型式有哪些？各有什么特点？法兰的型式有哪些？各有什么特点？3.3.法兰密封面型式有哪些？各适用什么场合？法兰密

42、封面型式有哪些？各适用什么场合？4.4.常用的垫片材料有哪些？常用的垫片材料有哪些？目的目的检查容器在使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等检查容器在使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等缺陷产生。缺陷产生。包括包括人孔、手孔等，其位置应便于观察或清理容器内部。人孔、手孔等，其位置应便于观察或清理容器内部。规定规定检查孔最少数量与最小尺寸应符合有关规范的要求。检查孔最少数量与最小尺寸应符合有关规范的要求。不必开设检查孔：（符合下列条件之一）不必开设检查孔：（符合下列条件之一）筒体内径小于等于筒体内径小于等于300mm的压力容器；的压力容器；容器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的容器上设有可拆卸的

43、封头、盖板或其它能够开关的 盖子，其封头、盖板或盖子的尺寸不小于所规定检盖子，其封头、盖板或盖子的尺寸不小于所规定检 查孔的尺寸；查孔的尺寸；换热器。换热器。无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器；无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器；制冷装置用压力容器；制冷装置用压力容器； 应在设计时采取相关措施，如对应在设计时采取相关措施，如对所有对接焊缝进行所有对接焊缝进行100%的射线或超声的射线或超声检测；在设计图样上注明计算厚度，检测；在设计图样上注明计算厚度，且在压力容器在用期间或检验时重点且在压力容器在用期间或检验时重点进行测厚检查；相应缩短检验周期。进行测厚检查；相应缩

44、短检验周期。不能开设检查孔时：不能开设检查孔时：手孔与人孔检查设备内部空间以及安装和拆卸内部构件。检查设备内部空间以及安装和拆卸内部构件。 手孔直径手孔直径150mm150mm250mm250mm，标准手孔公称直径有，标准手孔公称直径有DNDN150150和和DNDN250250两种。两种。手孔结构：容器上接一短管，其上盖一盲板。手孔结构：容器上接一短管，其上盖一盲板。人孔：设备直径超过设备直径超过900mm900mm，有手孔也设人孔。，有手孔也设人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形。人孔的形状有圆形和椭圆形。椭圆形人孔短轴与筒身轴线平行。椭圆形人孔短轴与筒身轴线平行。圆形人孔直径圆形人孔直径400

45、mm400mm600mm600mm，容器压力不高或，容器压力不高或有特殊需要时，直径可以大一些。有特殊需要时，直径可以大一些。椭圆形人孔椭圆形人孔( (或称长圆形人孔或称长圆形人孔) )的最小尺寸为的最小尺寸为400mm400mm300mm300mm。人孔：筒节、法兰、盖板和手柄。人孔：筒节、法兰、盖板和手柄。使用中常打开，可用快开式结构人孔。使用中常打开，可用快开式结构人孔。 手孔（手孔（HG21515HG2151521527-9521527-95）和人孔）和人孔（HG21528HG2152821535-9521535-95）已有标准，）已有标准， 设计时根据设备的公称压力，工作温度以及设计

46、时根据设备的公称压力，工作温度以及所用材料等按标准直接选用。所用材料等按标准直接选用。 视镜视镜 观察内部，也可用作物料液面指示镜。分为不带观察内部，也可用作物料液面指示镜。分为不带颈视镜和带颈视镜。颈视镜和带颈视镜。不带颈视镜不带颈视镜凸缘构成，结构简单，不易结料，凸缘构成，结构简单，不易结料，有比较宽阔的视察范围。有比较宽阔的视察范围。当视镜需要斜装或设备直径较小时，则需采用带颈视镜。视镜已经标准化，视镜已经标准化，化工生产中常用的还有压力容器化工生产中常用的还有压力容器视镜、带灯视镜、带灯有冲洗视镜、带灯视镜、带灯有冲洗孔的视镜、组合视镜等。孔的视镜、组合视镜等。 液面计 公称压力不超过

47、公称压力不超过0.7MPa0.7MPa，开长条孔，矩形凸缘或法兰把玻璃，开长条孔，矩形凸缘或法兰把玻璃固定在设备上。固定在设备上。 承压容器，一般都是将液面计通过法兰、活接头或螺纹接头与承压容器，一般都是将液面计通过法兰、活接头或螺纹接头与设备联接在一起设备联接在一起设备直径大，可同时用几组液面计接管。设备直径大，可同时用几组液面计接管。现有标准中有反射式玻璃板液面计、反射式防霜液面计、现有标准中有反射式玻璃板液面计、反射式防霜液面计、透光式板式液面计和磁性液面计。透光式板式液面计和磁性液面计。用于装置测量、控制仪表，或连接其他设备和介质的用于装置测量、控制仪表，或连接其他设备和介质的输送管道

48、。输送管道。 接口管接口管 焊接设备的接口管长度焊接设备的接口管长度铸造设备接管可与筒体一并铸出。铸造设备接管可与筒体一并铸出。螺纹管主要用来接温度计、压力表或液面计等，螺纹管主要用来接温度计、压力表或液面计等，阴螺纹或阳螺纹阴螺纹或阳螺纹 凸缘接管长度必须很短接管长度必须很短时可用凸缘代替时可用凸缘代替( (又叫突出接口又叫突出接口) )凸缘本身有加强作用，不需另外补强。凸缘本身有加强作用，不需另外补强。当螺柱折断在螺栓孔中，取出较困难。当螺柱折断在螺栓孔中，取出较困难。凸缘与管道法兰配用，联接尺寸应根据所选用的管法凸缘与管道法兰配用，联接尺寸应根据所选用的管法兰来确定。兰来确定。容器为什么

49、要开孔？容器为什么要开孔？ 工艺、安装、检修的要求。工艺、安装、检修的要求。开孔后，为什么要补强？开孔后，为什么要补强？ 削弱器壁的强度，出现不连续，形成削弱器壁的强度，出现不连续，形成高应力高应力集中区集中区。峰值应力通常较高，达到甚至超过材料屈服极峰值应力通常较高，达到甚至超过材料屈服极限。限。局部应力较大，加之材质和制造缺陷等局部应力较大，加之材质和制造缺陷等, ,为降低峰值应力，需要对结构开孔部位进行补为降低峰值应力，需要对结构开孔部位进行补强，以保证容器安全运行。强，以保证容器安全运行。开孔的形状：应力集中和开孔形状有关，应力集中和开孔形状有关，圆孔的应力集中程度最低。圆孔的应力集中

50、程度最低。平板在两向拉力作用下，开大孔时孔边受力情况平板在两向拉力作用下，开大孔时孔边受力情况一、补强结构一、补强结构 补强结构补强结构局部补强局部补强整体补强整体补强补强圈补强补强圈补强厚壁接管补强厚壁接管补强整锻件补强整锻件补强（1）补强圈补强）补强圈补强结构结构补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见（补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见（a）图）图优点优点结构简单，制造方便，使用经验丰富结构简单，制造方便，使用经验丰富图图9-5 （a）补强圈补强）补强圈补强缺点缺点1）与壳体金属之间不能完全）与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以贴合，传热效果差，在中温以上使用时，存在较大热膨胀差，上使

51、用时，存在较大热膨胀差，在补强局部区域产生较大的热在补强局部区域产生较大的热应力；应力；2）与壳体采用搭接连接，难）与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，抗疲劳性以与壳体形成整体，抗疲劳性能差。能差。补强圈补强补强圈补强补强圈补强补强圈补强补强圈补强补强圈补强补强圈补强圈中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在静载静载、常温常温、中低压中低压、材料的标准抗拉强度低于材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于补强圈厚度小于或等于1.5n、壳体名义厚度壳体名义厚度n不大于不大于38mm的场合。的场合。应用应用HG21506-92补强圈，补强圈

52、，JB/T4736-95补强圈补强圈标准标准（2）厚壁接管补强）厚壁接管补强结构结构在开孔处焊上一段厚壁接管，见（在开孔处焊上一段厚壁接管，见（b）图。）图。特点特点补强处于最大应力区域，能更有效地降低补强处于最大应力区域，能更有效地降低。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，补强效果较好。检验，补强效果较好。图图9-5 （b）厚壁接管补强）厚壁接管补强制压力制压力容器由于材料缺口敏感容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该性较高，一般都采用该结构，但必须保证结构，但必须保证。应用应用厚壁接管补强厚壁接管补强厚壁接管补强厚壁接管补强图图9-5（c）

53、整锻件补强）整锻件补强（3）整锻件补强）整锻件补强 整体锻件整体锻件整锻件补强整锻件补强整锻件补强整锻件补强补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低应力集中系数；可采用对接焊缝，并使焊缝及其热影应力集中系数；可采用对接焊缝，并使焊缝及其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低低1015%。重要压力容器，如核容器、材料屈服点在重要压力容器，如核容器、材料屈服点在500MPa以以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔容器等。径开孔

54、容器等。结构结构将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接，见（壳体和接管焊接，见（c）图。）图。优点优点缺点缺点锻件供应困难，制造成本较高。锻件供应困难，制造成本较高。应用应用二、开孔补强设计准则二、开孔补强设计准则 指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减小到某一允许数值。力集中系数减小到某一允许数值。开孔补强设计：开孔补强设计：开孔补强设计准则开孔补强设计准则弹性失效设计准则弹性失效设计准则等面积补强法等面积补强法塑性失效准则塑性失效准则极限分析法极限分析法（1）等面积补强）等

55、面积补强 壳体因开孔被削壳体因开孔被削弱的承载面积，须有补弱的承载面积，须有补强材料在离孔边一定距强材料在离孔边一定距离范围内予以等面积补离范围内予以等面积补偿。偿。以双向受拉伸的无限大以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则。故对小直径的作为设计准则。故对小直径的开孔安全可靠。开孔安全可靠。没有考虑开孔处没有考虑开孔处应力集中应力集中的影响，的影响，没有计入没有计入容器直径变化容器直径变化的

56、影响，补强后的影响，补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数，对不同接管会得到不同的应力集中系数，即安全裕量不同，即安全裕量不同，因此有时显得富裕，因此有时显得富裕，有时显得不足有时显得不足。长期实践经验，简单易行，长期实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其开孔尺当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压力容器使用条件下能够在一般压力容器使用条件下能够保证安全，因此不少国家的容器保证安全，因此不少国家的容器设计规范主要采用该方法，如设计规范主要采用该方法，如ASME -1和和GB150等。等。该法要求带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性

57、失效该法要求带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同。时的极限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同。（2）极限分析补强）极限分析补强 定义：定义：三、允许不另行补强的最大开孔直径三、允许不另行补强的最大开孔直径 焊接接头系数小于焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上等等但开孔位置不在焊缝上等等强度裕量强度裕量接管和壳体实际厚度大于强度需要的厚度接管和壳体实际厚度大于强度需要的厚度接管根部有填角焊缝接管根部有填角焊缝上述因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从上述因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，

58、对于满足一定条件的而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。开孔接管，可以不予补强。GB150规定：规定：在设计压力在设计压力2.5MPa的壳体上开孔，的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的径之和的2倍，倍，接管公称外径接管公称外径89mm，只要只要接管最小厚度满足表接管最小厚度满足表9-2要求。要求。表表9-2 不另行补强的接管最小厚度不另行补强的接管最小厚度 mm6.05.04.03.5897665574845383225接管公接管公称外径称外径最小最小厚度厚度不另

59、行补强的条件不另行补强的条件GB150对开孔最大直径的限制：对开孔最大直径的限制：四、等面积补强计算四、等面积补强计算 主要用于补强圈结构的补强计算。主要用于补强圈结构的补强计算。基本原则：基本原则：使有效补强的金属面积，等于或大于开孔使有效补强的金属面积，等于或大于开孔所削弱的金属面积。所削弱的金属面积。（1）允许开孔的范围）允许开孔的范围a. 圆筒上开孔的限制：圆筒上开孔的限制：内径内径Di1500mm时，开孔最大直径时，开孔最大直径d iD21，且，且d520mm；内径内径Di1500mm时，开孔最大直径时，开孔最大直径d iD31，且，且d1000mm。 b. 凸形封头或球壳上开孔最大

60、直径凸形封头或球壳上开孔最大直径d iD21。 c. 锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径d iD31，Di为开孔为开孔中心处的锥壳内直径。中心处的锥壳内直径。d. 在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直 于封头表面。于封头表面。a、内压圆筒或球壳：、内压圆筒或球壳： )f1 (2dAret式中式中 A开孔削弱所需要的补强面积，开孔削弱所需要的补强面积，mm2； d开孔直径开孔直径， 圆形孔：圆形孔：d=dit+2C dit接管内直径；接管内直径；椭圆形或长圆形孔：取所考虑平面上的尺寸椭圆形或长圆形孔