第4章(过程设备设计)

1、第四章压力容器设计第四章压力容器设计三、封头设计三、封头设计封头种类封头种类凸形封头凸形封头锥壳锥壳变径段变径段平盖平盖紧缩口紧缩口半球形封头半球形封头椭圆形封头椭圆形封头碟形封头碟形封头球冠形封头球冠形封头第四章压力容器设计第四章压力容器设计图图4-20 常见容器封头的形式常见容器封头的形式第四章压力容器设计第四章压力容器设计封头设计：优先选用封头标准中推荐的型式与参数，根据受封头设计：优先选用封头标准中推荐的型式与参数，根据受 压情况进行强度或刚度计算，确定合适的厚度。压情况进行强度或刚度计算，确定合适的厚度。内压封头内压封头强度计算强度计算受力受力薄膜应力不连续应力薄膜应力不连续应力计算

2、计算内压薄膜应力内压薄膜应力第四章压力容器设计第四章压力容器设计薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，最理想的结构形式。薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，最理想的结构形式。1、半球形封头、半球形封头半球形封头为半个球壳，如图半球形封头为半个球壳，如图4-20（a）所示。）所示。受内压的半球形封头受内压的半球形封头优点优点缺点缺点深度大，直径小时，整体冲压困难，深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。应用应用高压容器。高压容器。半球形封头厚度计算公式半球形封头厚度计算公式cticpDp4式中式中 Di球壳的内直径，球壳的内直径，mm。适

3、用范围：为满足弹性要求，适用适用范围：为满足弹性要求，适用Pc0.6t，相当于，相当于K1.33第四章压力容器设计第四章压力容器设计受外压的半球形封头受外压的半球形封头 推导过程：钢制半球形封头弹性失稳的临界压力为：推导过程：钢制半球形封头弹性失稳的临界压力为：工程上：图算法工程上：图算法2)/(21. 1oecrREp取稳定性安全系数取稳定性安全系数m=14.52，得球壳许用外压力：，得球壳许用外压力：2)/(0833. 052.14eocrREppeoRPB令令eoRPEAB32根据根据)/( 32eoREAp得得第四章压力容器设计第四章压力容器设计将将p代入球壳许用外压力式得代入球壳许用

4、外压力式得)/R(125. 0Aeo由由B和和p的关系式得半球形封头的许用外压力为：的关系式得半球形封头的许用外压力为：)/R(Bpeo第四章压力容器设计第四章压力容器设计a.假定名义厚度假定名义厚度n，令，令e=n-C，用上一页公式计算出，用上一页公式计算出A， 根据所用材料选用厚度计算图，由根据所用材料选用厚度计算图，由A查取查取B，再按半球形封头，再按半球形封头 许用外压力公式许用外压力公式 计算许用外压力计算许用外压力p。图算步骤图算步骤b.若若A值落在设计温度下材料线左方，用球形封头许用外压力值落在设计温度下材料线左方，用球形封头许用外压力 公式计算公式计算p。 若若ppc且较接近，

5、则该封头厚度合且较接近，则该封头厚度合 理；理； 否则重新假设否则重新假设n，重复上述步骤，直到满足要求，重复上述步骤，直到满足要求 为止。为止。不用几何算图不用几何算图第四章压力容器设计第四章压力容器设计2、椭圆形封头、椭圆形封头第四章压力容器设计第四章压力容器设计避免封头和筒体的连接焊缝处出现经向曲率避免封头和筒体的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。半径突变，以改善焊缝的受力状况。由半个椭球面和短圆筒组成，如图由半个椭球面和短圆筒组成，如图4-20（b）所示。）所示。直边段作用直边段作用应用应用a 、受内压（凹面受压）的椭圆形封头、受内压（凹面受压）的椭圆形封头 受力：

6、薄膜应力受力：薄膜应力不连续应力不连续应力在一定条件下，椭圆形封头中的最大应力和圆筒周向薄膜应力在一定条件下，椭圆形封头中的最大应力和圆筒周向薄膜应力的比值，与椭圆形封头长轴与短轴之比的比值，与椭圆形封头长轴与短轴之比 的关系有关，见图的关系有关，见图4-20中虚线。中虚线。ba第四章压力容器设计第四章压力容器设计2ii)h2D(261KK应力增强系数或椭圆封头的形状系数，应力增强系数或椭圆封头的形状系数，即即 封头上最大总应力封头上最大总应力球壳上薄膜应力球壳上薄膜应力=2K封头上最大总应力封头上最大总应力圆筒上周向薄膜应力圆筒上周向薄膜应力=K用半径为用半径为Di的的半球形封头半球形封头厚

7、度乘以厚度乘以K，即，即cticp5 . 0 2DKp椭圆形封头椭圆形封头厚度计算式厚度计算式第四章压力容器设计第四章压力容器设计当当Di/2hi=2，标准椭圆形封头，标准椭圆形封头， K=1，厚度计算式为，厚度计算式为cticp5 . 0 2Dp椭圆形封头最大允许工作压力：椭圆形封头最大允许工作压力：eietw5 . 0KD 2p采用限制椭圆形封头最小厚度，采用限制椭圆形封头最小厚度，GB150规定标规定标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的的0.15%，非标准椭圆形封头的有效厚度应不，非标准椭圆形封头的有效厚度应不小于小于0.30%。周向失稳：

8、周向失稳：第四章压力容器设计第四章压力容器设计b、受外压椭圆形封头、受外压椭圆形封头 Ro由椭圆形封头的当量球壳外半径由椭圆形封头的当量球壳外半径Ro=K1Do代替，代替，K1值值是椭圆长短轴比值是椭圆长短轴比值Do/（2ho）（）（ho=hi+n）决定的系数，）决定的系数，由表由表4-5（遇中间值用内插法求得）查得。（遇中间值用内插法求得）查得。相同：相同：不同：不同：外压稳定性计算公式和图算法步骤同受外压的外压稳定性计算公式和图算法步骤同受外压的半球形封头；半球形封头；2.62.42.22.01.81.61.41.21.0 K11.181.080.990.900.810.730.650.5

9、70.50表表4-5 系数系数K1Do/2ho第四章压力容器设计第四章压力容器设计3、碟形封头、碟形封头 不连续曲面，存在较大边缘弯曲应力。边缘弯曲应不连续曲面，存在较大边缘弯曲应力。边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它部位，故受力状况不佳。部位，故受力状况不佳。结构结构带折边球面封头，由半径为带折边球面封头，由半径为Ri的的球面体球面体、半径为、半径为r的的过渡过渡环壳环壳和和短圆筒短圆筒等三部分组成，见图等三部分组成，见图4-20（c）。）。优点优点过渡环壳降低了封头深度，方便成型，且压制碟形过渡环壳降低了封头深度，方便成型，且

10、压制碟形封头的钢模加工简单，应用广泛。封头的钢模加工简单，应用广泛。缺点缺点第四章压力容器设计第四章压力容器设计a、受内压碟形封头、受内压碟形封头 据此，由半球壳厚度计算式乘以据此，由半球壳厚度计算式乘以M可得碟形封头的厚可得碟形封头的厚度计算式度计算式引入碟形封头应力增强系数引入碟形封头应力增强系数M（见图（见图4-21），是以球），是以球面部分最大总应力为基础的近似修正系数，见下式面部分最大总应力为基础的近似修正系数，见下式1(3)4iRMr20.5citcMp Rp第四章压力容器设计第四章压力容器设计承受内压碟形封头的最大允许工作压力：承受内压碟形封头的最大允许工作压力：2 0.5tew

11、iepMR 封头封头r0.01Di，r3，且，且RiDi。规定规定标准碟形封头，标准碟形封头，Ri=0.9Di，r=0.17Di。同椭圆形封头，同椭圆形封头， GB150规定，标准碟形封头，其规定，标准碟形封头，其有效厚度应不小于内直径的有效厚度应不小于内直径的0.15%，其它碟形封头，其它碟形封头的有效厚度应不小于的有效厚度应不小于0.30%。周向失稳周向失稳第四章压力容器设计第四章压力容器设计b、受外压碟形封头、受外压碟形封头 碟形封头的过渡区承受拉应力，球面部分是压应力，有发生失碟形封头的过渡区承受拉应力，球面部分是压应力，有发生失稳的潜在危险，此为防失稳，稳的潜在危险，此为防失稳，厚度

12、计算仍可用半球形封头外压厚度计算仍可用半球形封头外压计算公式和图算法步骤，只是计算公式和图算法步骤，只是Ro用球面部分外半径代替。用球面部分外半径代替。4、球冠形封头、球冠形封头碟形封头当碟形封头当r=0时，球面与筒体直接连接，如图时，球面与筒体直接连接，如图4-20（d）所示）所示优点优点缺点缺点结构简单、制造方便，常用作容器中两独结构简单、制造方便，常用作容器中两独立受压室中间封头，端盖。立受压室中间封头，端盖。无转角过渡，存在相当大的不连续应力，其无转角过渡，存在相当大的不连续应力，其应力分布不甚合理。应力分布不甚合理。第四章压力容器设计第四章压力容器设计图图4-21 碟形封头的应力增强

13、系数碟形封头的应力增强系数第四章压力容器设计第四章压力容器设计4、锥壳、锥壳轴对称锥壳轴对称锥壳无折边锥壳无折边锥壳折边锥壳折边锥壳特点：特点：结构不连续，应力分布不理想结构不连续，应力分布不理想应用应用排放固体颗粒和悬浮或粘稠液体排放固体颗粒和悬浮或粘稠液体不同直径圆筒体的中间过渡段不同直径圆筒体的中间过渡段中、低压中、低压容器容器第四章压力容器设计第四章压力容器设计（a）无折边锥壳；）无折边锥壳； （b）大端折边锥壳；）大端折边锥壳； （c）折边锥壳）折边锥壳结构结构图图4-21 锥壳结构形式锥壳结构形式锥壳大端：锥壳大端：半顶角半顶角30，无折边结构，无折边结构30，带过渡段的折边结构，

14、或按应力分析方法设计。，带过渡段的折边结构，或按应力分析方法设计。转角半径转角半径r：不小于：不小于Di的的10%，且不小于该过渡段厚度的，且不小于该过渡段厚度的3倍。倍。 第四章压力容器设计第四章压力容器设计锥壳小端：锥壳小端：半顶角半顶角45，无折边结构；，无折边结构； 45，带过渡段的折边结构。，带过渡段的折边结构。 转角半径转角半径rs：不小于封头小端内径：不小于封头小端内径Dis的的5%，且不，且不 小于该过渡段厚度的小于该过渡段厚度的3倍。倍。半顶角半顶角60：厚度按平盖计算，或应力分析方法。：厚度按平盖计算，或应力分析方法。强度强度受力：薄膜应力边缘应力。受力：薄膜应力边缘应力。

15、设计：分别计算锥壳厚度、锥壳大端和小端加强段厚度。设计：分别计算锥壳厚度、锥壳大端和小端加强段厚度。第四章压力容器设计第四章压力容器设计由无力矩理论，最大薄膜应力为锥壳大端的周向应力由无力矩理论，最大薄膜应力为锥壳大端的周向应力，即，即a、受内压无折边锥壳、受内压无折边锥壳锥壳厚度锥壳厚度cos2pD 由第一强度理论和弹性失效设计准则，并取由第一强度理论和弹性失效设计准则，并取D=Dc+ccos，厚度计算式厚度计算式cos1- 2ctcccpDp=式中式中 Dc锥壳计算内直径，锥壳计算内直径，mm c锥壳计算厚度，锥壳计算厚度，mm 锥壳半顶角，（锥壳半顶角，（）注：注：当锥壳由同一半顶角的几

16、当锥壳由同一半顶角的几个不同厚度的锥壳段组成时，个不同厚度的锥壳段组成时， Dc为各锥壳段大端内直径。为各锥壳段大端内直径。第四章压力容器设计第四章压力容器设计边缘应力具有自限性，最大应力限制在边缘应力具有自限性，最大应力限制在3t内。内。 按此条件求得的按此条件求得的p/（t）及）及之间关系见图之间关系见图4-22。锥壳大端锥壳大端 分析锥壳大端与筒体连接处，曲率突变；分析锥壳大端与筒体连接处，曲率突变；两壳体经向内力不能完全平衡，产生横向推力；两壳体经向内力不能完全平衡，产生横向推力；边缘应力边缘应力无需加强：无需加强：坐标点（坐标点（p/（t）、）、）位于图中曲线上）位于图中曲线上方，厚

17、度仍按前锥壳厚度计算。方，厚度仍按前锥壳厚度计算。需要加强：需要加强：坐标点（坐标点（p/（t）、）、）位于图中曲线下）位于图中曲线下方，厚度计算见下式。方，厚度计算见下式。第四章压力容器设计第四章压力容器设计图图4-19 确定锥壳大端连接处的加强图确定锥壳大端连接处的加强图第四章压力容器设计第四章压力容器设计cticrp 2DQp式中式中 Di锥壳大端内直径，锥壳大端内直径，mm； Q应力增值系数，由图应力增值系数，由图4-23查取；查取； r锥壳及其相邻圆筒体的加强段的计算厚度，锥壳及其相邻圆筒体的加强段的计算厚度，mm。注：锥壳加强段与筒体加强段应具有相同的厚度注：锥壳加强段与筒体加强段

18、应具有相同的厚度 加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度 锥壳加强段的长度锥壳加强段的长度L1： cos5 . 02L1riD筒体加强段的长度筒体加强段的长度L： riD5 . 02L与大端相类似，参见与大端相类似，参见GB150-98。锥壳小端锥壳小端第四章压力容器设计第四章压力容器设计图图4-23 锥壳大端连接处的锥壳大端连接处的Q值值第四章压力容器设计第四章压力容器设计锥壳厚度：锥壳厚度：仍按锥壳厚度公式计算。仍按锥壳厚度公式计算。锥壳大端：锥壳大端： 厚度按式下面两式计算，并取较大值。厚度按式下面两式计算，并取较大值。b、受内压折边锥壳、受内压折边锥壳

19、锥壳大端过渡段厚度：锥壳大端过渡段厚度：cticp5 . 0 2DKp式中式中 K系数系数，查表查表4-6（遇中间值时用内插法）。（遇中间值时用内插法）。与过渡段相接处锥壳厚度：与过渡段相接处锥壳厚度： cticp5 . 0Dfp式中式中 f系数系数， cos2)cos1 (Dr21fi查表查表4-7（遇中间值时（遇中间值时用内插法）；用内插法）； r折边锥壳大端过渡段转角半径，折边锥壳大端过渡段转角半径，mm。第四章压力容器设计第四章压力容器设计r r/ /D Di i0.100.100.150.150.200.200.300.300.400.400.500.50100.66440.6644

20、0.61110.61110.57890.57890.54030.54030.51680.51680.50000.5000200.69560.69560.63570.63570.59860.59860.55220.55220.52230.52230.50000.5000300.75440.75440.68190.68190.63570.63570.57490.57490.53290.53290.50000.5000350.79800.79800.71610.71610.66290.66290.59140.59140.54070.54070.50000.5000400.85470.85470.76

21、040.76040.69810.69810.61270.61270.55060.55060.50000.5000450.92530.92530.81810.81810.74400.74400.64020.64020.56350.56350.50000.5000501.02701.02700.89440.89440.80450.80450.67650.67650.58040.58040.50000.5000551.16081.16080.99800.99800.88590.88590.72490.72490.60280.60280.50000.5000601.35001.35001.14331.

22、14331.00001.00000.79230.79230.63370.63370.50000.5000表表4-6 系数系数K值值第四章压力容器设计第四章压力容器设计小端过渡段厚度需另行计算，见小端过渡段厚度需另行计算，见GB150-98。 锥壳小端：锥壳小端：半顶角半顶角45：小端厚度按无折边锥壳小端厚度的计算方法计算；小端厚度按无折边锥壳小端厚度的计算方法计算；小端无折边：小端无折边：小端有折边：小端有折边：第四章压力容器设计第四章压力容器设计r/Di0.100.150.200.300.400.50100.50620.50550.50470.50320.50170.5000200.5257

23、0.52250.51930.51280.50640.5000300.56190.55420.54650.53100.51550.5000350.58830.55730.56630.54420.52210.5000400.62220.60690.59160.56110.53050.5000450.66570.64500.62430.58280.54140.5000500.72230.69450.66680.61120.55560.5000550.79730.76020.72300.64860.57430.5000600.90000.85000.80000.70000.60000.5000表表4-

24、7 系数系数 f 值值第四章压力容器设计第四章压力容器设计c、受外压锥壳、受外压锥壳 60：按等效圆筒体计算；：按等效圆筒体计算；60：按平盖计算。：按平盖计算。假设锥壳名义厚度假设锥壳名义厚度ne计算锥壳有效厚度计算锥壳有效厚度ec=（nc-C）cos按外压圆筒体的图算法进行外压校核计算按外压圆筒体的图算法进行外压校核计算以以Le/DL代替代替L/Do，DL/ec代替代替Do/e。外压锥壳的计算外压锥壳的计算锥壳大端或小端和筒体连接处存在压缩强度和周向稳锥壳大端或小端和筒体连接处存在压缩强度和周向稳定性问题，在必要时应设置加强结构。定性问题，在必要时应设置加强结构。锥壳与筒体连接处的外压加强

25、设计锥壳与筒体连接处的外压加强设计Le： 锥壳当量长度，锥壳当量长度， 有相应计算公式；有相应计算公式；DL： 所考虑的锥壳段的所考虑的锥壳段的 大端外直径大端外直径第四章压力容器设计第四章压力容器设计理论分析：理论分析：以圆平板应力分析为基础，以圆平板应力分析为基础，分为周边固支或简支分为周边固支或简支.实际上：介于实际上：介于固支和简支之间；固支和简支之间；工程计算：采用圆平板理论工程计算：采用圆平板理论 为基础的经验公式，通为基础的经验公式，通 过系数过系数 来体现平盖周来体现平盖周 边的支承情况，边的支承情况，K值越值越 小小,平盖周边越接近固支平盖周边越接近固支； 反之就越接近于简支

26、。反之就越接近于简支。 这些平盖厚度可按下述方法计算：这些平盖厚度可按下述方法计算：几何形状：几何形状：圆形、椭圆形、长圆形、椭圆形、长圆形、矩形及正方圆形、矩形及正方形等。形等。5、平盖、平盖第四章压力容器设计第四章压力容器设计平盖的最大应力平盖的最大应力a、圆形平盖厚度、圆形平盖厚度 2max)(DKp考虑钢板拼焊由强度理论得考虑钢板拼焊由强度理论得 t1 得圆形平盖厚度计算公式得圆形平盖厚度计算公式 ：第四章压力容器设计第四章压力容器设计tccpKpD式中式中 p平盖计算厚度，平盖计算厚度，mm； K结构特征系数结构特征系数，查表，查表4-8； Dc平盖计算直径，见表平盖计算直径，见表4

27、-8中简图，中简图，mm。 对于表对于表4-8中序号中序号 6、7 所示平盖，应取其操作状态及预紧所示平盖，应取其操作状态及预紧状态的状态的K值代入上式分别计算，取较大值。当预紧时值代入上式分别计算，取较大值。当预紧时t取常取常温的许用应力。温的许用应力。第四章压力容器设计第四章压力容器设计表表4-8 平盖系数平盖系数 K 选择表选择表第四章压力容器设计第四章压力容器设计表表4-8 平盖系数平盖系数 K 选择表（续）选择表（续）第四章压力容器设计第四章压力容器设计表表4-8 平盖系数平盖系数 K 选择表（续）选择表（续）第四章压力容器设计第四章压力容器设计2、非圆形平盖厚度、非圆形平盖厚度不同

28、连接形式的非圆形平盖应采用不同的计算公式。不同连接形式的非圆形平盖应采用不同的计算公式。表表4-8中序号中序号3、4所示平盖，按下式计算所示平盖，按下式计算tcpKZpa式中式中 Z非圆形平盖的形状系数，非圆形平盖的形状系数， ba4 . 24 . 3Z且且Z2.5； a，b分别为非圆形平盖的短轴长度和长轴长度，分别为非圆形平盖的短轴长度和长轴长度，mm第四章压力容器设计第四章压力容器设计表表4-8中序号中序号 6、7 所示平盖，按下式计算所示平盖，按下式计算（当预紧时（当预紧时t取常温的许用应力）取常温的许用应力）tcpKpa第四章压力容器设计第四章压力容器设计直边高度直边高度L不小于不小于

29、50mm；弧半径弧半径r0.5p，且且cD61r 封头与筒体连接处封头与筒体连接处的厚度不小于与其的厚度不小于与其相对接筒节的厚度。相对接筒节的厚度。 图图4-24 锻制平封头锻制平封头3、锻制平封头、锻制平封头第四章压力容器设计第四章压力容器设计锻制平封头底部厚度锻制平封头底部厚度p： tccpp27. 0D式中式中 开孔削弱系数，开孔削弱系数， cicDdD diDc范围内沿直径断面开孔内径总和范围内沿直径断面开孔内径总和 的最大值，的最大值，mm第四章压力容器设计第四章压力容器设计四、密封装置设计四、密封装置设计可拆可拆密封装置密封装置螺纹连接螺纹连接承插式连接承插式连接螺栓法兰连接螺栓

30、法兰连接螺栓螺栓垫片垫片法兰密封系统法兰密封系统本节本节主要内容主要内容密封机理及分类密封机理及分类影响密封性能的主要因素影响密封性能的主要因素螺栓法兰连接设计螺栓法兰连接设计第四章压力容器设计第四章压力容器设计312原理原理性能性能图图4-25 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-法兰法兰依靠螺栓预紧力把两部分依靠螺栓预紧力把两部分设备或管道法兰环连在一设备或管道法兰环连在一起，同时压紧垫片，使起，同时压紧垫片，使连接处达到密封。连接处达到密封。较好的强度和密封性，较好的强度和密封性，结构简单，成本低廉，结构简单，成本低廉，可多次重复拆卸，应用可多次重复拆卸，

31、应用较广。较广。第四章压力容器设计第四章压力容器设计密封装置的失效形式主要表现为密封装置的失效形式主要表现为泄漏量控制在工艺和泄漏量控制在工艺和环境允许的范围内环境允许的范围内第四章压力容器设计第四章压力容器设计（一）密封机理（一）密封机理泄漏途径泄漏途径渗透泄漏渗透泄漏界面泄漏界面泄漏第四章压力容器设计第四章压力容器设计通过垫片材料本体毛细管的通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏，除了受渗透泄漏，除了受介质压力、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体状态性质影响外，主要与影响外，主要与垫片的结构与材料性质有关垫片的结构与材料性质有关，可通过对渗透性垫片材料添可通过

32、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避与不透性材料组合成型来避免免“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，泄漏量大小漏，泄漏量大小主要与界面主要与界面间隙尺寸有关间隙尺寸有关。压紧面就是。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。加工时压紧面上凹凸不面。加工时压紧面上凹凸不平的间隙及压紧力不足是造平的间隙及压紧力不足是造成成“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第四章压力容器设计第

33、四章压力容器设计界面泄漏界面泄漏渗透泄漏渗透泄漏图图4-26 泄漏的途径泄漏的途径第四章压力容器设计第四章压力容器设计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4-23（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1、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4-27 密封机理图密封机理图第四章压力容器设计第四章压力容器设计2、预

34、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。 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

35、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”：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。（b）预紧工况）预紧工况图图4-27 密封机理图密封机理图第四章压力容器设计第四章压力容器设计通入介质通入介质压力上升压力上升内压引起的轴向力，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

36、分离，使压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。操作密封比压往往操作密封比压往往用介质计算压力的用介质计算压力的m倍表示，倍表示， 这里这里m称称为为“垫片系数垫片系数”，无因次。，无因次。引入概念引入概念2“操作密封比压操作密封比压”：3、操作工况、操作工况（c）操作工况）操作工况 图图4-27 密封机理图密封机理图第四章压力容器设计第四章压力容器设计防止流体泄漏的基本

37、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介质通过密封口的阻力是借施加于压紧面上的面上的 来实现的，作用在压紧来实现的，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。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加流体流动的阻力体流动的阻力泄漏时介质通过密封口泄漏时介质通过密封口的的动力动力：密封口内外介质密封口内外介质压力差压力差泄漏时介质通过密封泄漏时介质通过密封口的口

38、的阻力阻力：压紧面上的压紧面上的第四章压力容器设计第四章压力容器设计由以上分析，在确立由以上分析，在确立法兰设计方法时，把法兰设计方法时，把预紧工况与操作工况预紧工况与操作工况分开处理，从而大大分开处理，从而大大简化了法兰设计。为简化了法兰设计。为此，对两个不同的工此，对两个不同的工况分别引进两个垫片况分别引进两个垫片性能参数，即性能参数，即“最小最小压紧应力压紧应力”或或“比压比压力力”y以及以及“垫片系垫片系数数”m。预紧比压预紧比压y：定义为预紧定义为预紧(无内压无内压)时，迫使垫片变形时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件，与压紧面密合，以形成初始密封条件，此时垫片所必需的最

39、小压紧载荷，因以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，故也称单位接触面积上的压紧载荷计，故也称最小压紧应力最小压紧应力”，单位为，单位为MPa。y值仅与值仅与垫片材料、结构与厚度有关。垫片材料、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）。第四章压力容器设计第四章压力容器设计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、

40、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。第四章压力容器设计第四章压力容器设计（二）密封分类（二）密封分类按获得密封比压力方法的不同按获得密封比压力方法的不同按被密封介质的压力大小按被密封介质的压力大小分类分类中低压密封中低压密封高压密封高压密封强制密封强制密封自紧密封自紧密封半自紧式密封半自紧式密封第四章压力容器设计第四章压力容器设计强制密封强制密封完全依靠连接件的作用力强行挤压密封元件达到密封。完全依靠连接件的作用力强行挤压密封元件达到密封。特点特点：预紧力大，约为工作压力产生的轴向力的：预紧力大，约为工作压力产生的轴向力的

41、1.11.6倍。倍。主要依靠容器内部的主要依靠容器内部的介质压力介质压力压紧密封元件实现密封。压紧密封元件实现密封。特点：特点：预紧力小，介质压力越高，密封越可靠，约为工作压力预紧力小，介质压力越高，密封越可靠，约为工作压力 产生的轴向力的产生的轴向力的20%以下。以下。自紧式密封自紧式密封轴向自紧式：密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度轴向自紧式：密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度径向自紧式：密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度径向自紧式：密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度半自紧式：半自紧式： 属于非自紧式的强制式密封，但又具有一定的属于非自紧式的强制式密封，但又具有一定

42、的 自紧性能，如双锥环密封。自紧性能，如双锥环密封。第四章压力容器设计第四章压力容器设计中、低压密封：螺栓法兰结构，强制式密封。中、低压密封：螺栓法兰结构，强制式密封。 高压密封：多用自紧式密封、半自紧式密封。高压密封：多用自紧式密封、半自紧式密封。按被密封介质的压力大小按被密封介质的压力大小第四章压力容器设计第四章压力容器设计（三）影响密封性能的主要因素（三）影响密封性能的主要因素1、螺栓预紧力、螺栓预紧力 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适当提高预紧力可增加垫片的密封能力，即在正常工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况下保留较

43、大的接触面比压力预紧力不宜太大，否则使垫片整体屈服丧失回弹能预紧力不宜太大，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力，甚至将垫片挤出或压坏预紧力应均匀地作用到垫片上，可采取减小螺栓直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径、增加螺栓个数等措施来提高密封性能第四章压力容器设计第四章压力容器设计2、垫片性能、垫片性能 垫片变形能力和回弹能力是形成密封的必要条件。变形垫片变形能力和回弹能力是形成密封的必要条件。变形能力大的密封垫易填满压紧面上的间隙，并使预紧力不致能力大的密封垫易填满压紧面上的间隙，并使预紧力不致太大；回弹能力大的垫片，能适

44、应操作压力和温度的波动太大；回弹能力大的垫片，能适应操作压力和温度的波动垫片应具有能适应介质的温度、压力和腐蚀等的性能垫片应具有能适应介质的温度、压力和腐蚀等的性能垫片比压力垫片比压力y和垫片系数和垫片系数m：与垫片材料、结构与厚度：与垫片材料、结构与厚度关，关， 还与介质性质、压力、温度、压紧面粗糙度等因素还与介质性质、压力、温度、压紧面粗糙度等因素有关，而且有关，而且m和和y之间也存在内在联系。之间也存在内在联系。 见表见表49，1943年年Rossheim和和Markl推荐而沿用至今推荐而沿用至今第四章压力容器设计第四章压力容器设计表表49 垫片性能参数垫片性能参数第四章压力容器设计第四

45、章压力容器设计表表49 垫片性能参数（续）垫片性能参数（续） 第四章压力容器设计第四章压力容器设计表表49 垫片性能参数（续）垫片性能参数（续）第四章压力容器设计第四章压力容器设计3、压紧面的质量、压紧面的质量 4、法兰刚度、法兰刚度 压紧面又称压紧面又称密封面密封面，其形状和粗糙度应与垫片相匹配，其形状和粗糙度应与垫片相匹配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刚度不足刚度不足过大的翘曲变形，密封

46、失效的主要原因之一。过大的翘曲变形，密封失效的主要原因之一。提高法兰提高法兰刚度措施刚度措施增加法兰环的厚度、缩小螺栓中心圆直径、增大法增加法兰环的厚度、缩小螺栓中心圆直径、增大法兰环外径兰环外径采用带颈法兰或增大锥颈部分尺寸，提高抗弯能力采用带颈法兰或增大锥颈部分尺寸，提高抗弯能力第四章压力容器设计第四章压力容器设计图图4-28 法兰的翘曲变形法兰的翘曲变形 第四章压力容器设计第四章压力容器设计在压力、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。

47、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。特点特点高温下，介质粘度小，渗透性大，易泄漏；高温下，介质粘度小，渗透性大，易泄漏；介质对垫片和介质对垫片和法兰的腐蚀作用加剧，增加了泄漏的可能性；法兰的腐蚀作用加剧，增加了泄漏的可能性；法兰、螺栓法兰、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；和垫片均会产生较大的高温蠕变与应力松弛，使密封失效；某些非金属垫片还会加速老化、变质，甚至烧毁。某些非金属垫片还会加速老化、变质，甚至烧毁。原因原因5、操作条件、操作条件第四章压力容器设计第四章压力容器设计（四）螺栓法兰连接

48、设计（四）螺栓法兰连接设计1、螺栓法兰连接的密封性设计、螺栓法兰连接的密封性设计螺栓法兰连接螺栓法兰连接设计关键要解设计关键要解决两个问题决两个问题保证连接处保证连接处“紧密不漏紧密不漏”；法兰应具有足够的强度，法兰应具有足够的强度，不致因受力而破坏。不致因受力而破坏。实际应用中主要是泄漏，很少有强度不足而破坏。实际应用中主要是泄漏，很少有强度不足而破坏。密封性能：密封性能：压紧面压紧面垫片垫片第四章压力容器设计第四章压力容器设计a、法兰压紧面的选择、法兰压紧面的选择 压紧面主要根据压紧面主要根据工艺条件工艺条件、密封口径密封口径以及以及垫片垫片等进行选择。等进行选择。全平面（全平面（a）突面

49、（突面（b）凹凸面（凹凸面（c）榫槽面（榫槽面（d）环连接面（或称环连接面（或称T型槽）（型槽）（e）等）等其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。形式形式图图4-29第四章压力容器设计第四章压力容器设计（a）（b）（c）（d）（e）图图4-29 法兰密封面的型式法兰密封面的型式第四章压力容器设计第四章压力容器设计凹凸面法兰连接凹凸面法兰连接第四章压力容器设计第四章压力容器设计榫槽面法兰连接榫槽面法兰连接第四章压力容器设计第四章压力容器设计突面压紧面突面压紧面简单，加工方便，装卸容易，易于防腐衬里。简单，加工方便，装卸容易，易于防腐衬里。压紧面可以是平滑的，压紧

50、面可以是平滑的，适用于适用于PN2.5MPa场合，场合，带沟槽的（带沟槽的（ 24条、宽条、宽深为深为0.8mm0.4mm、截面、截面 为三角形周向沟槽），防止非金属垫片被挤出，适用为三角形周向沟槽），防止非金属垫片被挤出，适用 更广。更广。容器法兰可用至容器法兰可用至6.4MPa，管法兰甚至可用至管法兰甚至可用至2542MPa，但随着公称压力的提高，适用的公称直径相应减但随着公称压力的提高，适用的公称直径相应减小小。第四章压力容器设计第四章压力容器设计凹凸压紧面凹凸压紧面榫槽压紧面榫槽压紧面安装易于对中，有效防止垫片被挤安装易于对中，有效防止垫片被挤出，适用于出，适用于PN6.4MPa的容器

51、法兰的容器法兰和管法兰。和管法兰。由榫面、槽面配合构成，垫片安放在槽内，由榫面、槽面配合构成，垫片安放在槽内，不会被挤出压紧面，较少受介质的冲刷和不会被挤出压紧面，较少受介质的冲刷和腐蚀，所需螺栓力较小，但结构复杂，更腐蚀，所需螺栓力较小，但结构复杂，更换垫片较难，只适用于易燃、易爆和高度换垫片较难，只适用于易燃、易爆和高度或极度毒性危害介质等重要场合。或极度毒性危害介质等重要场合。第四章压力容器设计第四章压力容器设计基本要求基本要求根据根据选择选择垫片的结构形式、垫片的结构形式、材料、尺寸材料、尺寸垫片的材料不污染工作介质、耐腐蚀、具有良好的变形垫片的材料不污染工作介质、耐腐蚀、具有良好的变

52、形能力和回弹能力，在工作温度下不易变质硬化或软化、能力和回弹能力，在工作温度下不易变质硬化或软化、能重复使用等。（表能重复使用等。（表410 垫片选用表）垫片选用表）b、垫片的选择、垫片的选择介质的压力、温度、腐蚀性和压介质的压力、温度、腐蚀性和压紧面的形状，兼顾价格、制造、紧面的形状，兼顾价格、制造、更换是否方便等因素来选择更换是否方便等因素来选择第四章压力容器设计第四章压力容器设计根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，选根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，选 择合适的螺栓材料择合适的螺栓材料计算螺栓直径与个数计算螺栓直径与个数按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸最后验算螺

53、栓间距最后验算螺栓间距c、螺栓设计、螺栓设计垫片压紧力垫片压紧力螺栓载荷计算螺栓载荷计算螺栓设计螺栓设计第四章压力容器设计第四章压力容器设计垫片压紧力垫片压紧力 预紧时：预紧时： byDFGa式中式中 Fa预紧预紧状态下，需要的状态下，需要的最小垫片压紧力最小垫片压紧力 垫片垫片有效密封宽度有效密封宽度 y垫片比压力，由表垫片比压力，由表4-9查得，查得，MPa DG垫片压紧力作用中心圆垫片压紧力作用中心圆计算直径计算直径，mm 当当bo6.4mm时，时， DG等于垫片接触的平均直径等于垫片接触的平均直径 当当bo6.4mm时，时， DG等于垫片接触的外径减去等于垫片接触的外径减去2bbo垫片

54、基本宽度（垫片基本宽度（bo见表见表411） 当当bo6.4mm时，时，b=bo 当当bo6.4mm时，时，oobbb53. 24 . 6第四章压力容器设计第四章压力容器设计操作时：操作时：cGPbmpD2F需要的压紧力由操作密封比压引起，由于原始定义需要的压紧力由操作密封比压引起，由于原始定义m 时时是取是取2倍垫片有效接触面积上的压紧载荷等于操作压力的倍垫片有效接触面积上的压紧载荷等于操作压力的 m倍，所以计算时倍，所以计算时操作密封比压操作密封比压应为应为2mpc，则，则式中式中 Fp操作操作状态下，需要的状态下，需要的最小垫片压紧力最小垫片压紧力，N； m垫片系数，由表垫片系数，由表4

55、-9查得；查得；pc计算压力，计算压力，MPa。bo垫片基本宽度垫片基本宽度（bo见表见表411） 当当bo6.4mm时时，b=bo 当当bo6.4mm时时，oobbb53. 24 . 6第四章压力容器设计第四章压力容器设计表表410 垫垫 片片 选选 用用 表表0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2金属环垫金属环垫环连接面环连接面45153010、0Cr13、0Cr18Ni9金属齿形垫金属齿形垫凹凸凹凸4506.410.00Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、金属包垫、缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫柔性石墨复合垫凹凸凹凸414500Cr13

56、钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、柔性石墨缠绕垫、柔性石墨复合垫复合垫凹凸凹凸404.00Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、金属包垫、缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫柔性石墨复合垫突（凹凸）突（凹凸）201450耐油橡胶石棉板、耐油橡胶石棉板、0Cr13钢带钢带-石棉板石棉板耐油垫、缠绕垫、耐油垫、缠绕垫、金属包垫、柔性石金属包垫、柔性石墨复合垫墨复合垫突（凹凸）突（凹凸）2002.50Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、金属包垫、缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫柔性石墨复合垫突（凹凸）突（凹凸）

57、201250耐油橡胶石棉板、耐油橡胶石棉板、聚四氟乙烯板聚四氟乙烯板耐油垫、四氟垫耐油垫、四氟垫突（凹凸）突（凹凸）2001.6油品、油油品、油气，溶剂气，溶剂（丙烷、（丙烷、丙酮、苯、丙酮、苯、酚、糠醛、酚、糠醛、异丙醇），异丙醇），石油化工石油化工原料及产原料及产品品材材 料料型型 式式垫垫 片片密封面密封面工作温度工作温度 /法兰公称法兰公称压力压力/MPa介介 质质第四章压力容器设计第四章压力容器设计0Cr13、0Cr18Ni9金属环垫金属环垫环连接面环连接面45010.0紫铜板紫铜板紫铜垫紫铜垫凹凸凹凸4006.43.5MPa0Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架

58、、紫铜等骨架、紫铜板板缠绕垫、柔性石墨复合垫、缠绕垫、柔性石墨复合垫、紫铜垫紫铜垫3004.02.5 MPa0Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫缠绕垫、柔性石墨复合垫突突2801.61.0MPa中压橡胶石棉板中压橡胶石棉板橡胶垫橡胶垫突突2001.00.3MPa蒸蒸汽汽中压橡胶石棉板中压橡胶石棉板橡胶垫橡胶垫突突1501.6压缩空气压缩空气中压橡胶石棉板中压橡胶石棉板橡胶垫橡胶垫凹凸凹凸1502.5氨氨0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2金属环垫金属环垫环连接面环连接面4015300Cr13、0Cr18Ni9金属环垫金属环垫环连接面环连接

59、面25140010、0Cr13、0Cr18Ni9金属环垫金属环垫环连接面环连接面2506.410.00Cr18Ni19钢带钢带-石墨带、石墨带、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2缠绕垫、金属齿形垫缠绕垫、金属齿形垫凹凸凹凸4515300Cr18Ni19钢带钢带-石墨带石墨带石墨石墨-0Cr18Ni19等骨架等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸凹凸2514500Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸凹凸2504.0氢气、氢氢气、氢气与油气气与油气混合物混合物表表410 垫垫 片片 选选 用用 表（续

60、）表（续）第四章压力容器设计第四章压力容器设计耐油橡胶石棉板、石墨耐油橡胶石棉板、石墨-0Cr13等骨架等骨架耐油垫、柔性石耐油垫、柔性石墨复合垫墨复合垫突突-2004.0低温油气低温油气蒙乃尔合金带蒙乃尔合金带-石墨带、石墨带、蒙乃尔合金板蒙乃尔合金板缠绕垫、金属平缠绕垫、金属平垫垫凹凸凹凸1704.0氢氟酸氢氟酸紫铜紫铜金属平垫金属平垫2601.0环氧乙烷环氧乙烷0Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、柔性石缠绕垫、柔性石墨复合垫墨复合垫突突502.5耐油橡胶石棉板耐油橡胶石棉板耐油垫耐油垫突突501.6液化石油气液化石油气0Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石