化工容器设计第七讲

1、法法 兰兰 引引 言言 在石油、化工设备和管道中，由于生产工艺的要求，在石油、化工设备和管道中，由于生产工艺的要求，或者为制造、运输、安装、检修方便，常采用可拆卸的联或者为制造、运输、安装、检修方便，常采用可拆卸的联接结构接结构。（一）化工设备中的可拆卸连接应当满足下列基本要求：（一）化工设备中的可拆卸连接应当满足下列基本要求： a a、能保证在操作温度和操作压力下的紧密不漏；、能保证在操作温度和操作压力下的紧密不漏； b b、有足够的强度，不因可拆卸连接的存在而消弱了、有足够的强度，不因可拆卸连接的存在而消弱了整个结构的强度，并保证本本身能抵抗所有外力的作用；整个结构的强度，并保证本本身能抵

2、抗所有外力的作用； c c、能迅速的并多次装卸；、能迅速的并多次装卸； d d、成本低廉。、成本低廉。法法 兰兰 引引 言言（二）连接型式分类（二）连接型式分类 常见的可拆卸结构常见的可拆卸结构有法兰联接、螺纹联接和有法兰联接、螺纹联接和承插式联接承插式联接螺纹连接闸阀螺纹连接闸阀承插式连接承插式连接法兰连接三通球阀法兰连接三通球阀钎焊连接钎焊连接法法 兰兰 引引 言言 采用可拆卸联接之后，确保接口密封的可靠性，是保证化采用可拆卸联接之后，确保接口密封的可靠性，是保证化工装置正常运行的必要条件。由于法兰联接有较好的强度和工装置正常运行的必要条件。由于法兰联接有较好的强度和紧密性，适用的尺寸范围

3、宽，在设备和管道上都能应用，所紧密性，适用的尺寸范围宽，在设备和管道上都能应用，所以应用最普遍。但法兰联接时，不能很快地装配与拆卸，制以应用最普遍。但法兰联接时，不能很快地装配与拆卸，制造成本较高。造成本较高。 法法 兰兰 引引 言言（三）法兰（三）法兰 1 1、法兰的连接结构：、法兰的连接结构：一对法兰、垫片一对法兰、垫片和若干和若干螺栓螺螺栓螺母母。借助螺栓将两部分设备连接在一起，并压紧垫片使连接。借助螺栓将两部分设备连接在一起，并压紧垫片使连接处紧密不漏。处紧密不漏。法法 兰兰 引引 言言（三）法兰（三）法兰 2 2、法兰的密封原理：、法兰的密封原理：法兰在螺栓预紧力的法兰在螺栓预紧力的

4、作用下，把处于密封面之间的垫片压紧。施加于单作用下，把处于密封面之间的垫片压紧。施加于单位面积上的压力（压紧应力）必须达到一定的数值位面积上的压力（压紧应力）必须达到一定的数值才能使垫片变形而被压实，密封面上由机械加工形才能使垫片变形而被压实，密封面上由机械加工形成的微隙被填满，形成初始密封条件。所需的这个成的微隙被填满，形成初始密封条件。所需的这个压紧应力叫垫片密封比压力，以压紧应力叫垫片密封比压力，以y y表示，单位为表示，单位为MPaMPa。密封比压力主要决定于垫片材质。显然，当垫片材密封比压力主要决定于垫片材质。显然，当垫片材质确定后，垫片越宽，为保证应有的比压力，垫片质确定后，垫片越

5、宽，为保证应有的比压力，垫片所需的预紧力就越大，从而螺栓和法兰的尺寸也要所需的预紧力就越大，从而螺栓和法兰的尺寸也要求越大，所以法兰联接中垫片不应过宽，更不应该求越大，所以法兰联接中垫片不应过宽，更不应该把整个法兰面都铺满垫片。把整个法兰面都铺满垫片。法法 兰兰 引引 言言（三）法兰（三）法兰 2 2、法兰的密封原理：、法兰的密封原理：当设备或管道在工作状态时，介质内压形当设备或管道在工作状态时，介质内压形成的轴向力使螺栓被拉伸，法兰密封面沿着彼此分离的方向移动，降低了成的轴向力使螺栓被拉伸，法兰密封面沿着彼此分离的方向移动，降低了密封面与垫片之间的压紧应力。如果垫片具有足够的回弹能力，使压缩

6、变密封面与垫片之间的压紧应力。如果垫片具有足够的回弹能力，使压缩变形的回复能补偿螺栓和密封面的变形，而使预紧密封比压值至少降到不小形的回复能补偿螺栓和密封面的变形，而使预紧密封比压值至少降到不小于某一值于某一值( (这个比压值称为工作密封比压这个比压值称为工作密封比压) )，则法兰密封面之间能够保持良，则法兰密封面之间能够保持良好的密封状态。反之，垫片的回弹力不足，预紧密封比压下降到工作密封好的密封状态。反之，垫片的回弹力不足，预紧密封比压下降到工作密封比压以下，甚至密封处重新出现缝隙，则此密封失效。因此，为了实现法比压以下，甚至密封处重新出现缝隙，则此密封失效。因此，为了实现法兰联接处的密封

7、，必须使密封组合件各部分的变形与操作条件下的密封条兰联接处的密封，必须使密封组合件各部分的变形与操作条件下的密封条件相适应，即使密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧力。件相适应，即使密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧力。为此，螺栓和法兰都必须具有足够大的强度和刚度，使螺栓在容器内压形为此，螺栓和法兰都必须具有足够大的强度和刚度，使螺栓在容器内压形成的轴向力作用下不发生过大的变形。成的轴向力作用下不发生过大的变形。 法法 兰兰 引引 言言（三）法兰（三）法兰 3 3、法兰连接问题：、法兰连接问题： （1 1）结构完整性问题：结构完整性问题：对于法兰连接要确保组成螺栓对于

8、法兰连接要确保组成螺栓连接系统的各部件有足够的强度，使之在各种操作条件下连接系统的各部件有足够的强度，使之在各种操作条件下长期使用而不破坏；长期使用而不破坏； （2 2）紧密型问题紧密型问题：法兰的失效主要表现为泄漏。因此，：法兰的失效主要表现为泄漏。因此，法兰连接的最基本问题是在各种操作条件下，设备内的介法兰连接的最基本问题是在各种操作条件下，设备内的介质不会通过法兰接头向外或向内发生泄漏。质不会通过法兰接头向外或向内发生泄漏。法法 兰兰 引引 言言（三）法兰（三）法兰 4 4、法兰设计计算的两个基本问题：、法兰设计计算的两个基本问题： 法兰选用法兰选用 包括法兰标准及其应用；法兰、垫片和螺

9、栓的选用。包括法兰标准及其应用；法兰、垫片和螺栓的选用。 法兰设计法兰设计 （1 1）密封设计：）密封设计：按操作条件，选取法兰型式、压紧按操作条件，选取法兰型式、压紧面形状、垫片型式，计算在安装工况和操作工况下，螺栓面形状、垫片型式，计算在安装工况和操作工况下，螺栓必需的预紧载荷和操作载荷，以达到设计的密封要求。必需的预紧载荷和操作载荷，以达到设计的密封要求。 （2 2）强度计算：）强度计算：即初定法兰的结构尺寸，根据（即初定法兰的结构尺寸，根据（1 1）计算得到的螺栓载荷，对法兰进行上述两种工况下的受力计算得到的螺栓载荷，对法兰进行上述两种工况下的受力分析和校核，以确定厚度等尺寸。分析和校

10、核，以确定厚度等尺寸。法法 兰兰 公称通径、公称压力、法兰标准及其应用公称通径、公称压力、法兰标准及其应用1 1、公称通径：、公称通径： 一般将容器和管道的直径按等级划分为一系列的的公一般将容器和管道的直径按等级划分为一系列的的公称通径，由字母称通径，由字母DNDN和后跟无因次的整数组成。例如：和后跟无因次的整数组成。例如：DN25DN25、DN50DN50。对于英制单位的标准，以字母。对于英制单位的标准，以字母NPSNPS后跟无因次的整后跟无因次的整数组成，如：数组成，如：NPS1NPS1，NPS2NPS2。容器容器的公称通径等于容器的内的公称通径等于容器的内经；经；管子管子则不然，其公称通

11、径既不等于管子内径，也不等则不然，其公称通径既不等于管子内径，也不等于外径，而是接近它们的某个整数；于外径，而是接近它们的某个整数；法兰法兰的公称通径与其的公称通径与其相连的容器或管子的公称通径相一致。相连的容器或管子的公称通径相一致。法法 兰兰 公称通径、公称压力、法兰标准及公称通径、公称压力、法兰标准及其应用其应用2 2、公称压力：、公称压力： 按容器或管道所受的压力分为若干等级而定的，由字按容器或管道所受的压力分为若干等级而定的，由字母母pNpN后跟无因次整数组成。对于英制标准，以字母后跟无因次整数组成。对于英制标准，以字母CLASSCLASS和后跟无因次整数组成。和后跟无因次整数组成。

12、 法兰的允许操作压力取决于公称压力大小、法兰的材法兰的允许操作压力取决于公称压力大小、法兰的材料及其操作温度。料及其操作温度。法法 兰兰 公称通径、公称压力、法兰标准及公称通径、公称压力、法兰标准及其应用其应用3 3、法兰标准：、法兰标准： 其标准按管法兰和容器法兰区分。设备法兰与管法兰其标准按管法兰和容器法兰区分。设备法兰与管法兰均已制定出标准。在很大的公称直径和公称压力范围内，均已制定出标准。在很大的公称直径和公称压力范围内，法兰规格尺寸都可以从标准中查到，只有少量超出标准规法兰规格尺寸都可以从标准中查到，只有少量超出标准规定范围的法兰，才需进行设计计算。目前国外的管法兰标定范围的法兰，才

13、需进行设计计算。目前国外的管法兰标准可归属两个系列，即以准可归属两个系列，即以pNpN和和CLASSCLASS标示的两个压力级别标示的两个压力级别的管法兰。国内的容器法兰标准仍是原机械电子工业部、的管法兰。国内的容器法兰标准仍是原机械电子工业部、化工部、劳动部、中石化总公司共同制定的化工部、劳动部、中石化总公司共同制定的压力容器法压力容器法兰兰（JB4700-4703JB4700-4703）。）。法法 兰兰 公称通径、公称压力、法兰标准及公称通径、公称压力、法兰标准及其应用其应用4 4、应用：、应用： （1 1）公称压力的选取，应使设计压力不超过标准中给）公称压力的选取，应使设计压力不超过标准

14、中给出的额定压力，此压力是在设计温度和法兰材料下给定的。出的额定压力，此压力是在设计温度和法兰材料下给定的。 （2 2）标准法兰的连接尺寸，如法兰的外径、法兰压紧）标准法兰的连接尺寸，如法兰的外径、法兰压紧面的外径、螺栓中心圆的直径、螺栓的数量和螺栓直径，面的外径、螺栓中心圆的直径、螺栓的数量和螺栓直径，对同一对同一DNDN（或（或NPSNPS）和）和pNpN（或（或CLASSCLASS）的法兰，不论其结构）的法兰，不论其结构型式，都是一致的，即具有相同的连接尺寸。型式，都是一致的，即具有相同的连接尺寸。应尽量选用应尽量选用标准法兰。标准法兰。法法 兰兰 法兰结构类型和应用场合法兰结构类型和应

15、用场合（一）法兰的分类（一）法兰的分类法法 兰兰 法兰结构类型和应用场合法兰结构类型和应用场合整整体体法法兰兰 法法 兰兰 法兰结构类型和应用场合法兰结构类型和应用场合整整体体法法兰兰 平焊法兰（图平焊法兰（图(a) (b) (a) (b) ） 法兰盘焊接在设备筒体或管法兰盘焊接在设备筒体或管道上，制造容易，应用广泛，但刚性较差。法兰受力后，道上，制造容易，应用广泛，但刚性较差。法兰受力后，法兰盘的矩形截面发生微小转动，见下图，与法兰相联的法兰盘的矩形截面发生微小转动，见下图，与法兰相联的筒壁或管壁随着发生弯曲变形。于是在法兰附近筒壁的截筒壁或管壁随着发生弯曲变形。于是在法兰附近筒壁的截面上，

16、将产生附加的弯曲应力。所以平焊法兰适用的压力面上，将产生附加的弯曲应力。所以平焊法兰适用的压力范围较低（范围较低（PN4.0MPaPN1表示最大轴向应力在小端，反之表示最大轴向应力在大端，此时取f= ，无需对f进行修正。f值按和在图查取。系数，；系数，；系数，d，；， 无因次系数，根据和在图和图0i04TUYZK=255Dhh0= DmmiDg查取。、 、 、 无因次系数，根据查图；系数，。法兰设计法兰设计（三）法兰的强度计算（三）法兰的强度计算 30.52 12822tftftftftfzrtztzr（ ）法兰的强度校核 法兰的强度校核应同时满足如下条件： （ -）法兰设计法兰设计（四）计算

17、示例（四）计算示例法兰设计法兰设计（四）计算示例（四）计算示例gogi001N= DD/21054 1010 /222mm22 b11mm6.4mm(2 13)22 b2.53 b2.53 118.4mm22 123mmN解：（ ）垫片宽度计算 垫片实际宽度 垫片密封基本宽度表 -垫片有效密封宽度 （ ）螺栓载荷计算 查表 -得石棉橡胶板（ =）22goy 110MPam 221037.2121037.2 2 8.4 144954403D210542 8.41037.2mmiipGGcGD pD mbpNDb 的 =.， = 。 （i）操作条件下螺栓载荷： W 式中 （ ）操作前螺栓的预紧载荷

18、： 1037.2 8.4 11301082GD byNa W 法兰设计法兰设计（四）计算示例（四）计算示例 222p2p3piiiM3631.67mmA495440331.672015755mmA12897mmA4743010823203mmA A A943M0.5 A +A0.515755 128bpatbababbbnWWWlW200a （）螺栓强度校核：螺栓的根径d，d，但，故，螺栓强度足够。（ ）总力矩计算 预紧时 其中 21 12 23 3221222231297941346644M 100078539844 1037.2100015952044 W PPicGicNPlPlPlPD pNPDDpNP p 操作时 因95440378539859520109485 N法兰设计法兰设计（四）计算示例（四）计算示例1110231145 1000 R3042.5mm22 R+0.542.50.5 1047.5mm 42.5+30+53.9 mm 6