化工机械基础(第三版)第十一章 容器零部件设计

第十一章容器(róngqì)零部件设计精品资料主要(zhǔyào)内容：法兰联接结构与密封原理(yuánlǐ)；法兰标准及选用。容器支座的类型和其它附件的结构与应用。开孔补强的原理(yuánlǐ)与方法。精品资料第一节法兰联接(liánjiē) 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。 常见的可拆卸结构有：法兰联接螺纹联接承插式联接。 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，适用尺寸范围宽，设备和管道应用最普遍(pǔbiàn)。 法兰联接不能很快装配与拆卸，制造成本较高。 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，少量超出标准规定范围法兰，才需进行设计。精品资料一、法兰联接结构(jiégòu)与密封原理组合(zǔhé)件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。精品资料法兰密封(mìfēng)的原理 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。 垫片材质确定后，垫片越宽，为保证比压力，预紧力越大，螺栓(luóshuān)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。精品资料 工作状态内压轴向力拉伸，降低了压紧应力。垫片有足够回弹，补偿变形(biànxíng)，预紧密封比压值不小于某一值(工作密封比压)，保持良好密封。反之，回弹不足，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(biànxíng)。精品资料二、法兰的分类(fēnlèi)精品资料（一）整体(zhěngtǐ)法兰１．平焊法兰，制造容易，应用广泛(guǎngfàn)，但刚性较差。精品资料 法兰附近筒壁的截面上，将产生附加(fùjiā)的弯曲应力。所以平焊法兰适用的压力范围较低（PN<4.0MPa）。平焊法兰的适用范围：精品资料２．对焊法兰又称高颈法兰或长颈法兰。颈提高刚性，厚度比筒体厚，降低根部弯曲应力。对接焊缝，比平焊法兰的角焊缝强度(qiángdù)好，对焊法兰适用于压力、温度较高或设备直径较大的场合。精品资料（二）松式法兰法兰与容器或管道(guǎndào)不连接，比整体式连接强度差。精品资料 法兰盘可用不同(bùtónɡ)材料，用于铜制、铝制、陶瓷、石墨及其非金属材料的设备或管道上。 受力后无附加弯曲应力，只适用于压力较低场合。精品资料（三）任意(rènyì)式法兰 整体(zhěngtǐ)性介于整体(zhěngtǐ)法兰和松式法兰之间，包括未焊透的焊接法兰。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高压管子上。精品资料三、影响法兰密封(mìfēng)的因素 影响法兰密封的因素主要有： 螺栓预紧力； 密封面型式； 垫片性能； 法兰刚度(ɡānɡdù)； 操作条件。精品资料㈠螺栓(luóshuān)预紧力螺栓预紧力是影响密封一个重要因素。预紧力使垫片压紧并实现初始密封。预紧力过大则垫片被压坏或挤出。 预紧力通过(tōngguò)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。 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。精品资料1、突面（RF） 光滑平面，可车制密纹水线。结构简单，加工方便，便于进行防腐衬里。 接触(jiēchù)面积大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压紧。㈡密封面 法兰联接(liánjiē)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、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：精品资料2、凹凸(āotū)面（MFM） 凸面和凹面相配合，凹面上放置垫片，防止垫片被挤出，适用(shìyòng)于压力较高。精品资料3、榫槽面(TG)槽中垫片不被挤动。螺栓力较小。获得良好(liánghǎo)的密封效果。结构较复杂，更换垫片较困难。榫面容易损坏。适于易燃、易爆、有毒介质及较高压力。压力不大时，即使直径较大，也能很好密封。精品资料4、全平面(píngmiàn)（FF）与环连接面（RJ）全平面密封适合于压力较小的场合(chǎnghé)（PN≤1.6MPa）；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（6.3MPa≤PN≤25.0MPa）。精品资料5、其他(qítā)类型密封面高压容器和高压管道用球面（透镜(tòujìng)）和椭圆或八角形截面金属垫片精品资料㈢垫片(diànpiàn)性能垫片适当(shìdàng)变形和回弹能力是形成密封的必要条件。最常用垫片分为：非金属、金属、非金属与金属混合制的垫片精品资料非金属垫片(diànpiàn)：橡胶石棉板、聚四氟乙烯等。柔软(róuruǎn)耐温度和压力性能较金属垫片差。只适用于常、中温和中、低压设备和管道的法兰密封。精品资料金属(jīnshǔ)与非金属(jīnshǔ)混合制垫片： 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、0Cr18Ni9等）将非金属包起来(qǐlái)； 金属缠绕垫片是薄低碳钢带(或合金钢带)与石棉带一起绕制而成。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有较好的性能，适应的温度与压力范围较高一些。精品资料金属(jīnshǔ)垫片： 材料(cáiliào)一般并不要求强度高，而是要求软韧。 常用是软铝、紫铜、铁(软钢)、蒙耐尔合金(含Ni67％，Cu30％，Cr4～5％)钢等。 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，同时考虑密封面形式、螺栓力的大小以及装卸要求等。 查表10-15精品资料精品资料㈠压力容器法兰标准(biāozhǔn)四、法兰标准(biāozhǔn)及选用 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管法兰标准精品资料1．平焊法兰：精品资料精品资料2．对焊法兰 长颈对焊法兰有厚度更大的颈，刚性大。 更高压力(yālì)范围(PN0.6MPa～6.4MPa)和直径范围(DN300mm～2000mm)，适用温度范围为-20℃～450℃。 乙型平焊法兰中DN2000mm以下规格包括在长颈对焊法兰的规定范围之内。两者联接尺寸和法兰厚度一样(yīyàng)。DN2000mm以下的乙型平焊法兰可用轧制长颈对焊法兰代替，以降低成本。精品资料 平焊与对焊法兰都有带衬环的与不带衬环的两种。 当设备是由不锈钢制作时，采用碳钢法兰加不锈钢衬环，可以(kěyǐ)节省不锈钢。精品资料3、公称(gōngchēng)直径与公称(gōngchēng)压力根据公称直径与公称压力由法兰标准确定法兰尺寸压力容器法兰公称直径同压力容器 例如(lìrú)DN1000mm的压力容器，应当配用DN1000mm的压力容器法兰。精品资料法兰公称(gōngchēng)压力： 与最大操作压力、操作温度以及材料有关。 定义：以16MnR在200℃时的机械性能为基准确定法兰尺寸，在200℃时，它的最大允许操作压力就认为是具有该尺寸法兰的公称(gōngchēng)压力。 公称(gōngchēng)压力PNO.6MPa法兰，用16MnR制造的，在200℃时，最大允许操作压力0.6MPa。 高于200℃的最大操作压力将低于它的公称(gōngchēng)压力0.6MPa。 低于200℃仍按200℃确定其最高工作压力。精品资料 材料改为Q235-A，机械性能比16MnR差，公称压力PN0.6MPa的法兰，200℃操作，最大允许操作压力也低于公称压力。 材料由16MnR改为15MnVR，机械性能优于16MnR，公称压力PN0.6MPa的法兰，在200℃操作时，最大允许操作压力将高于它的公称压力。 只要法兰的公称直径、公称压力确定(quèdìng)了，法兰的尺寸也就确定(quèdìng)了。精品资料最大允许(yǔnxǔ)工作压力的确定：精品资料为操作温度300℃，设计压力0.6MPa的容器(róngqì)选配法兰。材料15MnVR按公称压力0.6MPa查取。材料20R按公称压力1.0MPa查取尺寸。课堂作业：精品资料㈡管法兰标准(biāozhǔn)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。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、螺纹法兰等。管法兰标准查选方法(fāngfǎ)、步骤与压力容器法兰同。 GB9119.7-88外，常用标准还有：化工部标准HG20592～HG20602-97；中石化标准SH3406-96等。其中化工部标准中分为欧洲体系、美洲体系等，我国常用的为欧洲体系。精品资料例11-1：塔身与封头的法兰。塔内径1000mm，操作温度280℃，设计(shèjì)压力0.2MPa。Q235-A。根据操作温度、设计(shèjì)压力和所用材料，应按公称压力为0.6MPa查选尺寸。压力不高，直径不大，表11-2用甲型平焊法兰、平面密封面，垫片用石棉橡胶板。法兰的各部尺寸从附录表9中查，联接螺栓材料Q235-A，M20共36个。精品资料思考题：1.法兰垫片(diànpiàn)密封的原理是什么？影响密封的因素有哪些？2.法兰的型式有哪些？各有什么特点？3.法兰密封面型式有哪些？各适用什么场合？4.常用的垫片(diànpiàn)材料有哪些？作业：P2241、2、3精品资料概述(ɡàishù)： 容器支座：支承容器重量、固定容器位置并使容器在操作中保持稳定。 结构型式由容器自身的型式决定(juédìng)，分：卧式容器支座立式容器支座球形容器支座第二节容器支座精品资料㈠鞍式支座(zhīzuò)应用最广泛的卧式容器支座。 已有标准JB/T4712-92《鞍式支座》，根据容器公称直径和重量选用(xuǎnyòng)。 由横向筋板、若干轴向筋板和底板焊接而成。在与设备连接处，有带加强垫板和不带加强垫板两种结构。一、卧式容器的支座卧式容器的支座有三种：鞍座、圈座、支腿精品资料鞍座包角120°或150°，安放稳定。高度200、300、400和500mm。宽度b根据容器(róngqì)公称直径查出。精品资料 每种型式鞍座又分为(fēnwéi)固定式支座（代号F)：底板上开圆形螺栓孔和滑动式支座（S)：底座开长圆形螺栓孔（安装）鞍座(ānzuò)的种类与安装： 鞍座分为A型（轻型）和B型（重型），重型又分为BⅠ～BⅤ五种型号。A型和B型的筋板和底板、垫板等尺寸不同或数量不同。精品资料鞍座(ānzuò)与筒体端部距离A确定： 当L/D较大，且无加强圈，应尽量利用封头对支座处筒体的加强作用，取A≤0.25D； 当筒体的L/D较小，d/D较大，或有加强圈时，取A≤0.2L。精品资料㈡圈座采用圈座的情况：对于大直径薄壁容器(róngqì)和真空容器(róngqì)，因其自身重量可能造成严重挠曲；多于两个支承的长容器(róngqì)。除常温常压下操作的容器(róngqì)外，至少应有一个圈座是滑动支承的。精品资料㈢腿式支座(zhīzuò) 简称支腿 连接处造成严重的局部应力，只适用于小型设备（DN≤1600、L≤5m）。 腿式支座的结构型式、系列(xìliè)参数等参见标准JB/T4714-92《腿式支座》。精品资料二、立式(lìshì)容器的支座立式容器的支座主要(zhǔyào)有：耳式支座支承式支座裙式支座中、小型直立容器常采用前二种，高大的塔设备则广泛采用裙式支座。精品资料㈠耳式支座(zhīzuò)简称耳座：垫板、筋板和支脚板。广泛用在反应釜及立式换热器等直立设备(shèbèi)上。简单、轻便，但局部应力较大。当设备(shèbèi)较大或器壁较薄应加垫板。不锈钢制设备(shèbèi)，用碳钢作支座，防止合金元素流失，也需加一个不锈钢垫板。精品资料 已标准化JB/T4725-92《耳式支座》。 该标准分A型（短臂）和B型（长臂）（有保温层或直接放在楼板(lóubǎn)上） 每类又分带垫板与不带垫板两种结构精品资料耳式支座(zhīzuò)选用的方法：（1）估算设备总重，算每个支座（按2个计算）的负荷Q值；（2）确定支座型式，从表11-5或表11-6按允许负荷Q允大于实际负荷Q，选支座。小型(xiǎoxíng)设备耳式支座，可支承在管子或型钢制的立柱上。大型设备的支座往往搁在钢梁或混凝土制的基础上。精品资料㈡支承(zhīchénɡ)式支座 用钢管、角钢(jiǎogāng)、槽钢制作，或用数块钢板焊成， 型式、结构、尺寸及材料JB/T4724-92《支承式支座》。精品资料适用范围和结构(jiégòu)：支承(zhīchénɡ)式支座分A型和B型。形式支座号适用的公称直径（mm）结构特征A1～6DN800～3000钢板焊制，带垫板B1～8DN800～4000钢管焊制，带垫板精品资料支承式支座(zhīzuò)的选用： 选用见标准规定，尺寸按表10-8查。 简单轻便(qīngbiàn) 局部应力较大，当壳体刚度较小、壳体和支座材料差异或温度差异较大时，或壳体需焊后热处理，应设置加强板。 加强板的材料应和壳体材料相同或相似。精品资料㈢裙式支座(zhīzuò)塔设备最常用裙式支座。目前(mùqián)还没有标准。各部分尺寸均需通过计算或实践经验确定。精品资料思考题：1、卧式容器和立式(lìshì)容器的支座有哪几种？2、双鞍座卧式容器支座位置按哪些原则确定？精品资料一、容器(róngqì)的开孔与补强容器(róngqì)为什么要开孔？工艺、安装、检修的要求。开孔后，为什么要补强？削弱器壁的强度，出现不连续，形成高应力集中区。第三节容器的开孔与附件精品资料峰值应力通常较高，达到甚至(shènzhì)超过材料屈服极限。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强，以保证容器安全运行。开孔的形状(xíngzhuàn)：应力集中和开孔形状有关，圆孔的应力集中程度最低。精品资料㈠开孔补强的设计(shèjì)与补强结构 在开孔附近区域增加(zēngjiā)补强金属，提高器壁强度，满足强度设计要求。 容器开孔补强的形式分为整体补强和补强圈补强1．整体补强 增加整个壳体的厚度，或用全焊透将厚壁接管或整体补强锻件与壳体相焊，降低开孔附近的应力。 应力集中的局部性，除非制造或结构需要，一般不把整个容器壁加厚。精品资料2．补强圈补强 开孔周围贴焊一圈钢板(gāngbǎn)，即补强圈。 补强圈与器壁搭接，材料相同，补强圈尺寸参照标准确定，或等面积补强。 为方便焊接，外面单面补强。 检验紧密性，M10螺孔通入压缩空气。精品资料补强圈搭焊结构(jiégòu)的使用范围：GB150用补强圈结构补强时，规定： ①钢材的标准抗拉强度下限值sb≤540MPa；

②补强圈厚度(hòudù)小于或等于1.5dn；

③壳体名义厚度(hòudù)dn≤38mm。精品资料㈡允许(yǔnxǔ)开孔的范围 筒体及封头开孔最大直径不允许(yǔnxǔ)超过： （1）圆筒Di≤1500mm，开孔最大直径d≤1/2Di，且d≤520mm；圆筒Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤1/3Di，且d≤1000mm；

（2）凸形封头或球壳的开孔最大直径d＜1/2Di。

（3）锥壳开孔最大直径d≤1/3Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径。精品资料㈢不需补强的最大开孔直径(zhíjìng) 计算壁厚考虑了焊缝系数，钢板规格，壳体壁厚超过实际强度，最大应力(yìnglì)值降低，相当于容器已被整体加强。 且容器开孔总有接管相连，其接管多于实际需要的壁厚也起补强作用。 容器材料有一定塑性储备，允许承受不是十分过大的局部应力(yìnglì)，所以当孔径不超过一定数值时，可不进行补强。精品资料壳体开孔满足(mǎnzú)全部条件，可不另行补强：(1)设计压力小于或等于2.5MPa；(2)两相邻开孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和的两倍；(3)壳体名义壁厚大于12mm，接管公称(gōngchēng)外径小于或等于80mm；壳体名义壁厚小于或等于12mm，接管公称(gōngchēng)外径小于或等于50mm(4)接管最小壁厚满足表11-9的要求。接管公称外径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0＞540MPa，全焊透，接管腐蚀裕量1mm。

精品资料二、容器的接口(jiēkǒu)管与凸缘用于装置测量、控制仪表(yíbiǎo)，或连接其他设备和介质的输送管道。㈠接口管焊接设备的接口管长度精品资料 铸造(zhùzào)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，阴螺纹或阳螺纹。精品资料㈡凸缘(tūyuán) 接管长度必须很短时可用凸缘(tūyuán)代替(又叫突出接口)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。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。精品资料三、手孔与人孔 检查设备内部(nèibù)空间以及安装和拆卸内部(nè