压力容器零部件设计法兰设计

压力容器零部件设计法兰设计第一页，共三十八页，2022年，8月28日概述压力容器的主体构件:筒体、封头、开孔接管等.由于制造、安装、运输、检修及操作工艺等方面的要求，容器的零部件常做成可拆连接，然后再组合。第二页，共三十八页，2022年，8月28日可拆连接的基本要求（1）足够的刚度及连接件间的压紧力。保证操作中介质不泄漏。（2）足够的强度。本身具有足够的强度，不能削弱整体结构强度；（3）能耐腐蚀。能正常工作和多次迅速拆装。（4）成本低廉。适合大批量生产。第三页，共三十八页，2022年，8月28日概述压力容器的零部件：法兰、支座、人孔、手孔、安全阀，等。其中法兰就是典型的可拆连接。零部件都标准化，如法兰：JB4700～4707—92，支座：JB/T47**—92第四页，共三十八页，2022年，8月28日

二、法兰设计

重点内容:法兰的密封原理、影响密封的主要因素法兰的标准容器法兰的类型、设计步骤管法兰的类型、设计步骤第五页，共三十八页，2022年，8月28日法兰连接的组成：1、被连接件——法兰对（关键部件，提供密封面和螺栓孔。）2、连接件——螺栓、螺母3、密封元件——垫片(圈)第六页，共三十八页，2022年，8月28日思考？？？？？？？法兰连接最基本的要求是什么?法兰连接的失效形式是什么?第七页，共三十八页，2022年，8月28日密封法兰连接最基本的要求：密封可靠。密封原理分为：1）强制密封（中低压）：把螺栓产生的压紧力通过法兰密封面（压紧面）传递给垫片，使垫片产生足够的弹塑性变形，从而将法兰压紧面间凹凸不平的缝隙填满压实，达到密封的目的。2）自紧密封（高压）：依靠容器内介质的压力压紧密封元件，使密封面获得很大的压紧力，在密封口产生较大的密封比压，达到密封目的。

第八页，共三十八页，2022年，8月28日泄漏法兰连接的失效形式：泄漏。泄漏途径：①垫圈渗漏，②密封面泄漏（为主）防止泄漏方法：①采用不渗透性材料或有填充剂堵塞多孔性材料的孔隙；②提高法兰刚度、密封面平直度、表面粗糙度、密封面与法兰中心线的垂直度，避免径向凹痕。

第九页，共三十八页，2022年，8月28日影响密封的主要因素：1、螺栓预紧力：大小合适、分布均匀2、垫圈性能:变形能力和回弹能力(弹性、塑性)3、密封面型式和表面性能：平直度、表面粗糙度精度、密封面与法兰中心轴线垂直同心。4、法兰刚度：产生翘曲变形。增大法兰厚度，减小螺栓力作用的力臂，增大法兰盘外径。5、操作条件：压力、温度、介质的物理化学性质第十页，共三十八页，2022年，8月28日法兰设计的重要概念1、预紧密封比压：预紧时(无内压），迫使垫片变形与压紧面密合，形成初始密封条件。此时在垫片单位面积上的压紧力。（也称最小压紧应力MPa）第十一页，共三十八页，2022年，8月28日法兰设计的重要概念2、工作密封比压：操作时(有内压），压紧力减小，垫片具有足够的回弹能力，回复的变形能够补偿螺栓和密封面的变形，此时预紧密封比压下降到正常工作的最小值。（MPa）3、垫片系数：操作时(有内压），达到紧密不漏，垫片上所必须维持的最小比压与介质压力P的比值。第十二页，共三十八页，2022年，8月28日密封面型式①平面型②凹凸型③榫槽型④梯形槽第十三页，共三十八页，2022年，8月28日①平面型优点：结构简单、加工方便，便于防腐衬里，应用广泛。缺点：密封面与垫圈接触面大，不易对中，垫圈易伸展，密封性较差。适用：低压和无毒介质。第十四页，共三十八页，2022年，8月28日②凹凸型优点：便于对中，垫圈放在凹面不易挤出，密封面窄比压大。缺点：加工量大适用：压力稍高③榫槽型优点：密封面窄，不与介质接触，缺点：拆卸难，垫圈不易清理适用：压力更高，密封要求严第十五页，共三十八页，2022年，8月28日④梯形槽：与椭圆型或八角型金属垫圈配用。特点：槽的锥面与垫圈成线（或窄面）接触密封。适用：温度、压力有波动，介质渗透性第十六页，共三十八页，2022年，8月28日密封面的选用原则首先必须保证密封可靠，然后力求加工容易，装配方便、成本低。第十七页，共三十八页，2022年，8月28日垫圈（垫片）垫圈是法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫圈的密封性能。垫圈材料的要求：耐介质腐蚀、不与操作介质发生化学反应，不污染产品和环境，具有良好的弹性，有一定的机械强度和适当的柔软性，在工作温度和压力下不易变质（硬化、老化、软化）。第十八页，共三十八页，2022年，8月28日垫圈的类型压力容器法兰及管法兰采用的密封垫圈，根据所用材料有哪几种类型？

第十九页，共三十八页，2022年，8月28日垫圈的类型1）非金属垫圈：

（适用于P<6MPa,T<450度）材料：橡胶垫、石棉橡胶垫、聚四氟乙烯垫和膨胀（或柔性）石墨垫。断面为矩形或O形。2）金属垫圈：（适用于P>6.4MPa,T>350度）材料：软铝、钢、纯铁、软钢、铬钢和不锈钢。断面有矩形、波纹形、齿形、椭圆形和八角形。3）金属—非金属组合垫圈：兼容了前二者的优点，提高了耐蚀性、耐热性和密封性能，适用于较高的压力和温度形式：金属包垫片、金属缠绕垫片和带骨架的非金属垫片。第二十页，共三十八页，2022年，8月28日垫圈的选择垫圈的结构形式、材料和尺寸，标准化。选择依据：介质的腐蚀性、操作温度和压力，考虑价格低廉、制造容易和更换方便。高温高压：金属垫圈中温中压：金属与非金属组合式或非金属中、低压：多用非金属高真空或深冷：金属垫圈第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日法兰的类型1）压力容器法兰：连接筒体与封头、筒体与筒体、法兰与管板。

2）管法兰：管道之间连接。思考：两类法兰作用相同，外形相同，能互换吗？为什么？第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日思考：两类法兰作用相同，外形相同，能互换吗？为什么？答：不能。因为：压力容器法兰的公称直径通常是与其连接的筒体的内径；而管法兰的公称直径是与其连接的管子的公称直径。它既不是管子的内径，也不是管外径。因此，二者的连接尺寸并不等。第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日法兰的标准1）压力容器法兰标准：JB4700～4707-92

包括法兰、垫片、螺栓等8个标准2）管法兰（管道之间连接）标准：与“英制管”配管系列对应的管法兰标准有GB9119.5~9119.14-88国家标准。英制管管法兰有14种。与“公制管”配管系列对应的管法兰标准是化工行业标准HG20592～20635-97《钢制管法兰、垫片、紧固件》标准。公制管管法兰有6种。第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日容器法兰类型1）平焊法兰：

①甲型平焊法兰，JB4701-92

②乙型平焊法兰，JB4702-922）对焊法兰：③长颈对焊法兰，JB4703-92第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日容器法兰类型甲型和乙型平焊法兰的区别：乙型平焊法兰本身配带了一个比容器壁厚更厚的圆筒形短节，短节厚度一般不小于16mm，增加了法兰的刚度。因而比甲型平焊法兰适用的公称直径大，制定的压力级别范围宽且高。甲型平焊法兰：有PN0.25MPa，0.6MPa，1.0MPa，1.6MPa四个压力等级，直径范围为DN300～2000mm，温度范围－20～300ºC。只限于使用非金属软垫片，配有光滑（平面）和凹凸2种密封面。第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日容器法兰类型乙型平焊法兰：有PN0.25MPa，0.6MPa，1.0MPa，1.6MPa四个压力等级中较大直径范围，还有PN2.5MPa，4.0MPa两个压力等级中较小直径范围，适用的全部直径范围为DN300～3000mm，温度范围－20～350ºC。可使用非金属软垫片、缠绕式垫片、组合式垫片，密封面有光滑、凹凸和榫槽3种密封面。选用依据：

①公称直径（是容器及管道标准化以后的尺寸系列）

②公称压力（等于法兰的允许工作压力）第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日容器法兰连接的设计步骤（1）根据设计要求，确定法兰型式（甲、乙、长）；（2）由型式和工作温度，确定材料或由材料定公称压力；（3）由型式和公称压力，确定法兰各部分尺寸和螺柱直径及个数；（4）由型式和工作温度，确定匹配的垫片种类、材料和螺柱及螺母材料、尺寸；（5）参照各尺寸绘法兰图。第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日选择标准法兰举例例1有一直径为1200mm的吸收塔，封头与筒体采用法兰联接，该塔操作温度为285ºC，设计压力为0.3MPa，材质为Q235－A。试选择标准法兰。第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日选择标准法兰举例根据吸收塔的直径和压力，查表12－2（压力容器法兰分类和规格范围）可知，甲型平焊法兰公称压力范围：0.25～1.6MPa，完全可以满足要求。法兰材料取与塔体、封头材料相同，为Q235－A，查表12－3（甲型、乙型平焊法兰的最大允许工作压力，JB4700-92），应按公称压力0.6MPa来查选它的尺寸。由于操作压力不高，由表12－1（垫圈选用表）可采用平面型密封面，垫片材料选用石棉橡胶板，查JB4704-92定出尺寸。标注为：垫片1200－0.6JB4704-92第三十页，共三十八页，2022年，8月28日选择标准法兰举例法兰的各部分尺寸可从JB4701-92中查得，并可绘出法兰图。联接螺栓为M20，共52个，材料由表12－5（法兰、螺栓、螺母、材料匹配表）查得为35，螺母材料为Q235－A。法兰标记为：法兰－PII1200－0.6JB4701-92第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日管法兰的类型管法兰有20多种类型：

(比容器法兰的适用压力范围大、受力情况复杂)

板式平焊、带颈平焊、带颈对焊、承插焊、平焊环松套板式、翻边松套式、螺纹法兰、对焊凸缘松套法兰、整体法兰等。第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日管法兰的密封面型式平面型，凹凸型，榫槽型（同容器法兰），梯形槽和全平面型：第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日管法兰连接的设计步骤（1）确定法兰类型和密封面型式、管子材料和尺寸；（2）再由工作温度，确定材料或由材料定公称压力；（3）再由公称压力，确定法兰各部分尺寸；（4）由型式和工作温度，确定匹配的垫片种类、材料和紧固件材料、尺寸；（5）参照各尺寸绘法兰图。第三十四页，共三十八页，2022年，8月28日螺栓设计包括：选择螺栓材料、确定螺栓尺寸和个数，螺栓载荷计算。计算螺栓载荷：达到预紧密封比压和工作密封比压。材料：根据螺栓载荷、工作温度等。一般螺栓材料比螺母材料的硬度高30HB以上。直径和个数：连接螺栓DN≥M12，先由标准定个数，一般为4的倍数，然后由螺栓载荷、材料的许用应力计算螺栓根径，再由此定DN。最后校核螺栓中心距。第三十五页，共三十八页，2022年，8月28日法兰设计—重点内容1、密封原理分为：

1）强制密封（中低压）：把螺栓产生的压紧力通过法兰密封面（压紧面）传递给垫片，使垫片产生足够的弹塑性变形，从而将法兰压紧面间凹凸不平的缝隙填满压实，达到密封的目的。

2）自紧密封（高压）：依靠容器内介质的压力压紧密封元件，使密封面获得很大的压紧力，在密封口产生较大的密封比压，达到密封目的。

2、法兰连接的组成包括：法兰对，垫圈和螺栓；泄漏的途径主要是：垫圈渗漏和密封面泄漏第三十六页，共三十八页，2022年，8月28日法兰设计—重点内容3、影响密封的因素：1）螺栓预紧力，2）垫圈性能，3）密封面型式和表面性能，4）法