化工设备机械基础-容器零部件培训讲义

第6章容器零部件第一节、法兰连接第二节、容器支座第三节、容器的开孔补强第四节、容器附件在石油、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，常采用可拆卸的联接结构。常见的可拆卸结构有法兰联接、螺纹联接和承插式联接。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，制造成本较高。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，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。第一节、法兰连接法兰联接结构是组合件，是由一对法兰、若干螺栓、螺母和一个垫片所组成。在实际应用中，压力容器由于联接件或被联接件的强度破坏所引起法兰密封失效是很少见的，较多的是因为密封不好而泄漏。故法兰联接的设计中主要解决的问题是防止介质泄漏。1.法兰连接结构与密封原理1).法兰在螺栓预紧力的作用下，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。所需的这个压紧应力叫垫片密封比压力，单位为MPa。密封比压力主要决定于垫片材质。法兰密封原理2).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于某一值(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。法兰密封原理3).因此，为了实现法兰联接处的密封，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。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。法兰密封原理预紧密封比压：形成初始密封条件时在垫片单位面积上受到的压紧力；工作密封比压：一个已经形成初始密封条件的法兰连接，在通入介质后为了不使介质泄漏，在密封面与垫圈之间所必须保留下来的最低比压。2.法兰的结构与分类按接触面分类：窄面法兰宽面法兰平焊法兰（图(a)、(b)）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，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（PN<4.0MPa）；对焊法兰（图(c)）对焊法兰又称高颈法兰或长颈法兰。颈的存在提高了法兰的刚性，同时由于颈的根部厚度比筒体厚，所以降低了根部的弯曲应力。此外，法兰与筒体（或管壁）的联接是对接焊缝，比平焊法兰的角焊缝强度好，故对焊法兰适用于压力、温度较高或设备直径较大的场合。松式法兰(活套法兰)的特点是法兰未能有效地与容器或管道连接成一整体，不具有整体式连接的同等强度，如上图所示。由于法兰盘可以采用与设备或管道不同的材料制造，因此这种法兰适用于铜制、铝制、陶瓷、石墨及其非金属材料的设备或管道上。另外，这种法兰受力后不会对筒体或管道产生附加的弯曲应力，这也是它的一个优点，但一般只适用于压力较低的场合。任意式法兰其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。圆形法兰是最常见的，方形法兰有利于把管子排列紧凑，椭圆形法兰通常用于阀门和小直径的高压管子上。螺栓预紧力是影响密封的一个重要因素。预紧力必须使垫片压紧并实现初始密封条件。同时，预紧力也不能过大，否则将会使垫片被压坏或挤出。由于预紧力是通过法兰密封面传递给垫片的，要达到良好的密封，必须使预紧力均匀地作用于垫片。因此，当密封所需要的预紧力一定时，采取增加螺栓个数、减小螺栓直径的办法对密封是有利的。对角紧螺丝有利于提高密封性能。3.影响法兰密封的因素(1).螺栓预紧力法兰联接的密封性能与密封面型式有直接关系，所以要合理选择密封面的形状。法兰密封面型式的选择，主要考虑压力、温度、介质。(2).压紧面(密封面)名称特点说明突面（RF）表面是一个光滑的平面，也可车制密纹水线。密封面结构简单，加工方便，且便于进行防腐衬里。但是，这种密封面垫片接触面积较大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压紧。

凹凸面（MFM）密封面是由一个凸面和一个凹面相配合组成，在凹面上放置垫片，能够防止垫片被挤出，故可适用于压力较高的场合。

榫槽面(TG)密封面是由榫和槽所组成的，垫片置于槽中，不会被挤动。垫片可以较窄，因而压紧垫片所需的螺栓力也就相应较小。即使用于压力较高之处，螺栓尺寸也不致过大。因而，它比以上两种密封面均易获得良好的密封效果。密封面的缺点是结构与制造比较复杂，更换挤在槽中的垫片比较困难。此外，榫面部分容易损坏，在拆装或运输过程中应加以注意。榫槽密封面适于易燃、易爆、有毒的介质以及较高压力的场合。当压力不大时，即使直径较大，也能很好地密封。全平面（FF）与环连接面（RJ）全平面密封适合于压力较小的场合（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）。其它类型密封面对于高压容器和高压管道的密封，密封面可采用锥形密封面或梯形槽密封面，它们分别与球面金属垫片（透镜垫片）和椭圆形或八角形截面的金属垫片配合。密封面可适用于压力较高的场合，但需要的尺寸精度和表面光洁度高，不易加工。

垫片是构成密封的重要元件，适当的垫片变形和回弹能力是形成密封的必要条件。非金属垫片材料有橡胶石棉板、聚四氟乙烯等，这些材料的优点是柔软。耐温度和压力的性能较金属垫片差，通常只适用于常、中温和中、低压设备和管道的法兰密封。金属与非金属混合制垫片有金属包垫片及缠绕垫片等。金属包垫片是用薄金属板（镀锌薄钢板、0Cr18Ni9等）将非金属包起来制成的；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。这种缠绕式垫片有不带定位圈的和带定位圈的两种。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。金属垫片材料一般并不要求强度高，而是要求软韧。常用的是软铝、紫铜、铁(软钢)、蒙耐尔合金(含Ni67％，Cu30％，Cr4～5％)钢等。金属垫片主要用于中、高温和中、高压的法兰联接密封。(3).垫片性能为了防止法兰变形，增加法兰刚度有利于提高密封性能；增加法兰厚度、减少螺栓作用力臂、增大法兰盘外径都能有效提高法兰抗弯刚度；(4).法兰刚度温度；压力；介质腐蚀性。(5).操作条件4.法兰标准及其选用法兰标准分为两个：压力容器法兰标准与管法兰标准。4.1法兰标准衬衬名称压力等级PN

（MPa）直径范围DN

（mm）温度范围备注平焊法兰甲型0.25，0.6，l.0，1.6300～2000-20℃～300℃乙型法兰有一个壁厚不小于16mm的圆筒形短节，因而使乙型平焊法兰的刚性比甲型平焊法兰好；甲型的焊缝开V型坡口，乙型的焊缝开U型坡口，所以乙型也比甲型具有较高的强度和刚度。乙型0.25～1.6压力等级中较大直径范围还可用于2.5和4.0两个压力等级中较小直径范围300～3000-20℃～350℃长颈对焊法兰由于具有厚度更大的颈，因而使法兰盘进一步增大了刚性。故规定用于更高的压力范围(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以下的规格均已包括在长颈对焊法兰的规定范围之内。这两种法兰的联接尺寸和法兰厚度完全一样。所以DN2000mm以下的乙型平焊法兰，可以用轧制的长颈对焊法兰代替，以降低法兰的生产成本。使用法兰标准确定法兰尺寸时，必须知道法兰的公称直径与公称压力；压力容器法兰的公称直径与压力容器的公称直径取同一系列数值。例如DN1000mm的压力容器，应当配用DN1000mm的压力容器法兰。法兰公称压力的确定与法兰的最大操作压力、操作温度以及法兰材料有关。因为在制定法兰尺寸系列、计算法兰厚度时，是以16MnR在200℃时的机械性能为基准制定的。所以规定以此基准所确定的法兰尺寸，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压力。4.2法兰尺寸的确定根据操作殊温度、设对计压力和桥所用材料竿，查表可价知，所要挤选用的法懂兰，应按甩公称压力伯为0.6冤MPa来缠查选它的全尺寸。由于操险作压力尚不高，事直径不采大，由笛表可采掘用甲型侵平焊法扶兰、平禽面密封王面，垫办片材料穿选用石冒棉橡胶倚板。联接螺栓逐选用材料匀为为Q2谣35-A像，M20礼共36个舌。例：为一成台精馏塔驶配一对联辩接塔身与昨封头的法介兰。塔的顶内径是1防000m骆m，操作浩温度为2帮80℃，乐设计压力茶为0.2败MPa。腐法兰材质境为Q23福5-A。公称压汗力1.师6MP培a，公碧称直径默800戏mm的俩衬环榫克槽密封边面乙型敌平焊法址兰中的须榫面法馋兰：法兰C—嘱S崇80泻0—1.始6宫J瓜B470禾2—924.3橡法兰标限准的标记乔方法法兰各去个尺寸探的意义第二节妖、容器止支座1.耻卧式容洞器支座鞍座圈座支腿鞍座是炭应用最巷广泛的木一种卧涉式容器遍支座，猎常见的秃卧式容矿器和大带型卧式拨贮槽，杀热交换荡器等多缩慧采用这岗种支座深。为了冰简化设穴计计算见，鞍式积支座已舍有标准广JB/免T47积12-羽92议《鞍式绩支座》舅，设计颜时可根抖据容器宋的公称制直径和廊容器的喂重量选足用标准尚中的规削格。义鞍座是捆由横向扔筋板、躬若干轴坡向筋板脉和底板阁焊接而卡成。在因与设备帅连接处纺，有带效加强垫险板和不初带加强洲垫板两仍种结构类；鞍式支首座的鞍坛座包角q为12懒0°或超150闯°，以够保证容骄器在支锦座上安屠放稳定戚。鞍座票的高度秘有20丽0、3捡00、律400染和50录0mm却四种规薪格，但刘可以根裳据需要部改变，塘改变后膨应作强乘度校核性。鞍式懂支座的场宽度b可根据王容器的摄公称直锦径查出卸。鞍座分悔为A型纯（轻型仿）和B怠型（重队型）两帆类，其吉中重型销又分为根BⅠ～输BⅤ五取种型号淡；A型极和B型恶的区别俭在于筋鲁板和底箱板、垫助板等尺薯寸不同稻或数量医不同。1.1哨鞍座在下列情雨况下可采趋用圈座：蛙对于大直狂径薄壁容绪器和真空即操作的容灾器，因其艳自身重量颈可能造成梦严重挠曲击；多于两典个支承的笼长容器。除常温臣常压下顺操作的背容器外牢，若采晴用圈座虎时则至馋少应有某一个圈乱座是滑辛动支承效的。1.2尘圈座腿式支债座简称汁支腿，帮因为这尼种支座泊在与容介器壳壁知连接处沾会造成凯严重的票局部应杨力，故膛只适合控用于小爽型设备愧（DN≤16蓝00、L≤5m贪）。腿式支飞座的结网构型式约、系列鼓参数等盛参见标昨准JB东/T师471蛮4-9侨2《险腿式支幅座》。1.3掘支劲腿2.哪立式容洲器支座2.1枣耳蜻式支座耳式支座砍简称耳座煎，它由筋下板和支脚怨板组成。披广泛用在引反应釜及吓立式换热码器等直立蚊设备上。世它的优点坐是简单、纽奉轻便，但督对器壁会倚产生较大闹的局部应短力。因此颠，当设备赚较大或器拳壁较薄时坝，应在支岩座与器壁议间加一垫脱板。对于英不锈钢制恶设备，当颂用碳钢作经支座时，搅为防止器雄壁与支座阿在焊接过枕程中不锈蓄钢中合金们元素的流睛失，也需海在支座与锦器壁间加常一个不锈折钢垫板。耳式支始座已经闪标准化阳，它们病的型式培、结构徐、规格塞尺寸、斧材料及那安装要擦求应符骗合JB负/T里472仁5-9宴2《早耳式支术座》。经该标准冲分为A拒型（短冒臂）和军B型（督长臂）至两类，检每类又璃分为带撒垫板与喝不带垫滩板两种趴结构。小型设备危的耳式支版座，可以陆支承在管注子或型钢鼠制的立柱烫上。大型猎设备的支千座往往搁那在钢梁或全混凝土制丸的基础上黄。支承式支顺座可以用洒钢管、角兽钢、槽钢台来制作，祸也可以用英数块钢板村焊成，它答们的型式少、结构、插尺寸及所钻用材料应蹦符合JB够/T4酒724-漏92《坦支承式支邮座》；支承式兵支座分揪为A型继和B型比，A型牙支座筋简板和底宋板的材踢料为Q店235谊-A·属F；B扰型支座郊钢管材昨料为1亿0，底组板材料欲均为Q概235慰-A·抄F。支承式梅支座的柔优点是扁简单轻裕便，但裳它和耳梢式支座卧一样，孩对壳壁佩会产生向较大的尿局部应践力，因博此当容淋器壳体恳的刚度棕较小、陆壳体和夕支座的至材料差荡异或温陷度差异立较大时萌，或壳隶体需焊都后热处辛理时，傍在支座爷和壳体怖之间应谅设置加急强板。皱加强板优的材料码应和壳盯体材料环相同或穿相似。2.2建支蔬承式支田座对高大哗的塔设等备最常评用的支骆座就是监裙式支手座。它疮与前两桥种支座省不同，超目前还鸦没有标腿准。它演的各部服分尺寸么均需通雨过计算巴或实践买经验确吵定；有关裙式锯支座的结扮构及其设雀计方法详材见第八章朴。2.3耕裙牙式支座为了满鸽足工艺袋、安装播、检修柏的要求寒，往往信需要在已容器的得筒体和哪封头上刺开各种堪形状、始大小的伶孔或连稼接接管缘瑞。容器评壳体上疲开孔后悠，开孔尸不但削毅弱了容轨器壁的恩强度，挥而且在钳筒体与炮接管的做连接处亲，由于呆原壳体俩结构产偏生了变钱化，出仅现不连符续，在培开孔区脉域将形畜成一个膏局部的劣高应力活集中区涝。开孔康边缘处社的最大蔬应力称释为峰值害应力。盛峰值应致力通常腿较高，鲁达到甚柔至超过柱了材料爸的屈服纷极限。皇较大的捧局部应芦力，加耀之容器刺材质和学制造缺扫陷等因等素的综胆合作用归，往往昼会成为阴容器的杏破坏源欺。为了降极低峰值梳应力，副需要对岔结构开汁孔部位按进行补这强，以挪保证容春器安全必运行。展开孔应喇力集中餐的程度摸和开孔食的形状谨有关，肺圆孔的区应力集氏中程度阻最低，税因此一朵般开圆毛孔。第三节左、容器喷的开孔挺补强1.俭开孔补泄强的形减式(a)巷.内牵加强平职齐接管(b)雄.外搜加强平椒齐接管(c).汽对称加徒强凸出接样管(d)严.密隔集补强从强度角舟度考虑，鼓密集补强钱最好，但捎加工难度控最大；外加强就平齐接湾管的加赵工最易版，但补晨强效果庭却最差洽。四种补强唤形式的比拨较2.云开孔补悄强的结逆构整体补绪强是指心采用增阿加整个沙壳体的弦厚度，慌或用全仆焊透的幼结构形滨式将厚振壁接管搏或整体骆补强锻箩件与壳坡体相焊沙来降低总开孔附赔近的应亦力。境由于开絮孔应力侨集中的亲局部性招，在远集离开孔狼区的应竖力值与汁正常应军力值一亡样，故铸除非制返造或结煎构上的纳需要，锄一般并气不把整袭个容器随壁加厚染。在开集孔处用笛全焊透浑的结构稿形式焊怨上一段惜特意加屡厚的短渠管，使继接管的帆加厚部锋分恰处恳有效补鱼强区内王，则可曾以降低业应力集被中系数婆。整锻吼件补强牛结构是服将接管孕与壳体牙连同加土强部分衬作成整虫体锻件中，然后内与壳体谦焊在一狐起。其图优点是裁补强金葛属集中蝴于开孔驻应力最束大部分爽，应力班集中现嫂象得到端大大缓喊和。(a).练整体补越强补强圈补脚强是指在极壳体开孔冬周围贴焊缺一圈钢板怕，即补强报圈。补强区圈一般与灾器壁采用粒搭接结构为，材料与祥器壁相同饰，补强圈划尺寸可参婶照标准确衔定，也可苦按等面积笛补强原则屑进行计算顶。当补强拴圈厚度超悼过8mm浅时，一般偷采用全焊敌透结构，伤使其与器听壁同时受喝力，否则瓦不起补强滔作用。为仙了焊接方馋便，补强仁圈可以置错于器壁外熟表面或内搬表面，或丈内外表面农对称放置释，但为了禁焊接方便斜，一般是扮把补强圈巩放在外面劝的单面补君强。为了兴检验焊缝知的紧密性蹈，补强圈也上有一个张M10的舌小螺纹孔冻。从这里俗通入压缩洋空气进行于焊缝紧密栗性试验。补强圈面现已标啊准化。(b)狼.补位强圈补料强设计压威力小于尊或等于此2.5贯MPa赔；两相邻炒开孔中就心的间搭距(对执曲面间钻距以弧但长计算匙)应不杂小于两狡孔直径细之和的箩两倍；接管公滴称外径轮小于或概等于8此9mm升；接管最小胜壁厚满足聚下表的要穗求。3.不蜻另行补强姿的最大开斗孔直径接管公称外径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0注：①钢材的标准抗拉强度下限值sb＞540MPa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构型式。②接管的腐蚀裕量为1mm。原则：目使补强严的金属犬量，大顶于或等钓于由于毫开孔所第削弱的洒金属量由；等面积猾补强法乌是世界闸各国沿炭用较久车的一种扫方法，展其设计宅计算较迈为复杂搞，且偏殖于保守乳，但比谨较安全巩可靠，霜因此迄敲今仍然护得到广曾泛使用达。补强公式猫：4.赤开孔补宽强的原冤则——肃等面积球补强法A1：壳体有挪效厚度减厦去计算厚诞度之外的亿多余面积订；A2：接管有忧效厚度减希去计算厚砖度之外的浇多余面积普；A3：焊缝金限属截面积偶。A：壳派体由于掀开孔导畅致需要外补强的良面积。当圆筒的阴内径Di≦150术0mm，湾开孔最大训直径d≦俊Di/2，且天d≦52佳0mm;当圆筒林的内径救Di>150材0mm，臭开孔最大针直径d≦蒜Di/3，桶且d≦把100呼0mm猫;凸形封头枯或球壳开代孔的最大穿直径d≦经Di/2；锥壳或替锥形封胃头开孔嚼的最大会直径d炊≦Di/3，食Di为开孔顶中心处爽的锥体屿内径；在椭圆盾形或蝶阔形封头欣过渡部辜分开孔伶时，其局孔的中箭心线宜孟垂直于角封头表槐面。4.1港适蚂用的开练孔范围当采用局估部补强时欠，筒体及超封头上开瓜孔的最大兔直径不得均超过以下蹄数值：d：开孔废直径；S：圆筒委或球壳开之孔处的计策算壁厚；Set：接管有饱效厚度；fr：强度迈削弱系锅数，等鼻于设计掩温度下役接管材晒料与壳浓体材料岂许用应龙力之比泰，若大丈于1，侧按fr=1计扑算；4.2榜容垒器壳体鲁开孔补鼓强的要背求A4.3尝开孔有垄效补强范屠围有效宽度禁：取二者摄较大值有效高度嫩：取二者较梯小值外侧高肯度：内侧高返度：取二者较钞小值A1的计算4.4斩补强面临积的计算A2的计算A3：一般想远远小其于A1与A2补强材料拆一般需与都壳体材料义相同，若衣补强材料伸许用应力设小于壳体的材料许用穿应力，则顿补强面积封应按壳体晌材料与补见强材料许商用应力之症比而增加安；若补强剪材料许用杂应力大于臂壳体材料漫许用应力昆，则所需串补强面积某也不得减邀少；当相邻两犹孔中心距纷小于该两肝孔平均直绿径的两倍当时，其补村强面积不悼应小于各捡孔单孔补圾强所需面画积，而且芽必须将总底补强面积暗中不少于垄50%的制面积置于防两孔之间像，在计算剂各孔单独午补强所需庄面积时，绑补强范围鞋区内重叠资的多余面概积，如果森作为补强尊金属计入迁时，不得谈重复计算君；4.5披关圈于补强盼的几个共小点：11当多个开机孔集中在努一起时，炸且其中任烈意两孔中竹心距均小只于该两孔乔平均直径颂的1.3超3倍时，宿可以按一底个假想孔惑对待，这狱个假象孔但将该处几光个小孔都铺包括在内出。第四节族、容器齐附件1.接里口管设备上墙的接口送管与凸纸缘，既龟可用于王装置测烂量、控填制仪表氏，也可茄用于连运接其他催设备和淡介质的择输送管寄道。公称直径DN不保温接管长保温设备接管长适用公称压力PN

（MPa）≤1580130≤4.020～50100150≤1.670～350150200≤1.670～500≤1.0接管长季度及其秋应用范法围2.浇凸缘当接管宫长度必光须很短呆时，可舱用凸缘那(又叫应突出接族口)来遮代替接喂管，如任图所示咏。凸缘旁本身具岭有加强仓开孔的命作用，已不需再译另外补涉强。缺壤点是当着螺柱折轨断在螺咐栓孔中剪时，取宴出较困菌难。由责于凸缘浅与管道洒法兰配院用，因锈此它的讲联接尺温寸应根封据所选胖用的管疾法兰来派确定。压力容器材开设手孔资和人孔是拨为了检查览设备的内什部空间以突及安装和均拆卸设备谋的内部构闸件。手孔直径胳一般为1换50mm就～250扑mm，标开准手孔公雷称直径有DN150厨和DN250驻两种。请手孔的抢结构一煮般是在疼容器上闪接一短掘管，并糠在其上妙盖一盲垦板。当脂设备的震直径超私过90励0mm男时，不稀仅开有冻手孔，静必要时慨还应开刷设人孔嘉。人孔馅的形状柱有圆形鼻和椭圆燃形两种悔。椭圆愿形人孔伯的短轴杠应与受索