《过程设备设计》课件-4.压力容器设计（中）

《过程设备设计》压力容器设计目录

4.1概述

4.2设计准则

4.3常规设计

4.4分析设计

4.5疲劳分析

4.6压力容器设计技术进展目录4.3.3封头设计4.3.4密封装置设计4.3.5开孔和开孔补强设计4.3.6支座和检查孔4.3.7安全泄放装置4.3.2圆筒设计4.3.1概述4.3.8焊接结构设计4.3.9压力试验封头设计封头种类凸形封头锥壳变径段平盖紧缩口半球形封头椭圆形封头碟形封头球冠形封头图4-15常见容器封头的形式核电站安全壳：在发生地震、失水事故时，防止堆内放射性物质外泄。保护堆内重要设备，防止受到外来袭击（如飞射物、飞机）的破坏。超大超薄椭圆形封头是钢安全壳的重要组成部分超大

直径达40m

超薄

径厚比达1000山东海阳核电站安全壳穹顶安装，2015失效机制复杂预测困难10mCAP1400安全亟待解决的问题科学问题失效产生机制失效预测方法工程问题大尺度测量技术工程设计方法安全评估技术国家核重大专项课题2013-2017CAP1400钢安全壳封头承载力试验1.研究背景封头顶部爆破屈曲波纹有限元模拟和验证2016年11月项目通过上海核工院的验收2015年底STD-2封头试验结束后合影2015年7月CAP-1封头试验准备1m（1）国际首次完成超大直径(5m)超薄(5.5mm)椭圆形封头破坏全过程试验；（2）首次采用大尺度三维激光扫描技术对超大直径超薄椭圆形封头破坏全过程进行测量；（3）构建了经试验验证的椭圆形封头承载力预测模型；（4）探明了超大直径超薄椭圆形封头的破坏全过程和屈曲特性。K.Li,J.Zheng,Z.Zhang.Experimentalinvestigationonbucklingofsteelnuclearcontainmentwithellipticalhead.ASMEPaperNo.PVP2016-63498大空间非接触位移测量三维激光扫描仪建立失效预测模型测量不同压力封头整体法向位移不同压力下经线形状不同压力下纬线形状不同压力下屈曲波纹处纬线的径向位移三维形状偏差检测大尺度三维激光测量技术（1）超大封头的初始形状测量。（2）超大封头的形状偏差评定。（3）升压时封头形状变化测量。K.Li,J.Zheng,Z.Zhang,etal.Experimentalinvestigationonbucklingofellipsoidalheadofsteelnuclearcontainment.JournalofPressureVesselTechnology,2017,139,p.061206.超大封头：弹性形变屈服屈曲塑性垮塌破坏全过程应力-应变呈线性压力-位移呈线性应力-应变呈非线性材料硬化局部性渐进性自限性顶部开裂

球化：封头径高比随内压增大逐渐减小，截面形状趋圆封头破坏过程中的球化现象左图为数值模拟，右图为过程实测。顶部向外变形过渡区向内变形过渡区环向受压应力顶部和过渡区经向受拉应力轴对称屈服过渡区屈曲顶部区爆破(塑性垮塌）失效模式局部性渐进性自限性123封头过渡区环向受压应力，屈曲波纹出现在过渡区局部位置屈曲波纹屈曲产生原因：过渡区环向受压应力屈曲特性三维激光扫描仪实测封头法向位移随内压升高的变化趋势屈曲特性局部性渐进性自限性123随着压力升高，屈曲波纹逐渐长大，屈曲波纹数量逐渐增加屈曲波纹形成屈曲波纹形成屈曲波纹长大屈曲波纹随内压升高而生成、长大、增多无波纹少量小波纹波纹长大，数量增多三维激光扫描仪实测封头法向位移随内压升高的变化趋势自限性的机制：环向压应力随后逐渐减小，并最终变为拉应力——波纹高度减小负值表示压应力环向压应力先增大波纹产生/生长屈曲特性局部性渐进性自限性123FEM模拟：封头法向位移随内压升高的变化趋势法向位移梯度减小/波纹高度减小随着压力继续升高，球化明显，过渡区环向压应力减小，屈曲波纹变小

波纹高度减小J.Zheng,K.Li,S.Liu,etal.Effectofshapeimperfectiononthebucklingoflarge-scalethin-walledellipsoidalheadinsteelnuclearcontainment.Thin-WalledStructures,2018,124:514-522.

形状偏差表征方法焊接接头棱角表征函数形状偏差检测结果含形状偏差的屈曲压力计算模型缺陷敏感性：焊接接头棱角对封头屈曲有显著影响封头整体偏差过渡区纬线偏差形状偏差与屈曲失效的关联关系

屈曲判据预测公式预测精度：ZJU预测公式比ASME、EN公式更好地预测了屈曲压力屈曲压力预测方法预测值和试验数据比较材料验证范围计算中国标准屈服强度/MPa（170,490）（205,490）抗拉强度/MPa（290,

705）（390,610）屈强比（0.35,0.80）(0.39,0.80)尺寸验证范围计算GB/T150JB4732ASMEVIIIEN13445（1.2,2.5）(1.0,2.6)(0.56,3.57)（1.7,2.2）(1.79,2.23)（20,2000)无限制（20,2600）(13.87,1000)

塑性垮塌压力预测方法

DiJB4732GB/T150ASMEVIII-1EN13445ASMEVIII-2我国标准欧美标准设计理念基于极限载荷的设计基于最大应力的设计基于失效模式的设计等效为蝶形封头（适用径高比1.7~2.2）失效模式强度失效爆破失效过渡区失效（屈服/屈曲）顶部爆破过渡区轴对称屈服设计公式过渡区局部屈曲屈曲/屈服：Miller公式屈服:Kalnins公式屈曲:Gallety公式爆破压力计算ASMEIII.1-NE及N-284N-284基于弹性屈曲理论的屈曲评定方法问题1：未给出防超薄封头屈曲失效的设计公式问题2：未考虑应变硬化和球化的影响(强度失效)，计算过于保守问题2：现有爆破压力计算方法未考虑应变硬化和球化的影响(强度失效)，计算结果过于保守。JB4732计算结果为极限载荷，GB/T150、ASME和EN设计公式的理论基础为薄壳理论，给出的结果均过于保守。考虑应变硬化和球化影响的预测公式较好地预测了塑性垮塌压力。

问题1：中国标准未给出防止超薄封头屈曲失效的设计公式。2）GB/T150就屈曲失效仅对厚径比做出规范：1）JB4732针对厚径比较小的封头，要求进行稳定性校核。但未对校核方法进行详细规范。建立基于失效模式的椭圆形封头设计方法：1）轴对称屈服失效：直接引用EN13445防止轴对称屈服压力计算公式2）局部屈曲失效：增加防止屈曲判据和屈曲压力计算公式3）塑性垮塌失效：增加塑性垮塌压力计算公式

正在启动修订JB4732等标准

Di变形特点：复杂的多向应变过渡段和直边段大变形椭圆形封头冲压过程示意图：1.凸模；2.压边圈；3.板料；4.凹模；4’.拉延槛；5.托举装置；6.润滑油层椭圆形封头冷冲压成形制造影响：厚度变化：顶部减薄，边缘增厚微观组织变化：形变诱导马氏体力学性能变化：

材料硬化

强度增加材料韧性减小质量控制方法

以最大塑性变形作为恢复性能热处理判据椭圆形封头冷冲压成形椭圆形封头冷冲压塑性变形试验研究试验步骤：(a)绘制径向坐标(b)冲压成形(c)测量原始坐标经向位置封头型号材料直径（mm）厚度（mm）直边段高度（mm）测量不同材料/规格封头最大塑性应变预测方法不足：计算误差大：严重低估真实塑性形变仅考虑经向形变GB/T150-2011GB/T25198-2010GB/T18442.1-2011ASMEBPVCVIII2-2015EN13445-4:2014AS4458-1997不足：无法准确计算成形后封头边缘对应未成形板料上的直径Db仅考虑环向形变优点：反映复杂多向应变反映冲压变形过程等效塑性变形PEEQ:EquivalentPlasticStrain凸模凹模板料压边圈椭圆形封头有限元建模与网格划分椭圆形封头冲压过程有限元模拟最大塑性变形max.PEEQX.Zhu,C.Miao,L.Ma.AmethodforpredictionofformingstrainforcoldstampingformedheadmadeofS30408austeniticstainlesssteel.ASMEPaperNo.PVP2013-97768.椭圆形封头冲压过程有限元模拟经向伸长量（mm）成形封头上的经向坐标（mm）顶部区域过渡段直边段实测值测量误差带有限元模拟值经向伸长量（mm）成形封头上的经向坐标（mm）顶部区域过渡段直边段实测值测量误差带有限元模拟值封头型号材料直径（mm）厚度（mm）直边段高度（mm）经向伸长量模拟值和实验值之间的方均根差（RMSD）椭圆形封头冲压过程有限元模拟与试验对比300350400450500550600650700750800850900950100011001200130014001500160017001800190020002100220023002400250026002700280029003000310032002300*2350*2400*2450*2500*2550*2600*2650*2700*2750*23300*3350*3400*3450*3500*3550*3600*3650*3700*3750*3800*3850*3900*3950*31000*31100*31200*31300*31400*31500*31600*31700*31800*34300*4350*4400*4450*4500*4550*4600*4650*4700*4750*4800*4850*4900*4950*41000*41100*41200*41300*41400*41500*41600*41700*41800*41900*42000*42100*42200*42300*45300*5350*5400*5450*5500*5550*5600*5650*5700*5750*5800*5850*5900*5950*51000*51100*51200*51300*51400*51500*51600*51700*51800*51900*52000*52100*52200*52300*52400*52500*56300*6350*6400*6450*6500*6550*6600*6650*6700*6750*6800*6850*6900*6950*61000*61100*61200*61300*61400*61500*61600*61700*61800*61900*62000*62100*62200*62300*62400*62500*62600*62700*62800*62900*63000*68300*8350*8400*8450*8500*8550*8600*8650*8700*8750*8800*8850*8900*8950*81000*81100*81200*81300*81400*81500*81600*81700*81800*81900*82000*82100*82200*82300*82400*82500*82600*82700*82800*82900*83000*83100*83200*810300*10350*10400*10450*10500*10550*10600*10650*10700*10750*10800*10850*10900*10950*101000*101100*101200*101300*101400*101500*101600*101700*101800*101900*102000*102100*102200*102300*102400*102500*102600*102700*102800*102900*103000*103100*103200*1012300*12350*12400*12450*12500*12550*12600*12650*12700*12750*12800*12850*12900*12950*121000*121100*121200*121300*121400*121500*121600*121700*121800*121900*122000*122100*122200*122300*122400*122500*122600*122700*122800*122900*123000*123100*123200*1214300*14350*14400*14450*14500*14550*14600*14650*14700*14750*14800*14850*14900*14950*141000*141100*141200*141300*141400*141500*141600*141700*141800*141900*142000*142100*142200*142300*142400*142500*142600*142700*142800*142900*143000*143100*143200*1416350*16400*16450*16500*16550*16600*16650*16700*16750*16800*16850*16900*16950*161000*161100*161200*161300*161400*161500*161600*161700*161800*161900*162000*162100*162200*162300*162400*162500*162600*162700*162800*162900*163000*163100*163200*1618650*18700*18750*18800*18850*18900*18950*181000*181100*181200*181300*181400*181500*181600*181700*181800*181900*182000*182100*182200*182300*182400*182500*182600*182700*182800*182900*183000*183100*183200*1820650*20700*20750*20800*20850*20900*20950*201000*201100*201200*201300*201400*201500*201600*201700*201800*201900*202000*202100*202200*202300*202400*202500*202600*202700*202800*202900*203000*203100*203200*2022650*22700*22750*22800*22850*22900*22950*221000*221100*221200*221300*221400*221500*221600*221700*221800*221900*222000*222100*222200*222300*222400*222500*222600*222700*222800*222900*223000*223100*223200*2224800*24850*24900*24950*241000*241100*241200*241300*241400*241500*241600*241700*241800*241900*242000*242100*242200*242300*242400*242500*242600*242700*242800*242900*243000*243100*243200*24120+算例/常用规格/常用不锈钢和碳钢最大等效塑性应变预测方法最大等效塑性应变（max.PEEQ）远高于现有方法的计算值多向应变等效（反映复杂变形）应变绝对值累加（反映应变过程）J.Zheng,X.Shu,Y.Wu,etal.Investigationontheplasticdeformationduringthestampingofellipsoidalheadsforpressurevessels.Thin-WalledStructures,2018,127:135-144.最大等效塑性应变预测方法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。内压封头强度计算：应力：薄膜应力＋不连续应力计算：内压薄膜应力＋应力增强系数封头设计：优点：薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，是最理想的结构形式。半球形封头为半个球壳，如图4-15（a）所示。（1）受内压的半球形封头缺点：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；应用：高压容器。半球形封头厚度计算公式：（4-40）式中Di—球壳的内直径，mm。适用范围：为满足弹性要求，适用pc≤0.6[σ]tφ，相当于K≤1.33。凸形封头一、半球形封头（2）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：工程上：图算法。取稳定性安全系数m=3，得球壳许用外压力：（4-41）令，根据

，得一、半球形封头将[p]代入式（4-41）得（4-42）由B和[p]的关系式得半球形封头的许用外压力为：（4-43）a.假定名义厚度δn，令δe=δn-C，用式（4-42）计算出A，根据所用材料

选用厚度计算图，由A查取B，再按式（4-43）计算许用外压力[p]。图算步骤：b.如所得A值落在设计温度下材料线的左方，则直接用式（4-41）计算

[p]。若[p]≥pc且较接近，则该封头厚度合理，否则重新假设δn，重

复上述步骤，直到满足要求为止。不用几何算图一、半球形封头直边段作用：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。由半个椭球面和短圆筒组成，如图4-15（b）所示。应用：中、低压容器。(1)受内压（凹面受压）的椭圆形封头受力：薄膜应力＋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的比值，与椭圆形封头长轴与短轴之比的关系有关，见图4-16中虚线。二、椭圆形封头（4-44）即，即，K——应力增强系数或椭圆封头的形状系数，用半径为Di的半球形封头厚度乘以K，即（4-45）椭圆形封头厚度计算式：二、椭圆形封头当Di/2hi=2，标准椭圆形封头，K=1，厚度计算式为（4-46）椭圆形封头最大允许工作压力：（4-47）采用限制椭圆形封头最小厚度，GB/T150规定标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15%，非标准椭圆形封头的有效厚度应不小于0.30%。周向失稳：二、椭圆形封头(2)受外压椭圆形封头不同：Ro由椭圆形封头的当量球壳外半径Ro=K1Do代替，K1值是椭圆

长短轴比值Do/（2ho）（ho=hi+δn）决定的系数，由表4-5

（遇中间值用内插法求得）查得。相同：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；2.62.42.22.01.81.61.41.21.0

K11.181.080.990.900.810.730.650.570.50表4-5

系数K1Do/（2ho）二、椭圆形封头缺点：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部位，故受力状况不佳。结构：带折边球面封头，由半径为Ri的球面体、半径为r的过渡环壳和

短圆筒等三部分组成，见图4-15（c）。优点：过渡环壳降低了封头深度，方便成型，且压制碟形封头的钢模加

工简单，应用广泛。(1)受内压碟形封头即碟形封头过渡区总应力为球面部分应力的M倍。引入碟形封头应力增强系数M，是以球面部分最大总应力为基础的近似修正系数，见4-48式。三、碟形封头封头r≥0.01Di，r≥3δ，且Ri≤Di。规定：标准碟形封头，Ri=0.9Di，r=0.17Di。同椭圆形封头，GB/T

150规定，标准碟形封头，其有效厚度应不小于内直径的0.15%，其它碟形封头的有效厚度应不小于0.30%。周向失稳三、碟形封头承受内压碟形封头的最大允许工作压力：（4-50）(2)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，有发生失稳的潜在危险，此为防失稳，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Ro用球面部分外半径代替。三、碟形封头优点：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。缺点：无转角过渡，存在大的不连续应力，其应力分布不甚合理。碟形封头当r=0时，球面与筒体直接连接，如图4-15（d）所示四、球冠形封头轴对称锥壳无折边锥壳折边锥壳特点：结构不连续，应力分布不理想应用：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，中、低压容器。图4-18

锥壳结构形式锥壳一、补强结构锥壳大端：半顶角α≤30°，无折边结构

α＞30°，带过渡段的折边结构，或按应力分析方法设计。转角半径r：不小于Di的10%，且不小于该过渡段厚度的3倍。锥壳小端：半顶角α≤45°，无折边结构；α＞45°，带过渡段的折边结构。

转角半径rs：不小于封头小端内径Dis的5%，且不小于该过渡段厚度

的3倍。半顶角α＞60°：厚度按平盖计算，或应力分析方法。强度：受力：薄膜应力＋边缘应力。设计：分别计算锥壳厚度、锥壳大端和小端加强段厚度。若考虑只有一种厚度时，取最大值。由无力矩理论，最大薄膜应力为锥壳大端的周向应力σθ，即（1）锥壳厚度由第一强度理论和弹性失效设计准则，并取D=Di+δccosα，厚度计算式：（4-51）式中Dc—锥壳计算内直径，mm；—锥壳计算厚度，mm；α—锥壳半顶角，（°）。注：当锥壳由同一半顶角的几个不同厚度的锥壳段组成时，Dc为各锥壳段大端内直径。一、受内压无折边锥壳（4-52）注：锥壳加强段与筒体加强段应具有相同的厚度,加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度。（2）锥壳大端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；边缘应力无需加强：坐标点（

、α）位于图中曲线上方，厚度仍按式（4-51）需要加强：坐标点（

、α）位于图中曲线下方，厚度计算（4-52）边缘应力具有自限性，最大应力限制在3[σ]t内。按此条件求得的

及α之间关系见图4-19。一、受内压无折边锥壳图4-19确定锥壳大端连接处的加强图式中Di—锥壳大端内直径，mm；Q—应力增值系数，由图4-20查取；δr—锥壳及其相邻圆筒体的加强段的计算厚度，mm。锥壳加强段的长度L1：筒体加强段的长度L：与大端相类似，参见文献[2]。（3）锥壳小端：图4-20

锥壳大端连接处的Q值一、受内压无折边锥壳（1）锥壳厚度：仍按式（4-51）计算。（2）锥壳大端：厚度按式（4-53）、（4-54）计算，并取较大值：锥壳大端过渡段厚度：（4-53）式中K—系数，查表4-6（遇中间值时用内插法）。与过渡段相接处锥壳厚度：（4-54）式中f—系数，查表4-7（遇中间值时用内插法）；r—折边锥壳大端过渡段转角半径，mm。二、受内压折边锥壳r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.66440.61110.57890.54030.51680.500020°0.69560.63570.59860.55220.52230.500030°0.75440.68190.63570.57490.53290.500035°0.79800.71610.66290.59140.54070.500040°0.85470.76040.69810.61270.55060.500045°0.92530.81810.74400.64020.56350.500050°1.02700.89440.80450.67650.58040.500055°1.16080.99800.88590.72490.60280.500060°1.35001.14331.00000.79230.63370.5000表4-6

系数K值（3）锥壳小端：半顶角α≤45°：小端无折边：小端厚度按无折边锥壳小端厚度的计算方法计算；小端有折边：小端过渡段厚度需另行计算，见文献[2]。

r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.50620.50550.50470.50320.50170.500020°0.52570.52250.51930.51280.50640.500030°0.56190.55420.54650.53100.51550.500035°0.58830.55730.56630.54420.52210.500040°0.62220.60690.59160.56110.53050.500045°0.66570.64500.62430.58280.54140.500050°0.72230.69450.66680.61120.55560.500055°0.79730.76020.72300.64860.57430.500060°0.90000.85000.80000.70000.60000.5000表4-7

系数f值

α≤60°：按等效圆筒体计算；α＞60°：按平盖计算。假设锥壳名义厚度δne——计算锥壳有效厚度δec=（δnc-C）cosα——按外压圆筒体的图算法进行外压校核计算——以Le/DL代替L/Do，DL/δec代替Do/δe。（1）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定性问题，在必要时应设置加强结构。（2）锥壳与筒体连接处的外压加强设计Le：锥壳当量长度，有相应计算公式；DL：所考虑的锥壳段的大端外直径三、受外压锥壳理论分析：以圆平板应力分析为基础，分为周边固支或简支；实际上：介于固支和简支之间；工程计算：采用圆平板理论为基础的经验公式，通过系数K来体现平盖周边的支承情况，K值越小平盖周边越接近固支；反之就越接近于简支。这些平盖厚度可按下述方法计算：几何形状：圆形、椭圆形、长圆形、矩形及正方形等。平盖平盖的最大应力（4-55）考虑钢板拼焊由式（4-3）得圆形平盖厚度计算公式：（4-56）式中δp—平盖计算厚度，mm；K—结构特征系数，查表4-8；Dc—平盖计算直径，见表4-8中简图，mm。对于表4-8中序号6、7所示平盖，应取其操作状态及预紧状态的K值代入式（4-56）分别计算，取较大值。当预紧时[σ]t取常温的许用应力。一、圆形平盖厚度不同连接形式的非圆形平盖应采用不同的计算公式。（1）表4-8中序号3、4所示平盖，按式（4-57）计算（4-57）式中Z—非圆形平盖的形状系数，，且Z≤2.5；a，b—分别为非圆形平盖的短轴长度和长轴长度，mm。（2）表4-8中序号6、7所示平盖，按式（4-58）计算（当预紧时[σ]t取常温的许用应力）（4-58）二、非圆形平盖厚度直边高度L不小于50mm；弧半径r≥0.5δp，且封头与筒体连接处的厚度不小于与其相对接筒节的厚度。图4-21锻制平封头锻制平封头锻制平封头底部厚度δp：（4-59）式中η—开孔削弱系数，

∑di—Dc范围内沿直径断面开孔内径总和的最大值，mm。目录

4.1概述

4.2设计准则

4.3常规设计

4.4分析设计

4.5疲劳分析

4.6压力容器设计技术进展目录4.3.3封头设计4.3.4密封装置设计4.3.5开孔和开孔补强设计4.3.6支座和检查孔4.3.7安全泄放装置4.3.2圆筒设计4.3.1概述4.3.8焊接结构设计4.3.9压力试验可拆密封装置螺纹连接承插式连接螺栓法兰连接：螺栓—垫片—法兰密封系统本节主要内容密封机理及分类影响密封性能的主要因素螺栓法兰连接设计密封装置设计图4-22螺栓法兰连接结构1-螺栓；2-垫片；3-法兰依靠螺栓预紧力把两部分设备或管道法兰环连在一起，同时压紧垫片，使连接处达到密封。较好的强度和密封性，结构简单，成本低廉，可多次重复拆卸，应用较广。密封装置的失效形式主要表现为泄漏泄漏量控制在工艺和环境允许的范围内原理：性能：泄漏途径渗透泄漏界面泄漏通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏，除了受介质压力、温度、粘度、分子结构等流体状态性质影响外，主要与垫片的结构与材料性质有关，可通过对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成型来避免“渗透泄漏”。沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大小主要与界面间隙尺寸有关。压紧面就是指上、下法兰与垫片的接触面。加工时压紧面上凹凸不平的间隙及压紧力不足是造成“界面泄漏”的直接原因。“界面泄漏”是密封失效的主要途径。密封机理及分类一、密封机理（a）尚未预紧的工况将上、下法兰压紧面和垫片的接触处的微观尺寸放大，表面是凹凸不平的，这就是流体泄漏的通道。螺栓法兰连接的整个工作过程可用：图4-23（a）尚未预紧工况、（b）预紧工况、（c）操作工况来说明界面泄漏渗透泄漏（a）尚未预紧工况（b）预紧工况（无内压）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。（b）预紧工况预紧(无内压)时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件，此时垫片单位面积上所需的最小压紧力，称为“垫片比压力”，用y表示，也称为最小压紧应力，单位为MPa。在预紧工况下，如垫片单位面积上所受的压紧力小于比压力y，介质即发生泄漏。引入概念1“预紧比压y”：y值仅与垫片材料、结构与厚度有关。通入介质，压力上升（c）操作工况一方面，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（即压紧面上的压紧应力）下降；导致另一方面，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分离，使压紧面上的密封比压力仍能维持一定值以保持密封性能。（c）操作工况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，称为操作密封比压。操作密封比压往往用介质计算压力的m倍表示，这里m称为“垫片系数”，无因次。引入概念2“操作密封比压”：防止流体泄漏的基本方法在密封口增加流体流动的阻力泄漏时介质通过密封口的动力：密封口内外介质压力差泄漏时介质通过密封口的阻力：压紧面上的比压力垫片比压力y操作密封比压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。而介质通过密封口的阻力是借施加于压紧面上的比压力来实现的，作用在压紧面上的密封比压力越大，则介质通过密封口的阻力越大，越有利于密封。由以上分析，在确立法兰设计方法时，把预紧工况与操作工况分开处理，从而大大简化了法兰设计。为此，对两个不同的工况分别引进两个垫片性能参数，即“最小压紧应力”或“比压力”y以及“垫片系数”m。预紧比压y：定义为预紧(无内压)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，故也称最小压紧应力”，单位为MPa。y值仅与垫片材料、结构与厚度有关。垫片系数m：是指操作(有内压)时，达到紧密不漏,垫片所必须维持的比压与介质压力p的比值。不少生产实践和广泛的研究表明y和m值还与垫片尺寸，介质性质、压力、温度、压紧面粗糙度等许多因素有关，而且m与y之间也存在内在联系。1、按获得密封比压力方法的不同分类强制密封自紧密封半自紧式密封2、按被密封介质的压力大小中低压密封高压密封二、密封分类1、按获得密封比压力方法的不同a、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。特点：预紧力大，约为工作压力产生的轴向力的1.1～1.6倍。b、自紧式密封：主要依靠容器内部的介质压力压紧密封元件实现密封。特点：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20%以下。2、按被密封介质的压力大小中、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。半自紧式密封：轴向自紧式密封：径向自紧式密封：密封元件的径向刚度小于被连接件的径向刚度。密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度。属于非自紧式的强制式密封，但又具有一定的自紧性能，如双锥密封。主要影响因素一、螺栓预紧力二、垫片性能三、压紧面的质量四、法兰刚度五、操作条件影响密封性能的主要因素4.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。3.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。2.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。1.预紧力使垫片压紧实现初始密封。一、螺栓预紧力（3）垫片比压力y和垫片系数m：与垫片材料、结构与厚度关，还与

介质性质、压力、温度、压紧面粗糙度等因素有关，而且m和y

之间也存在内在联系。见表4－9，1943年Rossheim和Markl推荐而沿用至今。（1）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，并使预紧力不致太大；回弹

能力大的垫片，能适应操作压力和温度的波动（2）垫片应具有能适应介质的温度、压力和腐蚀等性能。二、垫片性能表4—9垫片性能参数表4—9垫片性能参数（续）压紧面又称密封面，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。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。三、压紧面的质量刚度不足：过大的翘曲变形，密封失效的主要原因之一。提高法兰刚度：增加法兰环的厚度、缩小螺栓中心圆直径、增大法兰环外径；采用带颈法兰或增大锥颈部分尺寸，提高抗弯能力。四、法兰刚度图4-24法兰的翘曲变形操作条件：指压力、温度及介质的物理化学性质对密封性能的影响。压力、介质在温度的联合作用下，尤其是波动的高温下，会严重影响密封性能，甚至使密封因疲劳而完全失效。特点：高温下，介质粘度小，渗透性大，易泄漏；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、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；某些非金属垫片还会加速老化、变质，甚至烧毁。原因：五、操作条件法兰分类方法较多按法兰接触面宽窄窄面法兰：法兰的接触面处在螺栓孔圆周以内宽面法兰：法兰的接触面扩展到螺栓孔圆周外侧按法兰应用场合容器法兰管法兰由此对应，法兰标准也有容器法兰和管法兰螺栓法兰连接设计一、法兰结构类型及标准（1）法兰结构类型法兰的基本结构形式按组成法兰的圆筒、法兰环、锥颈三部分的整体性程度分为：松式法兰整体法兰任意式法兰图4-25

法兰结构类型a、松式法兰★指法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。☆如活套法兰、螺纹法兰、搭接法兰等，这些法兰可以带颈或者不带颈，见图4-25（a）、（b）、（c）。●其中活套法兰是典型的松式法兰，其法兰的力矩完全由法兰环本身来承担，对设备或管道不产生附加弯曲应力。◆因而适用于有色金属和不锈钢制设备或管道上，且法兰可采用碳素钢制作，以节约贵重金属。◆但法兰刚度小，厚度较厚，一般只适用于压力较低的场合。b、整体法兰★将法兰与壳体锻或铸成一体或经全熔透的平焊法兰，见图4-25（d）、（e）、（f）所示。●这种结构能保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度可适当减薄，但会在壳体上产生较大应力。●其中的带颈法兰可以提高法兰与壳体的连接刚度，适用于压力、温度较高的重要场合。c、任意式法兰★从结构来看，这种法兰与壳体连成一体，但刚性介于整体法兰和松式法兰之间，见图4-25（g）、（h）、（i）。●其计算按整体法兰，当法兰颈部厚度δo≤15mm，法兰内直径Di/δo≤300，计算压力pc≤2MPa，t≤370℃时，可简化作为不带颈的松式法兰计算。●这类法兰结构简单，加工方便，故在中低压容器或管道中得到广泛应用。为简化计算、降低成本、增加互换性，世界各国都制订了一系列法兰标准。实际：应尽可能选用标准法兰。只有使用大直径、特殊工作参数和结构形式时才需自行设计。分类：管法兰、容器法兰。相同公称直径、公称压力的管法兰与容器法兰的连接尺寸各不相同，二者不能相互套用。选择法兰的主要参数是公称压力和公称直径。（2）法兰标准a.公称直径（DN）公称直径是容器和管道标准化后的尺寸系列，按国家标准规定的系列选用。容器法兰：是容器内径（用管子作筒体的容器除外）；是指名义直径，是与内径相近的某个数值，公称直径相同的钢管，外径是相同的，由于厚度是变化的，所以内径也是变化的，如DN100的无缝钢管有φ108×4、φ108×4.5、φ108×5等规格。管法兰：b.公称压力（PN）公称压力是压力容器或管道的标准化压力等级。指规定温度下的最大工作压力，并经过标准化后的压力数值。选取：与设计压力相近且又稍高一级的公称压力。当容器零部件设计温度升高且影响金属材料强度极限时，则要按更高一级的公称压力选取零部件。用PN表示，如PN0.25、PN4.0等。国际通用的公称压力等级有两大体系，即欧洲体系和美洲体系。Class系列中常用的公称压力等级有2.0MPa、5.0MPa、11.0MPa、15.0MPa、26.0MPa、42.0MPa等。欧洲体系常用PN系列表示公称压力等级，如PN2.5等，PN系列压力等级有0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0、16.0、25.0MPa等；美国等一些国家习惯采用Class系列表示公称压力等级，如Class150、Class600等。表4-10

PN系列与Class系列公称压力对照表PN2050110150260420Class15030060090015002500压力值/MPa2.0511152642c.容器法兰标准标准中给出了甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰等三种法兰的分类、技术条件、结构形式和尺寸，以及相关垫片、螺栓型式等。公称压力范围为0.25～6.4MPa，公称直径为300～3000mm。中国压力容器法兰标准为JB/T4700～4707《压力容器法兰》。d.管法兰标准国际上管法兰标准主要有两个体系，即欧洲体系（以EN1092.1~1092.4为代表）以及美洲体系（以ASME/ANSIB16.5《管法兰和附件》、B16.47《大直径钢法兰》标准为代表）。中国管法兰标准，主要有国家标准GB/T9112～9125《钢制管法兰》，机械行业标准JB/T74～90《管路法兰和垫片》以及化工行业标准HG/T20592～20635《钢制管法兰、垫片、紧固件》（包括欧洲体系和美洲体系）等。e.标准法兰的选用依据：根据容器或管道的公称直径、公称压力、工作温度、工作介质特性以及法兰材料进行选用。例：PN2.5长颈对焊法兰（JB/T4703），在-20～200℃时的允许工作压力为2.5MPa，但若将它用于400℃，它的最高允许工作压力为1.93MPa；若改用20号钢制造，则-20～200℃的允许工作压力为1.81MPa，而温度升高到400℃时，允许工作压力降低为1.26MPa。因此，选用的法兰压力等级应不低于法兰材料在工作温度下的允许工作压力。管法兰也有类似的规定，具体可参阅有关标准。容器法兰：公称压力——是以16Mn在200℃时的最高工作压力为依据制订的，因此当法兰材料和工作温度不同时，最大工作压力将降低或升高。螺栓法兰连接设计关键要解决两个问题1.保证连接处“紧密不漏”；2.法兰应具有足够的强度，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。密封性能：压紧面垫片二、法兰密封性面和垫片的选择(1)法兰压紧面的选择压紧面主要根据工艺条件、密封口径以及垫片等进行选择。全平面（a）突面（b）凹凸面（c）榫槽面（d）环连接面（或称梯型槽）（e）其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。形式：图4-26（a）全平面;（b）凸面;（c）凹凸面;

（d）榫槽面;（e）环连接面（T型槽）图4-26压紧面的形式突面压紧面：

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，适用于PN≤2.5MPa场合。带沟槽的（2～4条、宽×深为0.8mm×0.4mm、截面为三角形周向沟槽），防止非金属垫片被挤出，适用更广。

容器法兰可用至6.4MPa，管法兰甚至可用至25～42MPa，但随着公称压力的提高，适用的公称直径相应减小。榫槽压紧面：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、易爆和高度或极度毒性危害介质等重要场合。各压紧面结构简介凹凸压紧面：安装易于对中，有效防止垫片被挤出，适用PN≤6.4MPa的容器法兰和管法兰。选择：垫片的结构形式、材料、尺寸基本要求：垫片的材料不污染工作介质、耐腐蚀、具有良好的变形能

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4－11

垫片选用表）（2）垫片的选择根据：介质的压力、温度、腐蚀性和压紧面的形状，兼顾价格、制造、

更换是否方便等因素来选择螺栓法兰连接结构的失效模式既有强度失效又有密封失效，而这两种失效中，密封失效又是主要的失效模式。但由于首先被认识到的是结构的强度失效以及在研究基于密封失效的设计方法中所遇到的困难，长期以来，各国规范和标准主要采用了以弹性分析为基础的强度设计方法，使用最为广泛的是Waters法（或又称为Taylor-Forge法）。（1）Waters方法（沃特斯法）作用于法兰的螺栓载荷W、轴向流体静压力P1、P2及垫片反力P3都是已知的。图4-27(a)力的单位是N三、非标法兰设计方法简介图4-27(b)根据这些力计算出作用于法兰的外力矩，并将此外力矩由均匀作用于法兰环内外圆周的力P所组成的当量力偶来代替。将法兰分成壳体、锥颈和法兰环三部分，在壳体至锥颈、锥颈至法兰环两个边缘处，存在边缘力和边缘力矩。在力学分析上，将壳体部分作为圆柱薄壳，锥颈作为变厚度圆柱壳，法兰环作为薄圆环板进行计算。然后根据变形协调方程求得边缘力和边缘力矩，再分别由薄壳和薄板公式求出各部分应力。图4-27(c)沃特斯等人认为控制法兰强度的三个主要应力为法兰环上的最大径向应力和周向应力，以及锥颈上的最大轴向弯曲应力。上述理论求解过程十分繁琐，应力公式也很复杂，难以实现工程应用。工程上：在大量实验资料的基础上，把复杂的理论计算中要用到的各项系数绘制成一系列图表。计算法兰应力时，只需查用有关图表得到相应的系数值，即可算得各向应力并进行强度校核，因而形式简单，计算方便，是目前世界各国规范标准中主要采用的法兰设计方法。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，计算螺栓直径与个数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸，最后验算螺栓间距。内容：2）螺栓设计1）选择法兰结构按工艺操作条件所给出的压力、温度、介质的危害程度等确定法兰形式、密封面的形式、垫片种类和尺寸以及大部分法兰的结构尺寸。按Waters法进行法兰设计应按以下步骤：已知垫片材料的性能（m，y）及垫片的计算密封宽度，就可计算出一定直径和压力下垫片所需的压紧力。a.垫片压紧力预紧时：（4-60）式中Fa—预紧状态下，需要的最小垫片压紧力；b—垫片有效密封宽度；y—垫片比压力，由表4-9查得，MPa；DG—垫片压紧力作用中心圆计算直径，mm；当bo≤6.4mm时，DG等于垫片接触的平均直径；当bo＞6.4mm时，DG等于垫片接触的外径减去2b。（4-61）式中Fp—操作状态下，需要的最小垫片压紧力，N；

m—垫片系数，由表4-9查得；

pc—计算压力，MPa。操作时：需要的压紧力由操作密封比压引起，由于原始定义m时是取2倍垫片有效接触面积上的压紧载荷等于操作压力的m倍，所以计算时操作密封比压应为2mpc，则:关于（4-60）和（4-61）试中的有效密封宽度b和密封基本宽度bo:bo—垫片基本宽度（bo见表4－11）当bo≤6.4mm时，b=bo当bo＞6.4mm时，表4－11

垫片选用表0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2金属环垫环连接面451～53010、0Cr13、0Cr18Ni9金属齿形垫凹凸≤4506.410.00Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫凹凸41～4500Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸≤404.00Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫突（凹凸）201～450耐油橡胶石棉板、0Cr13钢带-石棉板耐油垫、缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫突（凹凸）≤2002.50Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫突（凹凸）201～250耐油橡胶石棉板、聚四氟乙烯板耐油垫、四氟垫突（凹凸）≤200≤1.6油品、油气，溶剂（丙烷、丙酮、苯、酚、糠醛、异丙醇），石油化工原料及产品材料型式垫片密封面工作温度/℃法兰公称压力/MPa介质0Cr13、0Cr18Ni9金属环垫环连接面45010.0紫铜板紫铜垫凹凸4006.43.5MPa0Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架、紫铜板缠绕垫、柔性石墨复合垫、紫铜垫3004.02.5MPa0Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫突≤2801.61.0MPa中压橡胶石棉板橡胶垫突≤2001.00.3MPa蒸汽中压橡胶石棉板橡胶垫突≤1501.6压缩空气中压橡胶石棉板橡胶垫凹凸≤1502.5氨0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2金属环垫环连接面401～5300Cr13、0Cr18Ni9金属环垫环连接面251～40010、0Cr13、0Cr18Ni9金属环垫环连接面≤2506.410.00Cr18Ni19钢带-石墨带、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2缠绕垫、金属齿形垫凹凸451～5300Cr18Ni19钢带-石墨带石墨-0Cr18Ni19等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸251～4500Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸≤2504.0氢气、氢气与油气混合物耐油橡胶石棉板、石墨-0Cr13等骨架耐油垫、柔性石墨复合垫突-20～04.0低温油气蒙乃尔合金带-石墨带、蒙乃尔合金板缠绕垫、金属平垫凹凸1704.0氢氟酸紫铜金属平垫2601.0环氧乙烷0Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫突≤502.5耐油橡胶石棉板耐油垫突≤501.6液化石油气0Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸≤450≥2.5中压橡胶石棉板橡胶垫突≤300≤1.6弱酸、弱减、酸渣、碱渣0Cr13钢带-石墨带缠绕垫环连接面≥1.6剧毒介质中压橡胶石棉板橡胶垫突≤300≤1.6水0Cr13（0Cr18Ni9）钢带-石棉板缠绕垫凹凸≤606.40Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸≤604.0中压橡胶石棉板橡胶垫突≤2001.6惰性气体表4-12

垫片密封基本宽度bo表4-12

垫片密封基本宽度bo（续）

预紧状态：（4-62）需要的最小螺栓载荷等于保证垫片初始密封所需的压紧力，式中Wa—预紧状态下需要的最小螺栓载荷，N；操作状态：需要的最小螺栓载荷，由二部分组成：介质产生的轴向力和保持垫片密封所需的垫片压紧力，即（4-63）式中Wp—操作状态下，需要的最小螺栓载荷，N；b.螺栓载荷计算原则：为了保证预紧和操作时都能形成可靠的密封，应分别求出两种工况下螺栓的截面积，择其大者为所需螺栓截面积，从而确定螺栓直径与个数。螺栓与螺母应采用不同材料或同种材料但不同的热处理条件，使其具有不同的硬度，螺栓材料硬度应比螺母高30HB以上。c.螺栓设计

预紧状态：

按常温计算，螺栓所需截面积Aa为（4-64）式中—常温下螺栓材料的许用应力，MPa。操作状态：

按螺栓设计温度计算，螺栓所需截面积Ap（4-65）式中—设计温度下螺栓材料的许用应力，MPa。Am=max（Aa，Ap）需要的螺栓截面积确定螺栓直径与个数do—螺纹根径或螺栓最小截面直径n—螺栓个数设计时：do与n是互相关联的未知数，算出螺栓根径do先假设螺栓个数nN应为偶数，最好是4的倍数实际螺栓截面积不小于Am保证将do圆整为螺纹标准公称直径螺栓公称直径一般不小于M12（4-67）dB—螺栓公称直径，mmδf—法兰有效厚度，mm查表4-13螺栓个数n：★个数多，垫片受力均匀，密封效果好。★个数太多，螺栓间距变小，可能放不下扳手，引起装拆困难。★法兰环上两个螺栓孔中心距=πDb/n应该在（3.5～4）dB

的范围。★个数太少，螺栓间距太大，螺栓孔之间将引起附加的

法兰弯矩，且垫片受力不均导致密封性下降，因此，

螺栓最大间距不超过。表4-13

LA、Le及螺栓间距的最小值3）法兰力矩计算同螺栓设计一样，计算法兰受到的扭矩也应考虑预紧和操作两个工况。在预紧工况中仅由垫片反力和螺栓力所产生的力矩作用在法兰上。这时，考虑到螺栓装配时预紧力矩的不确定性，标准中规定螺栓力为：

所产生的扭矩为：

式中Am–所需要的螺栓截面积，mm2；

Ab–实际的螺栓截面积，mm2；

LG–螺栓中心至垫片力作用点的距离，mm。（4-68）（4-69）操作工况下的法兰力矩Mp可通过作用在筒体和法兰环上的压力以及作用在密封面上的垫片反力对螺栓中心取矩得到。然后，取法兰设计力矩为：

中大值（4-70）其中—法兰材料在操作温度下的许用应力，—壳体或接管材料在操作温度下的许用应力。4）应力计算和校核锥颈上的最大轴向应力σH：取小值法兰环上的最大径向应力σR：针对不同部分应力性质不同，分别采用不同强度失效设计准则法兰环上的最大环向应力σT：

锥颈部分和法兰环所承受的力矩将重新分配，锥颈已屈服部分不能再承受载荷，其中大部分需要法兰环来承担，这就使法兰环的实际应力有可能超过以上的强度条件。因此为使法兰环不产生屈服，保证密封可靠，尚需对锥颈部分和法兰环的平均应力加以限制，即锥颈有少量屈服：及焊接法兰的角焊缝或活套法兰的支承凸缘处的切应力τ：预紧螺栓时：τ<0.8[σ]n操作情况下：τ<虽然到目前为止，包括美国、欧盟、日本以及中国等许多国家的压力容器规范都采用Waters法进行螺栓法兰连接接头的设计，但在使用中发现该方法存在以下问题：a）Waters法中所使用的垫片参数m和y都是在很早以前实验得到的数据，没有一个国家的规范对当前出现的新型垫片给出这两个数据，也没有对老的数据进行更新。这就阻碍了用该方法对采用了新型垫片的法兰结构进行设计。目前使用的垫片参数m和y是否反映了垫片的真实密封性能也不得而知；b）用Waters法无法对法兰结构的密封性能进行定量估计和设计，即用该方法无法得到在各工况下都能保证密封要求的装配时所需的螺栓力。Waters方法存在的问题重要性：高压密封装置的重量约占容器总重的10%～30%，而成本则占总成本的15%～40%，是高压容器设计的重要组成部分。基本组成：承力构件；大螺栓、螺纹套筒、内螺塞、抗剪销等密封元件；平垫、双锥环、八角垫、椭圆垫等

（1）金属密封元件，常用退火铝、退火紫铜和软钢：（2）窄面或线接触密封；（3）自紧或半自紧式密封,压力越高，密封越可靠。一、高压密封的基本特点高压密封结构二、高压密封的结构形式（1）金属平垫密封特点：强制式密封，主螺栓预紧，窄面金属平垫片。平垫材料：退火铝、退火紫铜或10号钢。适用范围：设计温度0～200℃设计压力上限35MPa

内直径上限1000mm图4-28平垫密封结构（2）双锥密封图4-30双锥密封结构特点：半自紧式密封，主螺栓预紧，双锥环径向自紧。双锥环材料：35、16Mn、20MnMo、15CrMo、S30408和S32168等的Ⅲ级或Ⅳ级锻件。软垫片和金属丝：银、退火铝、退火紫铜、柔性石墨等。适用范围：设计温度0～400℃；

设计压力范围6.4～35MPa；

内直径范围400～3200mm（原标准为2000mm）。（3）伍德密封特点：轴向自紧式密封，牵制螺栓预紧，线接触，预紧力小，温度压力波动场合密封性好。结构复杂、占高压空间大。适用范围：设计压力上限35MPa。图4-31伍德密封结构（4）卡扎里密封特点：强制式密封，装卸方便，安装预紧力较小介质产生的轴向力由螺纹套筒承担，不需要大直径主螺栓。锯齿螺纹加工困难。适用范围：设计压力上限35MPa图4-29外螺纹卡扎里密封结构内螺纹卡扎里密封改良卡扎里密封（5）八角垫和椭圆垫密封特点：自紧式密封，结构简单，易于安装，适用范围广。顶盖、端部法兰厚，结构笨重。适用范围：设计压力上限35MPa（6）高压管道密封形式强制式平垫密封自紧式径向自紧式—透垫自紧式特点：与容器密封一样，要求具有密封性能良好、制造容易、结构

简单合理、安装维修方便等特点。特殊：①管道将承受很大的附加弯矩或剪力；

②管较长，热膨胀值大，受温度波动影响大；③要便于拆卸。结构：密封面——管端加工成β=20°锥面，透镜垫圈——2个球面；预紧：拧紧螺栓，使透镜球面与管端锥面形成线接触密封，单位面积上的压紧力很大，使透镜垫与管端锥面之间有足够的弹性变形和局部塑性变形。工作：升压后透镜垫径向膨胀，产生自紧作用，使密封面贴合得更为紧密。高温型透镜垫：如图4-32（b）所示，有一个内环形空腔，当受内压