化工设备-10

CHAP.10压力容器零部件与标准10.1压力容器法兰连接法兰连接的密封原理法兰受力分析法兰分类压力容器法兰标准(JB/T4700~4707-2000)10.2管法兰连接管法兰密封垫片紧固件10.3开孔补强与设备凸缘容器接管附近的应力集中补强结构与计算容器上开孔及补强的有关规定设备凸缘10.4容器支座卧式容器支座立式容器支座10.5人孔、手孔、视镜和液面计人孔和手孔视镜和液面计前面几章,我们主要讨论了内压容器筒体和封头的结构设计和强度计算中的一些共性问题。本章将讨论压力容器其他零部件——法兰、支座、人孔、安全附件等的强度问题。因为这些零部件应用很普遍。为了方便设计，减少计算工作的繁复，对于一定压力和尺寸范围内使用的零部件，国内外制定了零部件标准，只有少数超出标准范围的才需要计算。因此，本章要求：1学习法兰、支座、人孔或手孔、安全附件标准的制定依据。2具体选用标准，逐步熟悉标准、手册。10.1压力容器法兰连接常用的可拆结构有：法兰连接、螺纹连接、插套联接。其中法兰联接有较好的强度和紧密型，且适用范围广，所以法兰联接用之最普遍。缺点是装拆不方便，成本较高。化工设备可拆结构要求：1保证紧密性：在工作压力、温度下不产生泄漏，密封可靠。2足够的强度：联接可靠、结构合理。3便于拆装。4、成本低。P0一、法兰连接的密封原理1、组成一对法兰，数个螺栓和一个垫片（圈）组成。法兰：简单说是一个圆环，上开螺栓孔，与筒体或管子焊在一起。2、密封原理我们知道，阻止压力介质泄漏的基本要求是：压力介质通过密封口处的阻力降大于密封口两侧的介质压力差。否则，介质可能通过密封口向外界泄漏，即密封失败。密封原理分为两个阶段：（1）预紧阶段建立预紧密封条件螺栓力通过法兰压紧力达到某一值时，借助于垫圈的变形，把法兰密封面上的凹凸不平处填满，这样就建立了初始密封条件。达到预紧密封条件时，垫圈单位面积上的压紧力称为垫圈的预紧密封比压y。图(b)预紧时图(c)工作状态（2）工作阶段建立工作密封条件工作时，在介质压力作用下，螺栓受到进一步拉伸，法兰压紧面沿着彼此分离的方向移动，密封面与垫圈的压紧力下降。若垫圈具有足够的回弹能力，能补偿螺栓和压紧面的变形，则预紧密封比压就会下降到某一值——工作密封比压，密封可靠。若垫圈的回弹能力不足，则预紧密封比压下降到工作密封比压之下，密封失效——泄漏。通常，实际工作压力要小于工作密封比压，这样更安全。为此，我们定义垫圈系数：•（1～6）()=1m工作密封比压垫圈系数实际工作压力预紧密封比压y表示垫片在预紧状态下实现密封的难易程度。垫圈系数m表示垫片在工作状态下实现密封的难易程度。m、y与垫圈的材料、型式、厚度有关；一般由实验测知，不同垫圈的m、y可查有关表格。根据m、y及垫圈尺寸，我们可以计算螺栓力，设计螺栓尺寸及法兰。3、影响密封的因素（1）螺栓预紧力1、提高螺栓预紧力，可以增加垫片的密封能力；2、减小螺栓直径，增加螺栓个数，使得螺栓力均匀地作用在垫圈上，有利于密封；3、螺栓太大，将垫圈压坏挤出，密封失效。（2）垫圈性能1、垫圈变形能力好，有利于密封（与材料有关）；2、垫圈的回弹能力好，有利于密封。（3）压紧面型式（密封面型式）压紧面又称密封面，密封面越窄，密封性能越好，线密封更好，但更换垫片困难。密封面不允许有径向刀痕，密封面光洁度要求（粗糙度）。（4）法兰刚度与法兰厚度、螺栓中心圆、法兰外径都有关。增大厚度，减小螺栓中心圆，增大法兰外径都可提高法兰刚度，对密封有利。（5）操作条件（温度、压力、介质）高温介质粘度小，易渗漏；高压下，易渗漏。二、法兰受力分析1、法兰所受外力（1）预紧时(如右图a)T1：螺栓预紧力（沿螺栓圆周中心线等距离分布）N1：垫片作用力，沿垫圈圆周均布显然，T1=N1，所以内圈的N1和外圈的T1构成了力偶作用在法兰上。（2）、工作时(如右图b)T2：螺栓力T2T1N2：垫片反力N2N1Q：介质压力在筒壁上产生的轴向力Q＋N2＝T2T2与（Q＋N2）构成力偶M2、法兰力偶矩法兰在外力作用下，将产生力偶矩M。M的作用下的法兰截面发生转动。由于壳体（接管）与法兰的刚度不同，在联接边缘将产生边缘力及力矩Q0、M0，将产生较大的弯曲应力和较小的剪力。法兰设计时，弯曲应力是主要的。如下图所示：所以，法兰设计应尽量减小弯曲应力：(1)减小外力矩的力臂，以缩小螺栓圆直径；(2)增大法兰厚度；(3)采用带颈法兰（如右图）。3、法兰的三个应力对法兰强度起主要作用的三个应力都是弯曲应力，而弯曲应力的大小又与受弯构件厚度的平方成反比，所以决定法兰强度大小的关键尺寸是法兰盘的厚度。对于带颈法兰，增加颈的厚度对提高法兰强度会有比增加法兰盘厚度更好的效果。（P249（3））32.2()crePEDoDoLDoeEPcr5.2)(6.232.2()crePEDo三、法兰分类1、按垫片位置分：窄面法兰：垫片位于螺栓中心圆内侧（下图a）宽面法兰：垫片位于螺栓中心圆二侧（下图b）(a)(b)2、按用途分类：压力容器法兰JB/T4700～4707－2000管法兰HGJ44～76－91(老标准)HG20592～20635－97(新标准)其中HG20592～20614－97是对HGJ44～76－91修订、合并而成,欧洲体系；HG20615～20635－97美洲体系是以ANSIB16.5、B16.47为管法兰参照标准。3、按其整体性分类（1）松式法兰法兰未能有效地与容器或管子连接成一整体，计算中认为容器接管不与法兰共同承受法兰力矩。典型的松式法兰——活套法兰。（2）整体法兰法兰盘、法兰颈部及容器或管道三者能有效地连接成一个整体结构，共同承受法兰力矩。例：长颈对焊法兰。（3）任意式法兰介于上述二者之间，法兰盘与筒体焊接。计算时，根据具体情况，可用整体法兰计算，也可用松式法兰方法计算。例：平焊法兰（甲、乙型平焊法兰）。在上述分析的基础上，目的在于合理的选用标准法兰。4、按密封面分类（1）平面（2）凹凸面（3）榫槽面2.50()2.2()2.6eeDoEELDDo1.17creDLD1.17creDLD四、压力容器法兰标准（JB／T4700～4707－2000）1压力容器法兰类型NNJB/TDmmP0.251.6Mpat350JB/T47022000甲型平焊法兰4701－2000法兰盘与壳体不能很好受力，适用于筒径小、低压场合2000，～，℃平焊法兰乙型平焊法兰－容器法兰NNDmmP0.254.0MPatJB/T法兰盘＋圆柱短节，受力较好，适用于较大直径，较高压力的场合300～3000，～，350℃对焊法兰:长颈对焊法兰4703－2000（增厚短颈代替了乙型法兰的短节）NNPMPaDmmt适用于0.6～6.4，300～2000，450℃2法兰的结构密封面的型式有三种：(1)平面密封面适用于低压且介质无毒场合，有时在平面上开设2～3条沟槽，可以设计成PⅠ、PⅡ、PⅢ型。(2)凹凸密封面由1个凹面与1个凸面组成。适用于中压、有毒及有对中要求的场合。设备上一般使用凹面。(注意凹凸面法兰对中情况的使用。)(3)榫槽面由1个槽面和1个榫面组成，配对使用，密封压力高，加工困难。用于高压、易燃、剧毒的特殊场合。（使用过程中注意保护密封面）•上述三种结构见书上图（P250图10-5）。甲型平焊法兰只有平面型、凹凸面型。乙型与长颈法兰，三种密封面形式均有。甲型、乙型平焊法兰、长颈法兰材质选用碳钢、低合金钢、不锈钢等材料制作。对于不锈钢法兰可以采用带衬环结构法兰，衬环法兰也可做成平面、凹凸面、榫槽面法兰三种。对衬环要求：1衬环必须具备足够厚度；2、衬环与法兰贴合面间焊缝须检查焊缝的气密性。开十子通孔以便通入压缩空气进行检查。3容器法兰的尺寸系列(1)、容器法兰选用的两个基本参数（1-1）法兰的公称直径DN法兰DN指与法兰相配的筒体或封头的公称直径。钢板卷制的圆筒，DN＝圆筒内直径Di。（1-2）法兰的公称压力PNPN是指在规定的设计条件下，在确定法兰结构尺寸时所采取的设计压力。PN（MPa）0.25，0.60，1.00，1.60，2.5，4.0，6.4见表10－1(2)、容器法兰尺寸系列表10－2～表10－8给出了全部七个压力级别的法兰尺寸及质量。(3)、确定法兰尺寸的计算基础法兰尺寸确定是以16MnR或16Mn鍛件，设计温度200℃的许用应力作为强度基础设计出来的。(4)、容器法兰的最大允许工作压力法兰尺寸实际上是由一系列特定的设计条件确定的，其尺寸按照PN和DN唯一确定。在法兰使用前，首先要确定欲选法兰的公称压力。如果选用法兰材料16MnR，法兰工作温度200℃，那么法兰的设计压力就是法兰的最大允许工作压力。当法兰材料比16MnR差，或温度≥200℃时，则P允许就会低于其公称压力。(5)、法兰查取、示例及标记（5-1）按表10－1初定法兰结构类型（甲、乙或长颈）（DN，P）；（5-2）根据P,t及材料来确定表10－10或表10－11中PN；（5-3）PN，DN返回表10－1，看法兰类型是否包含确定的PN，DN；（5-4）由PN，DN从表10-2～10-8选取尺寸。例10-1题略（a）法兰类型DN＝1000，p＝0.2MPa，表10-1选甲型平焊；（b）p＝0.2MPa，t＝280℃，查表10-10（1）当材料为20R时，若PN＝0.25MPa，300℃时允许[p]=0.15Mpa,故应定PN=0.6MPa；（2）若材料为16MnR，定PN＝0.25MPa，300℃时允许[p]=0.21MPap,所以PN＝0.25MPa。（c）根据以上，确定结构尺寸。（d）法兰标记20R法兰－RF1000－0.6JB/T4701-200016MnR法兰－RF1000－0.25JB/T4701-2000（6）、垫片(6-1)、非金属软垫片（JB/T4704-2000）P265(6-2)、缠绕式垫片（JB/T4705-2000）P266(6-3)、金属包垫片（JB/T4706-2000）P268（7）压力容器等长双头螺柱（JB/T4707-2000）(7-1)、A、B型之分当法兰与螺柱间在工作状态下温差较大时，应选用B型螺栓。(7-2)、法兰、螺柱、垫片、螺母材料匹配表。见表10-15。P271法兰习题:为一分馏塔筒体选配法兰,分馏塔内径Di＝1200mm，,操作温度t＝300℃,设计压力p＝0.5MPa,法兰材料Q235-B,介质空气.试确定法兰类型并标注.6nmm10.2管法兰连接一、管法兰1、管法兰类型与密封面型式HG管法兰共有八种类型和两种法兰盖：板式平焊法兰（PL）、带颈平焊法兰（SO）、带颈对焊法兰（WN）、整体法兰（IF）、承插焊法兰（SW）、螺纹法兰（TH）、对焊环松套法兰（PJ/SE）、平焊环松套法兰（PJ/PR）、法兰盖（BL）、衬里法兰盖［BL(S)］。最常用的三种：PL、SO、WN型2、管法兰尺寸与质量表10-18、表10-18（A）所示为管法兰尺寸（1）板式平焊法兰（HG20593-1997）PLRF＋FFPN≤2.5MPa，不用于有毒、易燃易爆和较高真空度要求的化工工艺配管系统。（2）带颈平焊法兰（HG20594-1997）SOPN≤4.0MPa，FF+RF+MFM+TG（3）带颈对焊法兰（HG20595-1997）WNPN1.0MPa～25MPa3、管法兰、法兰盖的材料及其允许承受的最高无冲击压力（1）管法兰材料：一般采用煅件，不推荐使用钢板（板式平焊法兰可有条件采用）。（2）法兰盖材料：20RR,16MnR.15CrMoR以及各种不锈钢板（多用作衬环或衬里）。（3）法兰的最高无冲击压力：在原HG际准中制造法兰的材料种类较少，HG标准中将制造管法兰的材料增至11种。由于法兰的尺寸是根据其公称压力和公称直径确定的，所以法兰材料不同时，法兰历允许承受的最高无冲击压力也将不同。表10-29给出了不同材料制造的法兰，在不同温度下的最高无冲击压力值。从各表可见