第四章化工设备的主要零部件

第四章化工设备的主要零部件目录法兰连接1开孔与补强2设备的支座3设备的安全附件4第一节法兰连接一、法兰联接的组成及应用◆法兰联接的组成法兰联接是由一对法兰、一个垫片、数个螺栓和螺母组成。法兰联接的组成法兰的外轮廓形状1—螺母；2—法兰：3—螺栓：4—垫片◆法兰联接的结构类型●按使用场合分：容器法兰：用于容器的壳体和封头连接的法兰，用于容器的筒节和筒节连接的法兰；管法兰：用于管道连接的法兰。●按法拦接触面的宽窄分宽面法兰：即螺栓孔两侧都有垫片----螺栓从垫片中穿过，主要用于中、低压设备上；窄面法兰：即螺栓孔一侧有垫片。●按法兰自身的结构型式分整体法兰：其结构将法兰与壳体锻或铸成一体或经全熔透的平焊法兰；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、搭接法兰等任意法兰：从结构来看，这种法兰与壳体连成一体，但刚性介于整体和松式法兰之间。●按法兰的外轮廓可分为圆形、方形、椭圆形二、法兰联接的密封法兰联接的密封就是在螺栓压紧力的作用下，使垫片产生变形填满法兰密封面上凹凸不平的间隙，阻止流体沿界面的泄漏，达到密封的目的。三、法兰的结构类型◆压力容器法兰的结构类型（JB4700~4707—2000）标准压力容器法兰有甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰三种类型压力容器法兰的密封面有平面型、凹凸型和榫槽型三种形式。压力容器法兰密封面形式◆管法兰的结构类型（HG20592~20614—1997）管法兰包括法兰盖共有七种类型，其中以板式平焊、带颈平焊和带颈对焊最为常用。管法兰的密封面共有突面、凹凸面、榫槽面、全平面和环连接面五种形式。常用管法兰类型管法兰密封面形式四、标准法兰的选用◆标准法兰基本参数公称直径、公称压力◆法兰的公称直径公称直径是为了使用方便将容器及管子标准化以后的标准直径，用“DN”表示。压力容器法兰的公称直径是指与法兰相配套的容器或封头的公称直径，对于用钢板卷制的圆筒公称直径就是其内径，对用无缝钢管制作的圆筒其公称直径指钢管的外径。管法兰的公称直径是指与其相连接的管子的名义直径，也就是管件的公称通径，它既不是管子的内径，也不是管子的外径，而是接近内外径的某个整数。◆法兰的公称压力法兰的公称压力是指某种材料制造的法兰，在一定的温度下所能承受的最大工作压力，用“PN”表示，是法兰承载能力的标志。压力容器法兰的公称压力是指在规定的螺栓材料和垫片的基础上，16MnR材料制造的法兰，在200℃时所允许的最大工作压力。对于管法兰当公称压力PN≤4MPa时，公称压力指20号钢制造的法兰在100℃时所允许的最高无冲击工作压力；当公称压力PN≥6.3MPa时，公称压力指16Mn钢制造的法兰在100℃时所允许的最高无冲击工作压力。◆法兰的选用法兰的选用就是根据容器或管道的设计压力、设计温度及介质特性等条件由法兰的标准来确定法兰的类型、材料、公称直径、公称压力、密封面的形式，垫片的类型、材料及螺栓、螺母的材料等。●压力容器法兰的选用步骤▲由法兰标准中的公称压力和容器的设计压力，按设计压力小于等于公称压力的原则就近靠一公称压力，若设计压力非常接近这一公称压力且设计温度高于200℃，则可提高一个公称压力等级，这样初步确定法兰的公称压力；▲由法兰公称直径、容器设计温度和以上初定的公称压力查表4-1，并考虑不同类型法兰的适用温度初步确定法兰的类型；▲由工作介质特性确定密封面形式，密封面类型代号见表4-9；▲由工作介质特性、容器的设计温度，结合容器所用材质对照法兰标准中规定的压力容器法兰常用材料确定法兰的材料；▲由法兰类型、材料、工作温度和初步确定的公称压力查表4-5或表4-6，得允许的最大工作压力；▲比较：若所得最大允许工作压力大于等于设计压力，则原初步确定的公称压力就是所选法兰的公称压力，若最大允许工作压力小于设计压力则提高公称压力或调换优质材料，使得最大允许工作压力大于等于设计压力，从而最后确定出法兰的公称压力和类型（因有时公称压力提高会引起类型的改变）；▲由法兰类型及工作温度查标准中的“法兰、垫片、螺柱、螺母材料匹配表”确定垫片、螺柱、螺母的材料。法兰选定后应予以标记，标记方法如下：标准号公称压力，MPa公称直径，mm密封面形式代号法兰类型代号●管法兰的选用步骤▲按管法兰与相连接的管子应具有相同公称直径的原则，确定管法兰的公称直径；▲先按同一设备的主体、接管、法兰应具有相同的设计压力的原则，确定法兰的设计压力，再按法兰设计压力小于等于公称压力的原则就近靠一公称压力，若设计压力非常接近这一公称压力则可提高一个公称压力等级，这样初步确定管法兰的公称压力；▲由公称直径、公称压力，查表4-2或管法兰标准中相关表格、结合介质特性确定管法兰类型和密封面形式；▲由公称压力和法兰材料（由接管材料和设计温度确定）查表4-7，得管法兰的最高无冲击工作压力；▲比较：若所得最高无冲击工作压力大于等于设计压力，则原初步确定的公称压力就是所选法兰的公称压力，若高无冲击工作压力小于设计压力则提高公称压力等级，使得最高无冲击工作压力大于等于设计压力，从而最后确定出管法兰的公称压力和类型（因有时公称压力提高会引起类型的改变）；▲查管法兰标准中“法兰、垫片、紧固件选配表”确定垫片、螺柱、螺母的材料。管法兰的标记方法如下：标准代号法兰法兰材料牌号钢管壁厚（可无），mm密封面形式代号公称压力，MPa公称直径，mm法兰类型代号第二节开孔与补强一、开孔类型及对容器的影响◆开孔类型为了实现正常的操作和安装维修，需要在设备的筒体和封头上开设各种孔。如物料进出口接管孔，安装安全阀、压力表、液面计的开孔，为了容器内部零件的安装和检修方便所开的人孔、手孔等。◆开孔对容器的影响●容器的整体强度削弱●由于设备结构的连续性被破坏，使孔边局部区域内出现应力集中。二、对容器开孔的限制◆当圆筒内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤Di/2，且d≤520mm；当圆筒内径Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤Di/3，且d≤1000mm。◆凸形封头或球壳上开孔时，开孔最大直径d≤Di/2。◆锥壳上开孔时，开孔最大直径d≤Di/3，Di为开孔中心处锥壳内径。◆在椭圆形或碟形封头的过渡区开孔时，孔的中心线宜垂直封头表面。◆壳体开孔满足下列全部条件时，可不另行补强（可不采取专门的补强措施）●设计压力不超过2.5MPa；●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；●接管外径不超过89mm；●接管最小壁厚满足表4-10的要求。三、补强结构◆常用的补强结构补强圈补强、厚壁接管补强、整锻件补强●补强圈补强补强圈补强又称贴板补强，在接管处容器的内外壁上围绕着接管焊上一个圆环板，使容器局部壁厚增大，降低应力集中，起到补强的作用。补强圈补强的应用条件▲被补强壳体材料的标准拉伸强度不超过540MPa；补强结构▲被补强壳体的名义厚度不超过38mm；▲补强圈的厚度不超过壳体的名义厚度的1.5倍。●厚壁接管补强厚壁接管补强就是在开孔处焊上一个特意加厚的短管，这样可有效地降低开孔周围应力集中的程度，采用的入式接管则补强效果更佳。厚壁接管补强的应用条件对大量使用的高强度低合金钢容器，大多采用这种结构。在用于重要设备时，焊缝应采用全焊透结构，在确保焊接质量的前提下，这种形式的补强效果接近整锻件补强。●整锻件补强整锻件补强是在开孔处焊上一个特制的整体锻件，补强金属集中在应力最大的部位，采用对接焊且使接头远离应力集中区域，补强效果最好、特别是抗疲劳性好。但锻件加工复杂、且成本高，所以只用在重要的设备上。如容器受低温、高温，交变载荷的较大开孔等。四、等面积补强的计算◆等面积补强法的原则在有效补强范围内的补强金属截面积要大于或等于开孔中心在壳体纵截面内开孔而被削弱的金属面积。◆等面积补强的计算●计算筒体或球壳上开孔后被削弱的金属截面积A筒体上开孔后被削弱的金属面积A是指筒体在轴向截面上开孔的投影面积。按下式计算)1(2retfdA等面积补强计算图●确定有效补强范围▲有效补强范围由于开孔处应力集中产生在孔周围很小的范围内，所以只有在此范围内的补强金属才有效，称之为有效补强范围。▲有效宽度B取两者中的较大值ntndBdB222▲外侧有效高度h1取两者中的较小值▲内侧有效高度h2取两者中的较小值●计算有效补强范围内可以用来补强的金属截面积A1—壳体的有效厚度减去计算厚度之外多余的金属面积；接管实际外伸高度11hdhnt接管实际外伸高度11hdhntA2—接管有效厚度减去计算厚度之外多余的金属面积；A3—有效补强区内焊缝的截面积，具体计算见图。以上A1、A2和A3三部分有效补强面积都不是由补强圈提供的，如果A1+A2+A3≥A，则开孔后不需另行补强；如果A1+A2+A3＜A，则开孔后需要另行补强，所增加的补强金属截面积为A4，应满足：)1)((2))((1reetefdBAretrtetfChfhA)(2)(22212由上式可得补强圈的厚度为注意：补强时，所使用的补强材料一般需与壳体材料相同，若补强材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补强面积应随壳体材料与补强材料许用应力之比而增加；若补强材料许用应力大于壳体许用应力，则所需补强面积不得减少。对于椭圆形、碟形封头的开孔补强计算可参见GB150中的有关规定。)(3214AAAAA124DDAc五、标准补强圈及其选用◆标准补强圈为了使补强设计和制造更为方便，中国对常见的补强圈及补强管制定了相应的标准，补强圈标准为HG21506，补强管标准为GHJ527。标准补强圈的直径和厚度就是按等面积补强法计算而得出的。◆标准补强圈结构根据内侧焊接坡口的不同，补强圈分为A、B、C、D、E、F六种结构.标准补强圈结构◆补强圈结构的适用范围A型适用于无疲劳、无低温及大的温度梯度的一类压力容器，且要求设备内有较好的施焊条件。B型适用于中压、低压及内部有腐蚀的工况，不适用于高温、低温、大的温度梯度及承受疲劳载荷的设备。S取管子名义壁厚的0.7倍，一般δnt=δn/2(δnt为接管名义厚度；δn为壳体名义厚度)。C型适用于低温、介质有毒或有腐蚀性的操作工况，采用全焊透结构，要求当δn≤16mm时，δnt≥δn/2；当δn＞16mm时，δnt≥8mm。D型适用于壳体内不具备施焊条件或进入设备施焊不便的场合，采用全焊透结构，要求当δn≤16mm时，δnt≥δn/2；当δn＞16mm时，δnt≥8mm。E型适用于储存有毒介质或腐蚀介质的容器，采用全焊透结构，要求当δn≤16mm时，δnt≥δn/2；当δn＞16mm时，δnt≥8mm。F型适用于中温、低温、中压容器及盛装腐蚀介质的容器，要求当δn≤16mm时，δnt≥δn/2，当δn＞16mm时，δnt≥8mm，且接管公称直径DN≤150mm.◆标准补强圈的选用若需采用补强圈补强，可采用以下程序来选择标准补强圈：●确定补强圈的尺寸；●由设备的工艺参数决定补强圈的结构；●补强圈材料取与被补强壳体材料相同。六、人孔、手孔及接管◆人孔和手孔●人孔和手孔的设置条件为了设备内部构件的安装和检修方便，需要在设备上设置人孔或手孔。当容器的内径为450～900mm时，一般不考虑设置人孔，可开设1～2个手孔；内径大于900mm时至少应设置一个人孔；设备内径大于2500mm时，顶盖与筒体上至少应各开设一个人孔。●化工设备上常用的人孔结构回转盖板式平焊人孔1—筒节；2—螺栓；3—螺母；4—法兰；5—垫片；6法兰、7—把手；8—轴销；9—销；10—垫圈；11、14—盖轴耳；12、13—法兰轴耳水平吊盖带颈对焊法兰人孔1—筒节；2—法兰；3—垫片；4—法兰盖；5—螺柱；6—螺母；7—吊环；8—转臂；9—垫圈；10—螺母；11—吊钩；12—环；13—无缝钢管；14—支承板垂直吊盖带颈平焊法兰人孔1—法兰盖；2—垫片；3—法兰；4—螺柱；5—螺母；6—筒节；7—把手；8—吊环；9—吊钩；10—螺母；11—垫圈；12