(整理)压力容器零部件

--------------------------年过程装备通用零部件南京工业大学过程装备与控制工程研究所董金善压力容器（过程装备）零部件是容器不可缺少的组成部分。压力容器特定的操作条件不仅要求其主体必须满足设计要求，而且零部件也应符合结构、材料、性能等方面的要求。作为受压元件的零部件，如同壳体一样，应纳入质量管理与保证的监控范围。所以能否按照要求合理地选用各零部件，对压力容器的整体质量和确保安全使用有着十分重要的意义。为了便于组织生产，降低成本，利于互换，我国各有关部门对压力容器零部件进行了标准化和系列化工作，并制定了国家标准和满足行业特点的行业标准。随着经济的发展和生产技术的不断提高曾多次修定，目前已日臻完善。压力容器零部件种类很多，涉及面较广，但总体可以分为两类：1通用零部件。如筒体、封头、法兰、支座、人孔与手孔、安全附件等。2各种典型化工设备零部件。包括搅拌器、机械密封、填料密封、管板、塔盘等。一、筒体1.1钢制焊接压力容器的筒体按GB9019—1988《压力容器公称直径》，筒体用钢板卷制时，容器公称直径按表1-1规定，此公称直径指筒体的内径。表1-1压力容器公称直径mm3003504004505005506006507007508009001000110012001300140015001600170018001900200021002200230024002500260028003000320034003600380040004200440046004800500052001.2钢管作筒体钢管作筒体的容器，公称直径按表1-2规定，此公称直径系指钢管的外径。表1-2mm159219273325377426二、封头在中、低压压力容器中，与筒体焊接连接而不可拆的端部结构称为封头，与筒体以法兰等连接的可拆端部结构称为端盖。通常所说的封头则包含了封头和端盖两种连接形式在内。压力容器的封头或端盖，按其形状可以分为三类，即凸形封头、锥形封头和平板封头。凸形封头包括：半球形，椭圆形，碟形和球冠形.其中平板封头在压力容器中除用做人孔及手孔的盖板以外，其他很少采用；凸形封头是压力容器中广泛采用的封头结构形式；锥形封头则只用于某些特殊用途的容器。JB/T4746－2002《钢制压力容器用封头》封头EHA1000×10JB/T4746－2002内径为基准的椭圆形封头封头EHB273×6JB/T4746－2002外径为基准的椭圆形封头--------------------------封头DHA2400×20JB/T4746－2002r=0.15Di的碟形封头封头DHB2400×20JB/T4746－2002r=0.1Di的碟形封头封头CHA1000×8JB/T4746－2002α=30º的无折边锥形封头封头CHB1000×8JB/T4746－2002α=45º的无折边锥形封头封头CHC1000×8JB/T4746－2002α=60º的带折边锥形封头封头PSH1000×8JB/T4746－2002球冠形封头三、法兰法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。缺点是不能快速拆卸、制造成本较高。法兰分类法兰分类主要有以下方法：1按其被连接的部件分为管法兰和容器法兰。2按法兰接触面的宽窄可分为窄面法兰和宽面法兰。a宽面法兰是指垫片接触面分布于法兰螺栓中心圆内外两侧的法兰连接，一般用于压力很低场合。b窄面法兰是指垫片接触面位于法兰螺栓孔包围的圆周内的法兰连接。3按整体性程度分为整体法兰、松式法兰和任意式法兰。a整体法兰：指法兰环、颈部及圆筒三者有效地连接成一整体的法兰，共同承受法兰力矩的作用。b松式法兰：指法兰与圆筒未能有效地连接成一整体的法兰，计算中认为法兰力矩完全由法兰环本身来承担。典型松式法兰有活套法兰。c任意式法兰：指整体性程度介于上述二者间的法兰。其圆筒与法兰环虽未形成一整体结构，但可作为一个接构元件，共同承受法兰力矩。法兰连接设计法兰连接设计分为三部分：垫片设计、螺栓设计和法兰设计。a垫片设计：应根据设计条件和使用介质，选定适当垫片种类、材质、并确定垫片尺寸（内径和外径），以此计算预紧和操作状态下压紧力。b螺栓设计：在选用适当螺栓材料基础上，根据垫片所需压紧力分别计算螺栓面积，取大者作计算面积，实际螺栓面积应不小于计算面积。螺栓设计的关键是须确定一尽可能小螺栓中心圆直径，通过试算合适螺栓规格和数量进行。c法兰设计。垫片强制密封有两个条件：预紧密封条件和操作密封条件。法兰连接在形成预紧密封条件时，垫圈单位面积上的压紧力称为垫片的密封比压力，用y表示。垫片材料越硬，y越高。法兰连接在形成操作密封条件时，垫圈单位面积上的压紧力与其内压力的比值，称为垫片系数，用m表示。m随垫片硬度增大而增大。密封面主要根据工艺条件、密封口径以及垫片等进行选择。形式有:全平面（FF）、突面（RF）、凹凸面（MFM）、榫槽面（TG）及环连接面（或称梯型槽）（RJ）等；其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。--------------------------图3-1各密封面结构简介突面法兰密封面具有结构简单，加工方便，且便于进行防腐衬里等的优点，由于这种密封面和垫片的接触面积较大，如预紧不当，垫片易被挤出密封面。也不宜压紧，密封性能较差，适用于压力不高的场合，一般使用在PN≤2.5MPa的压力下。凹凸面法兰密封面相配的两个法兰结合面是一个凹面和一个凸面。安装时易于对中，能有效地防止垫片被挤出密封面，密封效果优于平面密封。榫槽面法兰密封面相配的两个法兰结合面是一个榫面和一个槽面。密封面更窄。由于受槽面的阻挡，垫片不会被挤出压紧面，且少受介质的冲刷和腐蚀。安装时易于对中，垫片受力均匀，密封可靠，适用于易燃、易爆和有毒介质的运用。只是由于垫片很窄，更换时较为困难。法兰强度校核（GB150-1998P97）1.轴向应力：对整体法兰（除图9-1（c）、（g）外）：σH≤1.5［σ］ft与2.5［σ］nt小值。［σ］ft是法兰材料在设计温度下的许用应力，［σ］nt是壳体或接管材料在设计温度下的许用应力。对按整体法兰计算的任意法兰及图9-1（g）所示的整体法兰：σH≤1.5［σ］ft与1.5［σ］nt小值。对图9-1（c）所示的整体法兰：σH≤1.5［σ］ft2.环向应力：σT≤［σ］ft3.径向应力：σR≤［σ］ft4.组合应力：σH+σT≤2［σ］ft及σH+σR≤2［σ］ft5.剪应力：在预紧和操作两种状态下的剪应分别小于或等于翻边（或圆筒）材料在常温和设计温度下许用应力的0.8倍。--------------------------图3-2（一）、压力容器法兰JB4701~4707-2000《压力容器法兰》包括：法兰、垫片及等长双头螺柱等8个标准。其中法兰分三种：甲型平焊法兰、乙型平焊法兰及长颈法兰。标准适用范围：公称压力0.25MPa至6.40MPa，工作温度-70℃至450℃的碳钢、低合金钢制压力容器法兰。标准中甲、乙型法兰是以板材16MnR，工作温度为200℃时的最大允许工作压力为公称压力作基准；长颈法兰是以锻材16Mn，工作温度为200℃时的最大允许工作压力为公称压力作基准。在同一公称压力下，温度升高或降低，允许的工作压力可以相应地降低或提高；若温度不变而所选的材料不同，则允许的工作压力也不同。(1)甲、乙型法兰的比较甲型法兰，特别是当与其相连接圆筒较薄时，由于在圆筒与法兰环焊缝上存在很高的轴向应力σH，为降低其应力，通常可采取两种处理方法：（1）增加法兰厚度。由于法兰厚度对σH的作用并不明显，因此往往需要增加较大的法兰厚度才能使σH的满足要求。计算表明，此法效果不明显。（2）增加圆筒和焊缝厚度（此结构类似乙型法兰设计结构）。可明显降低σH值。乙型法兰较甲型法兰有较大强度优势，乙型法兰的使用范围比甲型法兰扩大了许多。(2)乙型法兰与长颈对焊法兰比较乙型法兰由于直接加大了圆筒及锥颈的尺寸，对降低σH起着积极的作用，σH的最大值往往发生于锥颈的小端端面上。为有效地降低此起比控制作用的小端σH，更为直接的办法是拉开小端与大端距离，即加长锥颈的长度，使σH在锥颈上有较大的衰减，使σH满足许用应力要求。对于平焊法兰来说，其锥颈长度取决于焊缝高度。由于焊缝高度是有限的，这就限制了较大地降低小端σH的可能。而锻制法兰可具有较大的锥颈，从而有效地降低其小端σH。长颈法兰较乙型法兰有较大强度优势，长颈法兰的使用压力等级及尺寸范围比乙型法兰大。h1RTfh锥颈小端锥颈大端1TRfHH--------------------------(3)锥颈及法兰环尺寸对法兰应力影响锥颈及法兰环尺寸对法兰三项主要应力σH（轴向应力）、σR（径向应力）、σT（环向应力）的影响关系较为复杂。增加锥颈尺寸，可以明显降低σH，σT↘（影响较小），σR↗。增加法兰环厚度，可以明显降低σR，σH↘（影响较小），对σT影响更小，且作用效果并不肯定。由此可见：法兰设计中σH过大或过小时，应调整锥颈尺寸；法兰设计中σR过大或过小时，应调整法兰环厚度尺寸；法兰设计中σT过大或过小时，应调整锥颈尺寸。以上根据法兰不同应力的情况，分别调整“颈”和“环”的做法。法兰设计优化原则：法兰设计应使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材料在各--------------------------个方向的强度都得到较充分的发挥。(4)法兰设计时，须注意以下二点：①外压法兰与内压法兰其他设计条件相同时，外压法兰所需螺栓面积较小，法兰力矩值小，法兰厚度小。因此一般外压法兰可以按同等压力的内压法兰选用是安全的。②宽面法兰与窄面法兰宽面法兰压紧面积大，特别在操作状态下所需的螺栓载荷较大，所以所需螺栓面积较大，同等设计条件下，宽面法兰所需螺栓面积是窄面法兰的数倍；宽面法兰计算模型将法兰作为沿宽度视作一简支梁考虑，窄面法兰将法兰环作为沿圆周均布作用力矩的环板考虑，而宽面法兰受力较好，因此法兰较薄。但是由于在压力较高的场合下，螺栓太多会发生布置困难或螺栓中心圆直径太大，法兰径向尺寸极不紧凑。另外宽面法兰密封效果不好。因此一般用于压力很低场合。（5）法兰类型与垫片、螺柱、螺母材料匹配垫片是整个法兰连接的基础。垫片材质和型式决定了所需配置螺柱及螺母的要求，同时也直接影响到法兰结构的型式及其所需强度尺寸。甲型平焊法兰一般采用钢板制作，由于其最大厚度有限，所以只能适用于低压情况，为此只宜配用软垫片，如石棉橡胶板，匹配螺柱螺母材料均为Q235-A。对于乙型平焊法兰和长颈对焊法兰标准中，对PN1MPa的情况下，采用软垫片所需螺栓载荷较小，因此配置螺柱材料为35钢等；对PN≥1MPa的情况下，由于螺栓载荷逐步变成受操作压力控制。压紧垫片所需螺栓载荷相对为平衡内压轴向力所需的螺栓载荷为小（尤其在大规格直径螺栓规格时），因此采用不同垫片时，它们螺栓载荷相差不很大，标准中允许采用相同的螺柱配置并以要求较大螺栓载荷的垫片进行考虑，螺柱材料为40MnB或40Cr等，可供匹配垫片包括石棉橡胶板、缠绕垫和包垫。对于高应力和较大直径规格的法兰，由于所需螺栓载荷很大，因此采用了高强度的螺柱材料：40MnVB和35CrMoA，以保证法兰有较紧凑的结构尺寸，受力合理，允许匹配的材料包括上述三种。(6)法兰腐蚀裕量根据标准法兰长期使用经验，可以认为本标准能适应≤2mm的腐蚀裕量。对于乙型法兰，当法兰材料对使用介质的腐蚀裕量超过2mm小于3mm时，应加厚短节2mm。长颈对焊法兰的适用腐蚀裕量不大于3mm。（7）对法兰材料的要求乙型平焊法兰的强度是按整体法兰进行考虑的，短节材料不仅应具有良好的焊接性，而且直接影响到法兰强度，乙型法兰短节的材料及其制造、检验和验收等方面要求与对接的圆筒相同。对法兰材料进行正火或完全退火的目的是细化晶粒，改善韧性。参照ASMEVIII和GB150，对15MnVR钢板和厚度大于50mm的20R、16MNR钢板制作的法兰及长颈对焊法兰（轧制和锻制）提出了正火状态下的使用要求。法兰短节材料应与法兰材料相同。如不相同，其强度级别应不低于