第六章 容器零部件设计

第六章容器零部件设计主要内容：法兰联接结构与密封原理；法兰标准及选用。容器支座的类型和其它附件的结构与应用。开孔补强的原理与方法。第一节法兰联接生产工艺要求，或为制造、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：法兰联接螺纹联接承插式联接。可拆卸联接应确保接口密封的可靠性。法兰联接强度较好和紧密性，适用尺寸范围宽，设备和管道应用最普遍。法兰联接不能很快装配与拆卸，制造成本较高。设备法兰与管法兰均已制定出标准。根据公称直径和公称压力，可以从标准中查到，少量超出标准规定范围法兰，才需进行设计。一、法兰联接结构与密封原理组合件联接件强度破坏很少见，多是密封不好而泄漏。设计中要防止介质泄漏。法兰密封的原理预紧力压紧垫片。压紧应力（垫片密封比压力）到一定数值使垫片变形，密封面上微隙被填满，形成初始密封条件。密封比压力主要决定于垫片材质。垫片材质确定后，垫片越宽，为保证比压力，预紧力越大，螺栓和法兰尺寸也越大，所以垫片不应过宽，更不应该把整个法兰面都铺满垫片。工作状态内压轴向力拉伸，降低了压紧应力。垫片有足够回弹，补偿变形，预紧密封比压值不小于某一值(工作密封比压)，保持良好密封。反之，回弹不足，则此密封失效。密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧力。螺栓和法兰须有足够大的强度和刚度，不发生过大的变形。二、法兰的分类（一）整体法兰１．平焊法兰，制造容易，应用广泛，但刚性较差。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（PN4.0MPa）。平焊法兰的适用范围：２．对焊法兰又称高颈法兰或长颈法兰。颈提高刚性，厚度比筒体厚，降低根部弯曲应力。对接焊缝，比平焊法兰的角焊缝强度好，对焊法兰适用于压力、温度较高或设备直径较大的场合。（二）松式法兰法兰与容器或管道不连接，比整体式连接强度差法兰盘可用不同材料，用于铜制、铝制、陶瓷、石墨及其非金属材料的设备或管道上。受力后无附加弯曲应力，只适用于压力较低场合（三）任意式法兰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。圆形法兰最常见，方形法兰利于管子排列紧凑，椭圆形法兰常用于阀门和小直径的高压管子上。三、影响法兰密封的因素影响法兰密封的因素主要有：螺栓预紧力；密封面型式；垫片性能；法兰刚度；操作条件。㈠螺栓预紧力螺栓预紧力是影响密封一个重要因素。预紧力使垫片压紧并实现初始密封。预紧力过大则垫片被压坏或挤出。预紧力通过法兰密封面传递给垫片，良好的密封，必须使预紧力均匀地作用于垫片。当需要预紧力一定时，采取增加螺栓个数、减小螺栓直径对密封有利㈡密封面法兰联接密封性能与密封面型式有关，密封面型式选择，主要考虑压力、温度、介质。压力容器和管道中常用的法兰密封面型式和特点：1、突面（RF）光滑平面，可车制密纹水线。结构简单，加工方便，便于进行防腐衬里。接触面积大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压紧。2、凹凸面（MFM）凸面和凹面相配合，凹面上放置垫片，防止垫片被挤出，适用于压力较高。3、榫槽面(TG)槽中垫片不被挤动。螺栓力较小。获得良好的密封效果。结构较复杂，更换垫片较困难。榫面容易损坏，适于易燃、易爆、有毒介质及较高压力。压力不大时，即使直径较大，也能很好密封。4、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）。5、其他类型密封面高压容器和高压管道用球面（透镜）和椭圆或八角形截面金属垫片㈢垫片性能垫片适当变形和回弹能力是形成密封的必要条件。最常用垫片分为非金属、金属、非金属与金属混合制的垫片非金属垫片：橡胶石棉板、聚四氟乙烯等。柔软耐温度和压力性能较金属垫片差。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：金属包垫片及缠绕垫片等。金属包垫片用薄金属板（镀锌薄钢板、0Cr18Ni9等）将非金属包起来；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。不带定位圈和带定位圈。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。常用是软铝、紫铜、铁(软钢)、蒙耐尔合金(含Ni67％，Cu30％，Cr4～5％)钢等。主要用于中、高温和中、高压法兰联接密封。垫片材料的选择：根据温度、压力以及介质腐蚀决定，同时考虑密封面形式、螺栓力的大小以及装卸要求等。查表4-15四、法兰标准及选用石油、化工上用的法兰标准有两类，一类是压力容器法兰标准一类是管法兰标准㈠压力容器法兰标准1．平焊法兰：2．对焊法兰长颈对焊法兰有厚度更大的颈，刚性大。更高压力范围(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以下规格包括在长颈对焊法兰的规定范围之内。两者联接尺寸和法兰厚度一样。DN2000mm以下的乙型平焊法兰可用轧制长颈对焊法兰代替，以降低成本。平焊与对焊法兰都有带衬环的与不带衬环的两种。当设备是由不锈钢制作时，采用碳钢法兰加不锈钢衬环，可以节省不锈钢。3、公称直径与公称压力根据公称直径与公称压力由法兰标准确定法兰尺寸压力容器法兰公称直径同压力容器例如DN1000mm的压力容器，应当配用DN1000mm的压力容器法兰。法兰公称压力：与最大操作压力、操作温度以及材料有关。定义：以16MnR在200℃时的机械性能为基准确定法兰尺寸，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。公称压力PNO.6MPa法兰，用16MnR制造的，在200℃时，最大允许操作压力0.6MPa。高于200℃的最大操作压力将低于它的公称压力0.6MPa。低于200℃仍按200℃确定其最高工作压力。材料改为Q235-A，机械性能比16MnR差，公称压力PN0.6MPa的法兰，200℃操作，最大允许操作压力也低于公称压力。材料由16MnR改为15MnVR，机械性能优于16MnR，公称压力PN0.6MPa的法兰，在200℃操作时，最大允许操作压力将高于它的公称压力。只要法兰的公称直径、公称压力确定了，法兰的尺寸也就确定了。最大允许工作压力的确定：为操作温度300℃，设计压力0.6MPa的容器选配法兰。材料15MnVR按公称压力0.6MPa查取。材料20R按公称压力1.0MPa查取尺寸。㈡管法兰标准同样公称直径的容器法兰和管法兰的尺寸不相同，不能互相代用。管法兰的型式除平焊、对焊法兰外，还有铸钢法兰、铸铁法兰、活套法兰、螺纹法兰等。管法兰标准查选方法、步骤与压力容器法兰同。GB9119.7-88外，常用标准还有：化工部标准HG20592～HG20602-97；中石化标准SH3406-96等。其中化工部标准中分为欧洲体系、美洲体系等，我国常用的为欧洲体系。例4-6：塔身与封头的法兰。塔内径1000mm，操作温度280℃，设计压力0.2MPa。Q235-A。根据操作温度、设计压力和所用材料，应按公称压力为0.6MPa查选尺寸。压力不高，直径不大，表4-16用甲型平焊法兰、平面密封面，垫片用石棉橡胶板。法兰的各部尺寸从附录表9中查，联接螺栓材料Q235-A，M20共36个。思考题：1.法兰垫片密封的原理是什么？影响密封的因素有哪些？2.法兰的型式有哪些？各有什么特点？3.法兰密封面型式有哪些？各适用什么场合？4.常用的垫片材料有哪些？作业：P3311、2、3