化工设备基础-容器附件 教案--王绍良

容器附件 第一节 法兰联接

一、法兰联接结构与密封原理 1、密封组成：

被连接件——一对法兰； 连接件——若干螺栓、螺母； 密封元件——垫片 2、工作原理： 1）防止介质泄漏的基本出发点是在连接口处增加流体流动的阻力，当压力介质通过密封口的阻力降大于密封口两侧的介质压力降时，介质就被密封住。 2）泄漏途径：法兰密封是法兰通过紧固螺栓压紧垫片实现的。密封工作时其泄漏可能产生在界面（即垫片与法兰的间隙），另外就是垫片本身材料的空隙中渗漏，所以分别称为“压紧面泄漏”和“渗透泄漏”，其中以第一种为主。 3）密封原理： a、密封： 预紧时：螺栓预紧力通过法兰压紧面作用到垫片上，使垫片发生弹性或塑性变形，以填满法兰面上的不平间隙，从而阻止流体泄漏。 操作时：要使得密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定残余压紧力，这时候密封比压值至少不少于工作密封比压值。 二、法兰的结构与分类： (一)、按法兰接触面分： 窄面法兰------整个接触面在螺栓孔内，如榫槽面 宽面法兰------法兰接触面在中心圆的内外两侧，螺栓从垫片中穿过，用于中低压或垫片较软的场合，如平面、凹凸面。

312

图6-1 螺栓法兰连接结构 1-螺栓；2-垫片；3-法兰 (二)、按法兰与设备或管道的联接方式划分：

1、整体法兰

将法兰与壳体锻或铸成一体或全焊透，典型的整体法兰有一个锥形的颈脖，故又称高（长）颈法兰。法兰受力后会使容器产生附加弯曲应力。

2、松套法兰

法兰不直接固定在壳体上或虽然固定而不能保证法兰与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。

3、螺纹法兰 法兰和管壁通过螺纹进行连接，法兰对管壁产生的附加应力较小。常用于高压管道。 三、影响法兰密封的因素： 1、 螺栓预紧力： A、预紧力不能过大，也不能过小。（过大：使垫片压坏或挤出；过小：达不到垫片压紧并实现初始密封条件。） B、适当提高预紧力，可以增加垫片的密封能力。（因为：使渗透性垫片材料的毛细管孔隙减小） C、使预紧力均匀作用于垫片——可以采取减小螺栓直径以及增加螺栓个数的办法 2、 压紧面(密封面) 型式 a、 平面型压紧面 压紧面的表面为平面或带沟槽的平面。 优点：结构简单，加工方便。 缺点：是接触面积大，需要的预紧比压大，螺栓承载大，故法兰等零件要求高、笨重，垫片易挤出，密封性能较差。使用压力P≤2.5Mpa，有毒、易燃、易爆介质中不能使用。

。 b、 凹凸型 由一个凹面和一个凸面配合组成。垫片放凹面中。 优点：便于对中，能防垫片挤出。 可用在P≤6.4Mpa，DN≤800mm c、 榫槽型 一榫一槽密封面组成，优点是对中性好，密封预紧压力小，垫片不易挤出，也不受介质冲刷，用于易燃易爆密封要求高处。缺点是更换较困难，榫易损坏。

d、 锥形压紧面 通常用于高压密封，其缺点是需要的尺寸精度和表面粗糙度要求高。须与透镜垫片配合,常用于高压管路。

e、 梯形槽压紧面 槽底不起密封作用，是槽的内外锥面与垫片接触而梯形形成密封的，与椭圆或八角形截面的金属垫圈配合。 3、 垫片性能：主要考虑变形能力和回弹能力，回弹能力大的，适应范围广，密封性能好，注意回弹能力仅取决于弹性变形，与塑性变形无关。按材料分常用垫片有三种。 A、非金属垫片 橡胶、石棉橡胶、聚四氟乙烯和膨胀石墨，断面形状一般为平面或O型， 柔软，耐腐蚀，但使用压力较低，耐温度和压力的性能较金属垫片差。 B、金属垫片 P≥6.4Mpa，t≥350℃时，一般都采用金属垫片或垫圈，材料有软铝、钢、铁、铬钢和不锈钢等。断面形状有平面性、波纹性、齿型、椭圆型和八角型等，一般要求软韧，并不要求强度高，对压紧面的加工质量和精度要求较高。 C、金属——非金属组合垫片 增加了金属的回弹性，提高了耐蚀、耐热、密封性能，适用于较高压力和温度。 操作压力和温度是影响密封的主要因素，也是选用垫片的主要依据。 4、 法兰刚度：刚度不足，导致过大的翘曲变形，往往是导致密封失效的原因。刚性大的，法兰变形小，并可以使分散分布的螺栓力均匀地传给垫片，故可以提高密封性能 法兰刚度的提高措施：增加法兰厚度；减小螺栓力作用的力臂(即缩小中心圆直径)；增大法兰盘外径。 5、 操作条件：操作条件指压力、温度、介质。单纯的压力或介质因素对泄漏的影响并不是主要的，但当压力、介质和温度联合作用时，问题会显得严重。 四、法兰标准及选用 (一)、压力容器法兰标准 压力容器法兰分为平焊法兰和对焊法兰。其中平焊法兰又分甲、乙两种形式。图形与标准号如下： 1．平焊法兰

1）乙型法兰带有一个短筒体，因此刚性较甲型法兰好，可用于压力较高，直径较大的场合； 2）焊缝形式：甲型为V型坡口，乙型为U型坡口，因此乙型更易焊透，故其强度和刚度更高。 2．对焊法兰 由于有长颈，并采用对焊，故刚性更好，用于压力更高处 3．如何选用标准法兰 先确定法兰的公称直径和公称压力，然后查标准。 1） 公称直径 压力容器法兰的公称直径与压力容器的公称直径取同一系列数值 DN是将容器及管子直径加以标准化以后的标准直径。 压力容器的DN是容器的内直径（用管子作筒体的分称直径为其外径）； 管子公称直径既不等于内径，也不等于其外径，而是与两者相近的某一数值，为一名义直径。 相同公称直径的容器法兰与管法兰两者不能相互代替。 2） 公称压力 法兰公称压力与法兰的最大操作压力和操作温度以及法兰材料三个因素有关。 公称压力PN0.6Mpa的法兰，指：用材料16MnR在200℃时，该法兰的最大操作压力为0.6Mpa， 4．法兰标记

例题 第二节容器支座 支座是承受容器和固定容器不可缺少的部件，在某些场合下还要承受操作时的振动，地震载荷，以及户处的还要承受风载荷。 支座一般分为两大类：卧式容器支座和立式容器支座。 一、卧式容器支座： 分为三种：鞍座、圈座和支腿

鞍座：应用最广泛，卧式贮槽和热交换器上应用较广； 圈座：大直径薄壁容器和真空操作的容器，或支承数多于两个时，采用圈座比鞍座受力更好； 支腿：小型卧式容器，为使结构简化采用支腿。 (一) 双鞍式支座

1．受力 最大剪力：鞍座处 最大弯矩：筒体中心处 所以，危险截面出现在两支座中心处和鞍座处。 2．鞍座的最佳位置—A≤0.2L且尽可能使A≤0.5Ri

1）为减少支座处筒体最大弯矩，使其应力分布合适，使支座跨距中心与支座最大弯矩相等

（M1=M2），据此推导出的支座中心与封头切线间的距离A=0.207L（L—筒体长度），如果设计偏离此值，则支座处的轴向弯曲应力将显著增加； 2)封头的刚性一般较筒体大，对筒体有局部加强作用，试验证明，当A≤0.5Ri时，封头对筒体才有加强作用，因此支座的最佳位置应在满足A≤0.2L的条件下，尽量使A≤0.5Ri 3）当A＞0.5Ri或筒体无加强措施而刚性不足时，在周向弯矩的作用下，鞍座处筒体上将产生“扁塌”现象：鞍座上筒体发生变形，犹如“扁塌”。鞍座处筒体不起承载作用，成为无效区（图），这不但会使鞍座处筒体中的各种应力增大，而且还会使轴向组合应力、切向剪应力和周向组合压应力最大值的作用点下移。

3．标准 A——轻型，都是120°包角，都有垫板 B——重型，有120°和150°两种包角，有带垫板的，也有不带垫板的。 具体标记方法如下 (二)圈式支座：可能造成严重挠曲的薄壁容器；多于两个支承的长容器。 (三)支腿：只适用于小型容器。 二、立式容器支座： 中小型直立容器：耳式支座、腿式支座、支承式支座 高大的塔设备：裙式支座(后详细讲解)。 （一）耳式支座 1． 特点：由筋板和支脚板组成，广泛用于中、小型立式设备，一般这些容器的高径比不大于5，总高度不大于10m;

优点：简单轻便；缺点：对器壁产生较大局部应力。 2． 分类：分A型（短臂）和B型（长臂），都可带垫板或不带垫板（AN、BN）；B型支座有较宽安装尺寸，故当设备外面有保温层或者将设备直接放在楼板上时，用B型。 3． 标记： 第三节容器的开孔补强 一、设备开孔的装置 1． 设备的管口 设备与管道的联接，设备上测量、控制仪表这安装，都需要开孔，也是接管的接口； 在设备上焊好接管后，需要考虑它的长度（150~200mm），便于安装、拆卸等。 2． 人孔、手孔 属于一个部件，由公称压力、公称直径确定形状。有椭圆形、长圆形、圆形（常用） 二、开孔应力集中现象及原因 1、开孔应力集中现象：容器开孔后在孔边附件的局部地区，应力会达到很大的数值，这种局部的应力增长现象，叫做应力集中。在应力集中区域的最大应力值，称为应力峰值。 2、产生原因： ① 开孔削弱了器壁材料，破坏了原有应力分布并引起应力集中； ② 壳体与接管连接处形成结构不连续应力； ③ 壳体与接管的拐角处因不等截面过渡面引起应力集中。 这样会引起附加弯曲应力，导致的应力集中是原有基本应力的数倍，加上其它载荷作用，开孔接管结构在制造过程中又不可避免产生缺陷和残余应力，使开孔和接管的根部成为压力容器出疲劳破坏和脆性裂口的薄弱部位，因此需要采取一定的补强措施。

三、开孔补强设计的原则与补强结构： (一)补强设计原则： 1.等面积补强法的设计原则 2.塑性失效补强原则 (二)补强形式：

1、 内加强平齐接管 2、外加强平齐接管 3、 对称加强凸出接管 4、密集补强