设备管理_化工设备机械基础--容器零部件培训讲义

第6章容器零部件 第一节 法兰连接第二节 容器支座第三节 容器的开孔补强第四节 容器附件 在石油 化工设备和管道中 由于生产工艺的要求 或者为制造 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 螺纹联接和承插式联接 采用可拆卸联接之后 确保接口密封的可靠性 是保证化工装置正常运行的必要条件 由于法兰联接有较好的强度和紧密性 适用的尺寸范围宽 在设备和管道上都能应用 所以应用最普遍 但法兰联接时 不能很快地装配与拆卸 制造成本较高 设备法兰与管法兰均已制定出标准 在很大的公称直径和公称压力范围内 法兰规格尺寸都可以从标准中查到 只有少量超出标准规定范围的法兰 才需进行设计计算 第一节 法兰连接 法兰联接结构是组合件 是由一对法兰 若干螺栓 螺母和一个垫片所组成 在实际应用中 压力容器由于联接件或被联接件的强度破坏所引起法兰密封失效是很少见的 较多的是因为密封不好而泄漏 故法兰联接的设计中主要解决的问题是防止介质泄漏 1 法兰连接结构与密封原理 1 法兰在螺栓预紧力的作用下 把处于密封面之间的垫片压紧 施加于单位面积上的压力 压紧应力 必须达到一定的数值才能使垫片变形而被压实 密封面上由机械加工形成的微隙被填满 形成初始密封条件 所需的这个压紧应力叫垫片密封比压力 单位为MPa 密封比压力主要决定于垫片材质 法兰密封原理 2 当设备或管道在工作状态时 介质内压形成的轴向力使螺栓被拉伸 法兰密封面沿着彼此分离的方向移动 降低了密封面与垫片之间的压紧应力 如果垫片具有足够的回弹能力 使压缩变形的回复能补偿螺栓和密封面的变形 而使预紧密封比压值至少降到不小于某一值 这个比压值称为工作密封比压 则法兰密封面之间能够保持良好的密封状态 反之 垫片的回弹力不足 预紧密封比压下降到工作密封比压以下 甚至密封处重新出现缝隙 则此密封失效 法兰密封原理 3 因此 为了实现法兰联接处的密封 必须使密封组合件各部分的变形与操作条件下的密封条件相适应 即使密封元件在操作压力作用下 仍然保持一定的残余压紧力 为此 螺栓和法兰都必须具有足够大的强度和刚度 使螺栓在容器内压形成的轴向力作用下不发生过大的变形 法兰密封原理 预紧密封比压 形成初始密封条件时在垫片单位面积上受到的压紧力 工作密封比压 一个已经形成初始密封条件的法兰连接 在通入介质后为了不使介质泄漏 在密封面与垫圈之间所必须保留下来的最低比压 2 法兰的结构与分类 平焊法兰 图 a b 法兰盘焊接在设备筒体或管道上 制造容易 应用广泛 但刚性较差 法兰受力后 法兰盘的矩形截面发生微小转动 见下图 与法兰相联的筒壁或管壁随着发生弯曲变形 于是在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 PN 4 0MPa 对焊法兰 图 c 对焊法兰又称高颈法兰或长颈法兰 颈的存在提高了法兰的刚性 同时由于颈的根部厚度比筒体厚 所以降低了根部的弯曲应力 此外 法兰与筒体 或管壁 的联接是对接焊缝 比平焊法兰的角焊缝强度好 故对焊法兰适用于压力 温度较高或设备直径较大的场合 松式法兰 活套法兰 的特点是法兰未能有效地与容器或管道连接成一整体 不具有整体式连接的同等强度 如上图所示 由于法兰盘可以采用与设备或管道不同的材料制造 因此这种法兰适用于铜制 铝制 陶瓷 石墨及其非金属材料的设备或管道上 另外 这种法兰受力后不会对筒体或管道产生附加的弯曲应力 这也是它的一个优点 但一般只适用于压力较低的场合 任意式法兰其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 圆形法兰是最常见的 方形法兰有利于把管子排列紧凑 椭圆形法兰通常用于阀门和小直径的高压管子上 螺栓预紧力是影响密封的一个重要因素 预紧力必须使垫片压紧并实现初始密封条件 同时 预紧力也不能过大 否则将会使垫片被压坏或挤出 由于预紧力是通过法兰密封面传递给垫片的 要达到良好的密封 必须使预紧力均匀地作用于垫片 因此 当密封所需要的预紧力一定时 采取增加螺栓个数 减小螺栓直径的办法对密封是有利的 对角紧螺丝有利于提高密封性能 3 影响法兰密封的因素 1 螺栓预紧力 法兰联接的密封性能与密封面型式有直接关系 所以要合理选择密封面的形状 法兰密封面型式的选择 主要考虑压力 温度 介质 2 压紧面 密封面 垫片是构成密封的重要元件 适当的垫片变形和回弹能力是形成密封的必要条件 非金属垫片材料有橡胶石棉板 聚四氟乙烯等 这些材料的优点是柔软 耐温度和压力的性能较金属垫片差 通常只适用于常 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有金属包垫片及缠绕垫片等 金属包垫片是用薄金属板 镀锌薄钢板 0Cr18Ni9等 将非金属包起来制成的 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 这种缠绕式垫片有不带定位圈的和带定位圈的两种 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 常用的是软铝 紫铜 铁 软钢 蒙耐尔合金 含Ni67 Cu30 Cr4 5 钢等 金属垫片主要用于中 高温和中 高压的法兰联接密封 3 垫片性能 为了防止法兰变形 增加法兰刚度有利于提高密封性能 增加法兰厚度 减少螺栓作用力臂 增大法兰盘外径都能有效提高法兰抗弯刚度 4 法兰刚度 温度 压力 介质腐蚀性 5 操作条件 4 法兰标准及其选用 法兰标准分为两个 压力容器法兰标准与管法兰标准 4 1法兰标准 长颈对焊法兰由于具有厚度更大的颈 因而使法兰盘进一步增大了刚性 故规定用于更高的压力范围 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以下的规格均已包括在长颈对焊法兰的规定范围之内 这两种法兰的联接尺寸和法兰厚度完全一样 所以DN2000mm以下的乙型平焊法兰 可以用轧制的长颈对焊法兰代替 以降低法兰的生产成本 使用法兰标准确定法兰尺寸时 必须知道法兰的公称直径与公称压力 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 例如DN1000mm的压力容器 应当配用DN1000mm的压力容器法兰 法兰公称压力的确定与法兰的最大操作压力 操作温度以及法兰材料有关 因为在制定法兰尺寸系列 计算法兰厚度时 是以16MnR在200 时的机械性能为基准制定的 所以规定以此基准所确定的法兰尺寸 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 4 2法兰尺寸的确定 根据操作温度 设计压力和所用材料 查表可知 所要选用的法兰 应按公称压力为0 6MPa来查选它的尺寸 由于操作压力不高 直径不大 由表可采用甲型平焊法兰 平面密封面 垫片材料选用石棉橡胶板 联接螺栓选用材料为为Q235 A M20共36个 例 为一台精馏塔配一对联接塔身与封头的法兰 塔的内径是1000mm 操作温度为280 设计压力为0 2MPa 法兰材质为Q235 A 公称压力1 6MPa 公称直径800mm的衬环榫槽密封面乙型平焊法兰中的榫面法兰 法兰C S800 1 6JB4702 92 4 3法兰标准的标记方法 法兰各个尺寸的意义 第二节 容器支座 1 卧式容器支座 鞍座 圈座 支腿 鞍座是应用最广泛的一种卧式容器支座 常见的卧式容器和大型卧式贮槽 热交换器等多采用这种支座 为了简化设计计算 鞍式支座已有标准JB T4712 92 鞍式支座 设计时可根据容器的公称直径和容器的重量选用标准中的规格 鞍座是由横向筋板 若干轴向筋板和底板焊接而成 在与设备连接处 有带加强垫板和不带加强垫板两种结构 鞍式支座的鞍座包角q为120 或150 以保证容器在支座上安放稳定 鞍座的高度有200 300 400和500mm四种规格 但可以根据需要改变 改变后应作强度校核 鞍式支座的宽度b可根据容器的公称直径查出 鞍座分为A型 轻型 和B型 重型 两类 其中重型又分为B B 五种型号 A型和B型的区别在于筋板和底板 垫板等尺寸不同或数量不同 1 1鞍座 在下列情况下可采用圈座 对于大直径薄壁容器和真空操作的容器 因其自身重量可能造成严重挠曲 多于两个支承的长容器 除常温常压下操作的容器外 若采用圈座时则至少应有一个圈座是滑动支承的 1 2圈座 腿式支座简称支腿 因为这种支座在与容器壳壁连接处会造成严重的局部应力 故只适合用于小型设备 DN 1600 L 5m 腿式支座的结构型式 系列参数等参见标准JB T4714 92 腿式支座 1 3支腿 2 立式容器支座 2 1耳式支座 耳式支座简称耳座 它由筋板和支脚板组成 广泛用在反应釜及立式换热器等直立设备上 它的优点是简单 轻便 但对器壁会产生较大的局部应力 因此 当设备较大或器壁较薄时 应在支座与器壁间加一垫板 对于不锈钢制设备 当用碳钢作支座时 为防止器壁与支座在焊接过程中不锈钢中合金元素的流失 也需在支座与器壁间加一个不锈钢垫板 耳式支座已经标准化 它们的型式 结构 规格尺寸 材料及安装要求应符合JB T4725 92 耳式支座 该标准分为A型 短臂 和B型 长臂 两类 每类又分为带垫板与不带垫板两种结构 小型设备的耳式支座 可以支承在管子或型钢制的立柱上 大型设备的支座往往搁在钢梁或混凝土制的基础上 支承式支座可以用钢管 角钢 槽钢来制作 也可以用数块钢板焊成 它们的型式 结构 尺寸及所用材料应符合JB T4724 92 支承式支座 支承式支座分为A型和B型 A型支座筋板和底板的材料为Q235 A F B型支座钢管材料为10 底板材料均为Q235 A F 支承式支座的优点是简单轻便 但它和耳式支座一样 对壳壁会产生较大的局部应力 因此当容器壳体的刚度较小 壳体和支座的材料差异或温度差异较大时 或壳体需焊后热处理时 在支座和壳体之间应设置加强板 加强板的材料应和壳体材料相同或相似 2 2支承式支座 对高大的塔设备最常用的支座就是裙式支座 它与前两种支座不同 目前还没有标准 它的各部分尺寸均需通过计算或实践经验确定 有关裙式支座的结构及其设计方法详见第八章 2 3裙式支座 为了满足工艺 安装 检修的要求 往往需要在容器的筒体和封头上开各种形状 大小的孔或连接接管 容器壳体上开孔后 开孔不但削弱了容器壁的强度 而且在筒体与接管的连接处 由于原壳体结构产生了变化 出现不连续 在开孔区域将形成一个局部的高应力集中区 开孔边缘处的最大应力称为峰值应力 峰值应力通常较高 达到甚至超过了材料的屈服极限 较大的局部应力 加之容器材质和制造缺陷等因素的综合作用 往往会成为容器的破坏源 为了降低峰值应力 需要对结构开孔部位进行补强 以保证容器安全运行 开孔应力集中的程度和开孔的形状有关 圆孔的应力集中程度最低 因此一般开圆孔 第三节 容器的开孔补强 1 开孔补强的形式 a 内加强平齐接管 b 外加强平齐接管 c 对称加强凸出接管 d 密集补强 从强度角度考虑 密集补强最好 但加工难度最大 外加强平齐接管的加工最易 但补强效果却最差 四种补强形式的比较 2 开孔补强的结构 整体补强是指采用增加整个壳体的厚度 或用全焊透的结构形式将厚壁接管或整体补强锻件与壳体相焊来降低开孔附近的应力 由于开孔应力集中的局部性 在远离开孔区的应力值与正常应力值一样 故除非制造或结构上的需要 一般并不把整个容器壁加厚 在开孔处用全焊透的结构形式焊上一段特意加厚的短管 使接管的加厚部分恰处有效补强区内 则可以降低应力集中系数 整锻件补强结构是将接管与壳体连同加强部分作成整体锻件 然后与壳体焊在一起 其优点是补强金属集中于开孔应力最大部分 应力集中现象得到大大缓和 a 整体补强 补强圈补强是指在壳体开孔周围贴焊一圈钢板 即补强圈 补强圈一般与器壁采用搭接结构 材料与器壁相同 补强圈尺寸可参照标准确定 也可按等面积补强原则进行计算 当补强圈厚度超过8mm时 一般采用全焊透结构 使其与器壁同时受力 否则不起补强作用 为了焊接方便 补强圈可以置于器壁外表面或内表面 或内外表面对称放置 但为了焊接方便 一般是把补强圈放在外面的单面补强 为了检验焊缝的紧密性 补强圈上有一个M10的小螺纹孔 从这里通入压缩空气进行焊缝紧密性试验 补强圈现已标准化 b 补强圈补强 设计压力小于或等于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 接管公称外径小于或等于89mm 接管最小壁厚满足下表的要求 3 不另行补强的最大开孔直径 原则 使补强的金属量 大于或等于由于开孔所削弱的金属量 等面积补强法是世界各国沿用较久的一种方法 其设计计算较为复杂 且偏于保守 但比较安全可靠 因此迄今仍然得到广泛使用 补强公式 4 开孔补强的原则 等面积补强法 A1 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 A2 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 A3 焊缝金属截面积 A 壳体由于开孔导致需要补强的面积 当圆筒的内径Di 1500mm 开孔最大直径d Di 2 且d 520mm 当圆筒的内径Di 1500mm 开孔最大直径d Di 3 且d 1000mm 凸形封头或球壳开孔的最大直径d Di 2 锥壳或锥形封头开孔的最大直径d Di 3 Di为开孔中心处的锥体内径 在椭圆形或蝶形封头过渡部分开孔时 其孔的中心线宜垂直于封头表面 4 1适用的开孔范围 当采用局部补强时 筒体及封头上开孔的最大直径不得超过以下数值 d 开孔直径 S 圆筒或球壳开孔处的计算壁厚 Set 接管有效厚度 fr 强度削弱系数 等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比 若大于1 按fr 1计算 4 2容器壳体开孔补强的要求A 4 3开孔有效补强范围 有效宽度 取二者较大值 有效高度 取二者较小值 外侧高度 内侧高度 取二者较小值 A1的计算 4 4补强面积的计算 A2的计算 A3 一般远远小于A1与A2 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 则补强面积应按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材料许用应力 则所需补强面积也不得减少 当相邻两孔中心距小于该两孔平均直径的两倍时 其补强面积不应小于各孔单孔补强所需面积 而且必须将总补强面积中不少于50 的面积置于两孔之间 在计算各孔单独补强所需面积时 补强范围区内重叠的多余面积 如果作为补强金属计入时 不得重复计算 4 5关于补强的几个小点 11当多个开孔集中在一起时 且其中任意两孔中心距均小于该两孔平均直径的1 33倍时 可以按一个假想孔对待 这个假象孔将该处几个小孔都包括在内 第四节 容器附件 1 接口管 设备上的接口管与凸缘 既可用于装置测量 控制仪表 也可用于连接其他设备和介质的输送管道 接管长度及其应用范围 2 凸缘 当接管长度必须很短时 可用凸缘 又叫突出接口 来代替接管 如图所示 凸缘本身具有加强开孔的作用 不需再另外补强 缺点是当螺柱折断在螺栓孔中时 取出较困难 由于凸缘与管道法兰配用 因此它的联接尺寸应根据所选用的管法兰来确定 压力容器开设手孔和人孔是为了检查设备的