化工设备基础ppt课件pptch6容器零部

1 第六章容器零部件 教学重点 各零部件标准的选用 教学难点 标准法兰的选用 2 3 4 5 被连接件 连接件 密封元件 法兰联接 图6 1螺栓法兰连接结构1 螺栓2 垫片3 法兰 第一节法兰联接 一 法兰联接结构与密封原理 1 密封组成 6 泄漏途径 密封原理 压紧面泄漏 垫片渗漏 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 工作原理 图6 1螺栓法兰连接结构1 螺栓2 垫片3 法兰 7 8 压紧面泄漏 垫片渗漏 图6 2泄漏形式 9 螺栓法兰连接的整个工作过程 图6 2 a 尚未预紧工况 b 预紧工况 c 操作工况 a 尚未预紧工况将上 下法兰压紧面和垫片的接触处的微观尺寸放大 表面是凹凸不平的 这就是流体泄漏的通道 a 尚未预紧工况 图6 3密封机理图 10 b 预紧工况 无内压 拧紧螺栓 螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上 垫片产生弹性或屈服变形 填满凹凸不平处 堵塞泄漏通道 形成初始密封条件 形成初始密封条件时垫片单位面积上所需的最小压紧力 称为 垫片比压力 单位为MPa 在预紧工况下 如垫片单位面积上所受的压紧力小于比压力y 介质即发生泄漏 引入概念1 预紧比压y b 预紧工况 图6 3密封机理图 y值仅与垫片材料 结构与厚度有关 11 通入介质压力上升 密封比压下降 导致 垫片弹性压缩变形部分产生回弹 使压紧面上的密封比压力仍能维持一定值以保持密封性能 为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加在垫片上的压应力 称为操作密封比压 操作密封比压往往用介质计算压力的m倍表示 m称为 垫片系数 引入概念2 操作密封比压 c 操作工况 c 操作工况 图6 3密封机理图 12 二 法兰的结构与分类 1 按法兰接触面分 图6 窄面法兰与宽面法兰 13 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 按法兰与设备或管道的联接方式划分 图6 5整体法兰 14 整体法兰 15 整体法兰 16 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 图6 6松套法兰 17 松套法兰 18 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 图6 7螺纹法兰 19 螺纹法兰 20 圆形 方形和椭圆形 3 按法兰形状分 图6 8不同形状的法兰 21 三 影响法兰密封的因素 预紧力应均匀地作用到垫片上 可采取减小螺栓直径 增加螺栓个数等措施来提高密封性能 预紧力不宜太大 否则使垫片整体屈服丧失回弹能力 甚至将垫片挤出或压坏 适当提高预紧力可增加垫片的密封能力 即在正常工况下保留较大的接触面比压力 预紧力使垫片压紧实现初始密封 1 螺栓预紧力 22 主要根据工艺条件 密封口径以及准备采用的垫片等进行 常用5种 选择 形状和粗糙度应与垫片相匹配 使用金属垫片时其压紧面的质量要求比使用非金属垫片时高 压紧面表面不允许有刀痕和划痕 应能均匀地压紧垫片 保证平面度和垂直度 压紧面的质量要求 压紧面的型式 2 压紧面 密封面 23 平面型压紧面 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 6 9平面型压紧面 24 凹凸型压紧面 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 6 10凹凸型压紧面 25 榫槽型压紧面 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 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 注意 应使固定在设备上的法兰为槽面 可拆下部分的法兰为榫面 6 11榫槽型压紧面 26 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 常用于高压管道 6 12锥形压紧面 27 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成梯形 形成密封的 与椭圆或八角形截面的金属垫圈配合 6 13梯形槽压紧面 28 非金属垫片 金属垫片 金属 非金属组合垫片 一般要求软韧 强度要求其次 3 垫片性能 6 14垫片断面形状 29 密封失效的主要原因之一 提高法兰刚度的措施 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 刚度不足 过大的翘曲变形 4 法兰刚度 30 图6 15法兰的翘曲变形 31 在压力 介质和温度的联合作用下 尤其是波动的高温下 会严重影响密封性能 甚至使密封因疲劳而完全失效 操作条件 指压力 温度及介质的物理化学性质对密封性能的影响 特点 高温下 介质粘度小 渗透性大 易泄漏 介质对垫片和法兰的腐蚀作用加剧 增加了泄漏的可能性 法兰 螺栓和垫片均会产生较大的高温蠕变与应力松弛 使密封失效 某些非金属垫片还会加速老化 变质 甚至烧毁 原因 5 操作条件 32 四 法兰标准及选用 平焊法兰 对焊法兰 甲型 压力容器法兰 乙型 1 压力容器法兰标准 33 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 比较 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 平焊法兰 图6 16甲型平焊法兰 图6 17乙型平焊法兰 34 特点 由于有长颈 并采用对焊 故刚性更好 用于压力更高处 对焊法兰 图6 18长颈对焊法兰 35 平焊与对焊法兰都有带衬环与不带衬环两种 注意问题 密封面都有平面型 凹凸型 榫槽型三种 图6 19带衬环的甲型平焊法兰 36 选择法兰的主要参数 公称压力 PN 公称直径 DN 2 如何选用压力容器法兰 37 公称直径 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 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 是以16Mn在200 时的最高工作压力为依据制定的 因此当法兰材料和工作温度不同时 最大工作压力将降低或升高 38 3 压力容器法兰的标记 标记示例 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 T800 1 6JB T4702 2002 39 问题 公称压力为0 6MPa的法兰的含义是什么 管法兰部分自学 40 鞍座 第二节容器支座 41 42 图6 20耳式支座 43 44 45 一 卧式容器支座 鞍座 圈座及支腿 圈座 用于大直径薄壁容器和真空容器 增加局部刚度 支腿 重量较轻的小型容器 常见的大型卧式储罐 换热器等多采用鞍座 是应用最为广泛的一种卧式容器支座 46 图6 21鞍式支座 47 鞍式支座 48 鞍式支座 49 图6 22圈座 50 图6 23支腿 51 一 双鞍式支座 最大剪力 鞍座处最大弯矩 筒体中心处 危险截面出现在两支座中心处和鞍座处 图6 24鞍座受力分析图 1 受力 52 剪力 弯矩 图6 25鞍座剪力和弯矩图 53 力学模型的简化 简化为长度L 受均布载荷q作用的外伸简支梁 图6 26双鞍座卧式支座受力分析 54 均布载荷 55 A 跨距中点处 a 弯矩 b 应力最大合成应力发生在截面最高点或最低点 最高点 最低点 56 B 支座截面 a 弯矩 b 应力最大合成应力发生在截面最高点或最低点 在截面最高点 在截面最低点 筒体有加强圈或由封头加强A Rm 2时 轴向应力在横截面的最高点 当筒体不被加强时 鞍座处筒体转移到了靠近水平中心线处 57 图6 27承受弯矩的无效和有效截面 58 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 推导出A 0 207L 2 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 2 鞍座的最佳位置 59 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 图6 27承受弯矩的无效和有效截面 60 结构 3 鞍座的结构与标准 图6 28轻型带垫板包角120 鞍式支座 61 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 公称直径 mm JB T4712 92鞍座 固定鞍座F 滑动鞍座S 标记示例 公称直径为2600mm的轻型 A 鞍座 标记为JB T4712 92鞍座A2600 FJB T4712 92鞍座A2600 S 型号 A B B B B B 62 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 63 二 立式容器支座 优点 简单轻便 缺点 对器壁产生较大局部应力 结构 由筋板和支脚板组成 广泛用于中 小型立式设备 高径比不大于5 总高度不大于10m 一 耳式支座 悬挂式支座 64 标准 JB T4725 耳式支座 它将耳式支座分为A型 短臂 和B型 长臂 两类 每类又有带垫板和不带垫板两种 B型耳式支座有较大的安装尺寸 当容器外面包有保温层 或者将容器直接放置在楼板上时 宜选用B型 带垫板的耳式支座 65 标记方法 型号 A AN B BN JB T4725 92 耳座 支座号 1 8 标记示例 A型 不带垫板 3号耳式支座 支座材料为Q235 A F 标记为JB T4725 92 耳座AN3材料 Q235 A F 66 二 支承式支座 图6 30支承式支座 结构 在容器封头底部焊上数根支柱 直接支承在基础地面上 特点 简单方便 但它对容器封头会产生较大的局部应力 因此当容器较大或壳体较薄时 必须在支座和封头间加垫板 以改善壳体局部受力情况 67 用于高度不大 安装位置距基础面较近且具有凸形封头的立式容器 标准 JB T4724 支承式支座 分为A型和B型 A型支座由钢板焊制而成 B型支座采用钢管作支柱 带垫板的支承式支座 68 三 腿式支座 支腿 特点 结构简单 轻巧 安装方便 在容器下面有较大的操作维修空间 图6 31腿式支座 标准 JB T4713 腿式支座 A型 角钢支柱B型 钢管支柱 69 70 问题 腿式支座与支承式支座的区别 腿式支座是支承在容器的圆柱体部分 支承式支座是支承在容器的底封头上 71 四 裙式支座 应用 高大的立式容器 特别是塔器 形式 圆筒形裙座和圆锥形裙座 72 1 塔体 2 保温支承圈 3 无保温时排气孔 4 裙座筒体 5 人孔 6 螺栓座 7 基础环 8 有保温时排气孔 9 引出管通道 10 排液孔 图6 32裙式支座 73 裙座结构 1 座体它的上端与塔体底封头焊接在一起 下端焊在基础环上 座体承受塔体的全部载荷 并把载荷传到基础环上去 74 裙座结构 2 基础环基础环是块环形垫板 它把由座体传下来的载荷 再均匀地传到基础上去 75 裙座结构 3 螺拴座由座板和筋板组成 供安装地脚螺栓用 以便地脚螺栓把塔设备固定在基础上 76 裙座结构 4 管孔在裙座上有检修用的人孔 引出管孔 排气管孔等 77 裙座结构 78 第三节容器的开孔补强 设备与管道的联接 设备上测量 控制仪表的安装 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 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 一 设备开孔的装置 1 设备的管口 2 人孔 手孔 79 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 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 壳体与接管连接处形成结构不连续应力 壳体与接管的拐角处因不等截面过渡引起应力集中 二 开孔应力集中现象及原因 1 开孔应力集中现象 2 产生原因 80 定义 局部补强的金属截面积必须等于或大于开孔所减去的壳体截面积 其含义在于补足壳壁的平均强度 即用与开孔等截面的外加金属来补偿被削弱的壳壁强度 优点 长期实践经验 简单易行 在一般压力容器使用条件下能够保证安全 因此不少国家的容器设计规范主要采用该方法 如ASME 1和GB150等 一 补强设计原则 三 开孔补强设计原则 形式与结构 1 等面积补强 81 指开孔容器在接管处达到全域塑性时的极限压力应等于无孔壳体的屈服压力 同时 按弹性计算的最大应力应不超过2 s 定义 2 塑性失效补强原则 82 二 补强形式 1 内加强平齐接管 将补强金属加在接管或壳体的内侧 a 内加强平齐接管 83 2 外加强平齐接管 将补强的金属加在接管或壳体的外侧 b 外加强平齐接管 84 3 对称加强凸出接管 采用凸出 插入 接管 接管的内伸与外伸部分实行对称加强 只加强接管 只加强壳体 同时加强壳体与接管 c 对称加强凸出接管 85 4 密集补强 d 密集补强 将补强金属集中地加在接管与壳体的连接处 86 四种补强形式的比较 从强度角度看 密集补强最好 对称凸出接管次之 内加强平齐接管第三 外加强平齐接管效果最差 从制造角度看 87 三 补强结构 补强结构 补强圈补强结构 补强元件补强结构 整体补强结构 指补强金属采用什么结构方式与被补强的壳体或接管连成一体 88 结构 补强圈贴焊在壳体与接管连接处 见图6 33 优点 结构简单 制造方便 使用经验丰富 图6 33补强圈补强 缺点 1 与壳体金属之间不能完全贴合 传热效果差 在中温以上使用时 存在较大热膨胀差 在补强局部区域产生较大的热应力 2 难以与壳体形成整体 抗疲劳性能差 1 补强圈补强结构 89 补强圈补强 90 补强圈补强 91 补强圈补强 92 补强圈 93 中低压容器应用最多的补强结构 一般使用在静载 常温 中低压容器中a 材料的标准抗拉强度低于540MPab 补强圈厚度小于或等于1 5 nc 壳体名义厚度 n不大于38mm 适用范围 HG21506 92 补强圈 JB T4736 95 补强圈 标准 94 注意 为了检验焊缝的紧密性 补强板上开有一个M10的小螺纹孔 从这里通人压缩空气 并在补强圈与器壁的连接焊缝外涂抹肥皂水 如果焊缝有缺陷 就会在该处吹起肥皂泡 95 结构 在开孔处焊上一段厚壁接管 见图6 34 特点 结构简单 焊缝少 补强效果好 高强度低合金钢制压力容器一般都采用该结构 图6 34厚壁接管补强 2 加强元件补强 又称接管补强或厚壁管补强 96 厚壁接管补强 97 厚壁接管补强 98 图6 35整锻件补强 整体锻件 3 整体补强结构 将接管与部分壳体边同加强部分作为整体锻件 然后与壳体焊接在一起 99 整锻件补强 100 补强金属集中于开孔应力最大部位 能最有效地降低应力集中系数 可采用对接焊缝 并使焊缝及其热影响区离开最大应力点 抗疲劳性能好 疲劳寿命只降低10 15 优点 缺点 锻件供应困难 制造成本较高 重要压力容器 如核容器 材料屈服点在500MPa以上的容器开孔及受低温 高温 疲劳载荷容器的大直径开孔容器等 应用 101 四 允许不另行补强的条件 GB150规定 在设计压力 2 5MPa的壳体上开孔 两相邻开孔中心的间距 对曲面间距以弧长计算 大于两孔直径之和的2倍 且接管公称外径 89mm时 只要接管最小厚度满足表6 19要求 就可不另行补强 102 GB150对开孔最大直径的限制 基本原则 使有效补强的金属面积 等于或大于开孔所削弱的金属面积 一 允许开孔的范围 a 圆筒上开孔的限制 内径Di 1500mm时 开孔最大直径d 且d 520mm 内径Di 1500mm时 开孔最大直径d 且d 1000mm 四 等面积补强的设计方法 103 104 承受内压 6 14 式中A 开孔削弱所需要的补强面积 mm2 d 开孔直径 圆形孔 d di 2Cdi 接管内直径 二 所需最小补强面积A 即开孔削弱的截面积A 壳体开孔处的计算厚度 mm et 接管有效厚度 et nt C mm 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 当该值大于1 0时 取fr 1 0 105 6 17 b 外