第12章 法兰容器零部件2014611.ppt

1,2,3,4,第十二章容器零部件,12.1法兰连接12.2容器支座12.3容器的开孔补强12.4容器附件,5,12.1法兰连接,可拆连接必须满足的基本要求（1）有足够的刚度（2）有足够的强度（3）能耐腐蚀（4）成本低廉（5）拆卸安装便捷,法兰连接结构：法兰密封元件垫片连接件螺栓、螺母,6,使用角度分类,压力容器法兰：筒体与封头、筒体与筒体或封头与管板之间连接的法兰。管法兰：管道与管道之间的连接法兰。,7,左上一图为连接塔节与塔节的容器法兰左上二图为连接接管的管法兰右图为管法兰,8,法兰的用途,管法兰,9,被连接件,连接件,密封元件,法兰联接,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,10,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,螺栓法兰连接结构1-螺栓2-垫片3-法兰,11,法兰密封原理,预紧密封比压：螺栓预紧，密封面之间的垫片压紧。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。这个压紧应力叫垫片密封比压力（MPa）。密封比压力主要决定于垫片材质。垫片越宽，为保证应有的比压力，垫片所需的预紧力就越大，从而螺栓和法兰的尺寸也要求越大，垫片不应过宽，更不应该把整个法兰面都铺满垫片。工作密封比压：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，法兰密封面彼此分离，密封面与垫片之间的压紧应力降低。垫片回弹，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。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。,12,通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏。可通过对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成型来避免“垫片渗漏”。,沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大小主要与界面间隙尺寸有关。“压紧面泄漏”是密封失效的主要途径。,垫片渗漏,压紧面泄漏,泄漏,13,螺栓法兰连接的整个工作过程：图12-2（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,密封机理图,14,（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“预紧密封比压”，单位为MPa。在预紧工况下，如垫片单位面积上所受的压力小于预紧密封比压，介质即发生泄漏。,引入概念1“预紧密封比压”,（b）预紧工况,图12-3密封机理图,其值仅与垫片材料、结构与厚度有关。,15,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“工作密封比压”,（c）操作工况,（c）操作工况,图12-3密封机理图,16,二、法兰的结构与分类,17,二、法兰的结构与分类,1、按法兰接触面分类：,图12-窄面法兰与宽面法兰,窄面法兰：法兰与垫片的整个接触面积都位于螺纹孔包围的圆周范围内。,宽面法兰：法兰与垫片的接触面积都位于法兰螺栓孔中心圆的内外两侧。,18,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,整体法兰,19,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12-6松套法兰,20,松套法兰,21,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12-7螺纹法兰,22,螺纹法兰,23,圆形、方形和椭圆形,3、按法兰形状分,图12-8不同形状的法兰,24,三、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,25,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）,26,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P2.5MPa，有毒、易燃、易爆介质中不能使用。,12-9平面型压紧面,27,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P6.4MPa，DN800mm,12-10凹凸型压紧面,28,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。,12-11榫槽型压紧面,29,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。须与透镜式垫片配合,常用于高压管道。,12-12锥形压紧面,30,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。,12-13梯形槽压紧面,31,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,12-14垫片断面形状,32,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,33,图12-15法兰的翘曲变形,34,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,35,四、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,（环形平板）,（法兰带颈）,36,焊缝形式：圆管或圆孔插入法兰圆孔中。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12-16甲型平焊法兰,图12-17乙型平焊法兰,37,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12-18长颈对焊法兰,38,密封面都有平面型、凹凸型、榫槽型三种。,图12-19带衬环的甲型平焊法兰,39,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,40,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。,41,3、压力容器法兰的标记,42,带颈平焊法兰,43,带颈对焊法兰,44,左上一图为法兰端盖右下一图为管板法兰右下二图为平板法兰,(3)、其它形式的法兰连接,45,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，以及户外的还要承受风载荷。支座一般分为两大类：卧式容器支座和立式容器支座。卧式容器支座：分为三种：鞍座、圈座和支腿,第二节容器支座,46,47,鞍座：应用最泛，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好；支腿：小型卧式容器，为使结构简化采用支腿。,48,JB/T4712-92鞍式支座,底板,垫板,筋板,49,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。,50,2鞍座的最佳位置A0.2L且尽可能使A0.5Ri,51,3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,52,二、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,53,JB/T4725耳式支座A型（短臂）A、ANB型（长臂）B、BN,54,（一）耳式支座,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。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。,55,标记：,56,JB/T4724支承式支座A型（钢板支柱）B型（钢管支柱）,JB/T4713腿式支座A型（角钢支柱）B型（钢管支柱）,57,裙式支座,58,第三节容器的开孔补强,一、设备开孔的装置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（150200mm），便于安装、拆卸等。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）,59,二、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：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。,60,三、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：内加强平齐接管外加强平齐接管对称加强凸出接管密集补强,61,62,(三)补强结构,1，补强圈补强结构：优点：制造方便、造价低，使用经验成熟，常用于中、低压容器。缺点：会有应力集中，温差应力，抗疲劳能力差。,63,(三)补强结构,2，补强元件补强：图be将接管或壳体开孔附近需要加强的部分，做成加强元件，然后再与接管和壳体焊在引起。,64,(三)补强结构,3，整体补强结构：图f，g增加壳体的厚度，或用全焊透的结构型式将厚壁接管或整体补强锻件与壳体相焊。,65,(四)允许不另行补强的条件,壳体开孔满足下列全部条件要求时，可不另行补强1设计压力2.5Mpa；2两相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之和的两倍；3接管公称外径89mm；4按管最小壁厚应满足最小厚度要求。,66,四、等面积补强的设计方法,等面积补强就是使补强的金属量等于或大于开孔所削弱的金属。即补强金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积，必须等于或大于壳体由于开孔而在这个纵截面上所削弱的正投影面积，公式为A1+A2+A3A（一）适用的开孔范围（二）容器壳体开孔补强的要求（三）开孔有效补强范围及补强面积的计算（四）开孔补强设计步骤,67,68,69,容器附件,一、接管二、凸缘三、人、手孔四、视镜五、液面计六、设备吊耳,70,检查孔,人孔,手孔,71,手孔与人孔,检查设备内部空间以及安装和拆卸内部构件。手孔直径150mm250mm，标准手孔公称直径有DN150和DN250两种。手孔结构：容器上接一短管，其上盖一盲板。,72,人孔：,设备直径超过900mm，有手孔也设人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形。椭圆形人孔短轴与筒身轴线平行。圆形人孔直径400mm600mm，容器压力不高或有特殊需要时，直径可以大一些。椭圆形人孔(或称长圆形人孔)的最小尺寸为400mm300mm。,73,手孔和人孔,74,检查孔,人孔,手孔,75,接管凸缘,76,视镜,标准：HG/T21575-1994HG/T21505-1994,77,液面计,标准：HG/T2158821592-1995HG/T21584-1995HG/T21550-1993,78,人孔,常压人孔（HG21515-95）,回转盖带颈平焊法兰人孔（HG21517-95）,79,80,回转盖快开人孔,81,不带颈视镜,82,带颈的视镜,83,设计一液氨贮罐。工艺尺寸：贮罐内径Di=2600mm，贮罐(不包括封头)长度L4800mm。使用地点：天津。,84,设计一液氨贮罐。工艺尺寸：贮罐内径Di=2600mm，贮罐(不包括封头)长度L4800mm。使用地点：天津。解：1.罐体壁厚设计本贮罐选用16MnR制作罐体和封头。设计壁厚dd：,85,设计压力:夏季最高温度可达40，氨饱和蒸气压1.555MPa（绝压)故取p=1.1x1.455=1.6MPa(表压)；Di=2600mm；st170MPa(附录6)；j1.O(双面对接焊100探伤，C2=1mm,86,取Cl0.8mm，圆整取dn16mm厚的16MnR钢板制作罐体。,87,2封头壁厚设计,采用标准椭圆形封头。设计壁厚dd：,j1.0(钢板最宽3m，直径2.6m，封头需焊后冲压)。考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量，圆整后取dn16mm厚16MnR钢板制作,88,校核罐体与封头水压试验强度式(4-19),ss=345MPa,水压试验满足强度要求。,89,3鞍座,先粗略计算鞍座负荷。贮罐总质量：m=m1+m2+m3+m4式中:m1-罐体质量；m2-封头质量；m3-液氨质量；m4-附件质量。,90,（1）罐体质量m1,筒节DN=2600mm，dn=16mm，q1=1030Kg/m（附录7），m1=q1L=4944(Kg)（2）封头质量m2,椭圆形封头DN=2600mm，dn=16mm，h=40mmq2=1100Kg/m（附录19）m2=2q2=2200(Kg),91,（3）充水质量m3m3=VgV=V对+V筒=30.42m3,m330420Kg（4）附件质量m4人孔约200Kg，其它接管总和按300Kg计，m4=500Kg,92,设备总重量m=m1+m2+m3+m4=4950+2200+30420+500=38070=38.1t每个鞍座承约受190KN负荷，选用轻型带垫板，包角为120的鞍座。即JBT4712-92鞍座A2600一FJBT4712-92鞍座A2600一S,93,4.人孔,常温及最高工作压力1.6MPa，按公称压力1.6MPa的等级选取。考虑人孔盖直径较大较重，水平吊盖人孔。,94,人孔标记：HG21523-95人孔RF（AG）450-1.6RF指突面密封，指接管与法兰的材料为20R，AG是指用普通石棉橡胶板垫片，450-1.6是指公称直径为450mm、公称压力为1.6MPa。,95,5人孔补强确定,筒节不是无缝钢管不能直接用补强圈标准。人孔筒节内径d450mm，壁厚dn10mm。补强圈内径D1=484mm，外径D2=760mm，,96,补强金属面积应大于等于开孔减少截面积，补强圈的厚度,故补强圈取24mm厚。,97,98,6接口管,(1)液氨进料管：用f573.5mm无缝钢管(强度验算略)。一端切成45。配用具有突面密封的平焊管法兰，法兰标记：HG20592法兰SO50-1.6RF16MnR。壳体名义壁厚dn16mm12mm，接管公称直径小于80mm，不用补强。,99,(2)液氨