第7章 容器零部件设计(2014)

1、化工设备机械基础 主讲教师：钟磊主讲教师：钟磊 广西民族大学广西民族大学 化学化工学院化学化工学院 主要内容主要内容 一、法兰联接 二、容器支座和检查孔 三、开孔与补强 一、法兰联接一、法兰联接 根据生产工艺要求，或为制造、运输、安根据生产工艺要求，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：见的可拆卸结构有：法兰联接、法兰联接、螺纹联接和承螺纹联接和承 插式联接。插式联接。 法兰联接具有较好强度和紧密性，适用尺法兰联接具有较好强度和紧密性，适用尺 寸范围宽，在设备和管道中应用最为普遍。设寸范围宽，在设备和管道中应用最

2、为普遍。设 备法兰与管法兰均已制定出标准。根据公称直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。标准规定范围法兰，才需进行设计。 一、法兰联接一、法兰联接 通过垫片材料本体毛细管的通过垫片材料本体毛细管的 渗透泄漏，除了受介质压力、渗透泄漏，除了受介质压力、 温度、粘度、分子结构等流温度、粘度、分子结构等流 体状态性质影响外，主要与体状态性质影响外，主要与 垫片的结构与材料性质有关，垫片的结构与材料性质有关， 可通过对渗透性垫片材料添可通过对渗透性垫片材料添 加某些填充剂进行改良，或

3、加某些填充剂进行改良，或 与不透性材料组合成型来避与不透性材料组合成型来避 免免“渗透泄漏渗透泄漏”。 沿着垫片与压紧面之间的泄沿着垫片与压紧面之间的泄 漏，泄漏量大小主要与界面漏，泄漏量大小主要与界面 间隙尺寸有关。压紧面就是间隙尺寸有关。压紧面就是 指上、下法兰与垫片的接触指上、下法兰与垫片的接触 面。加工时压紧面上凹凸不面。加工时压紧面上凹凸不 平的间隙及压紧力不足是造平的间隙及压紧力不足是造 成成“界面泄漏界面泄漏”的直接原因。的直接原因。 “界面泄漏界面泄漏”是密封失效的是密封失效的 主要途径。主要途径。 渗透泄漏渗透泄漏 界面泄漏界面泄漏 泄漏泄漏 一、法兰联接一、法兰联接 l 法

4、兰密封原理法兰密封原理 预紧力压紧垫片：预紧力压紧垫片：压紧应力（垫片密封比压力）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，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。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，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。不应该把整个法兰面都铺满垫片。 工作状态：工作状态：内压产生轴向拉伸力，降低了压紧

5、内压产生轴向拉伸力，降低了压紧 应力。垫片有足够回弹，补偿变形，预紧密封比应力。垫片有足够回弹，补偿变形，预紧密封比 压值不小于某一值压值不小于某一值(工作密封比压工作密封比压)，保持良好密，保持良好密 封。反之，回弹不足，则此密封失效。封。反之，回弹不足，则此密封失效。 一、法兰联接一、法兰联接 l 法兰密封原理法兰密封原理 密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的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。度，不发生过大的变形。 (a)(b)(c) F1 F1 F1 F1 p Fp F

6、p 一、法兰联接一、法兰联接 l 法兰分类法兰分类 整体法兰整体法兰 将法兰与壳体锻或铸成一体或经全熔透的平焊法兰。将法兰与壳体锻或铸成一体或经全熔透的平焊法兰。 保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度可适当减薄；保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度可适当减薄； 但会在壳体上产生较大应力。但会在壳体上产生较大应力。 一、法兰联接一、法兰联接 l 法兰分类法兰分类 松式法兰松式法兰 指法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证与指法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证与 壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。如：活套法兰、壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。如：活套法兰、 螺纹法兰、搭接法兰等。螺纹

7、法兰、搭接法兰等。 活套法兰活套法兰螺纹法兰螺纹法兰搭接法兰搭接法兰 一、法兰联接一、法兰联接 松式法兰松式法兰 一、法兰联接一、法兰联接 l 法兰分类法兰分类 任意式法兰任意式法兰 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。法兰。 一、法兰联接一、法兰联接 任意式法兰任意式法兰 一、法兰联接一、法兰联接 影响法兰密封的因素有哪些？ 课后思考题课后思考题 一、法兰联接一、法兰联接 l 法兰的选用法兰的选用 根据公称直径与公称压力由法兰标准确定法兰根据公称直径与公称压力由法兰标准确定法兰 尺寸。尺寸。 压力容器法兰公称直径同压力容

8、器。压力容器法兰公称直径同压力容器。 例如例如DN 1000mm的压力容器，应当配用的压力容器，应当配用DN 1000mm的压力容器法兰。的压力容器法兰。 法兰的公称压力选择与最大操作压力、操作法兰的公称压力选择与最大操作压力、操作 温度以及材料有关。温度以及材料有关。 定义：以定义：以16MnR在在200时的机械性能为基时的机械性能为基 准确定法兰尺寸，在准确定法兰尺寸，在200时，它的最大允许时，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。操作压力就认为是具有该尺寸法兰的公称压力。 一、法兰联接一、法兰联接 l 法兰的选用法兰的选用 公称压力公称压力PNO.6MPa法兰，是指具

9、有这样一种法兰，是指具有这样一种 具体尺寸的法兰，是用具体尺寸的法兰，是用16MnR制造的，在制造的，在200 时，最大允许操作压力时，最大允许操作压力0.6MPa。 若将材料改为若将材料改为Q235-A，机械性能比，机械性能比16MnR差，差， 公称压力公称压力PN0.6MPa的法兰，在的法兰，在200操作，最操作，最 大允许操作压力将低于公称压力。大允许操作压力将低于公称压力。 若将材料由若将材料由16MnR改为改为15MnVR，机械性能优，机械性能优 于于16MnR，公称压力，公称压力PN0.6MPa的法兰，在的法兰，在 200操作时，最大允许操作压力将高于它的公操作时，最大允许操作压力

10、将高于它的公 称压力。称压力。 只要法兰的公称直径、公称压力确定了，法兰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。的尺寸也就确定了。 二、容器支座和检查孔二、容器支座和检查孔 支座是用来支承容器及设备重量，并使其固定在某一位支座是用来支承容器及设备重量，并使其固定在某一位 置的压力容器附件。在某些场合还受到风载荷、地震载荷置的压力容器附件。在某些场合还受到风载荷、地震载荷 等动载荷的作用。等动载荷的作用。 一、支座一、支座 支座支座 耳式支座耳式支座 支撑式支座支撑式支座 腿式支座腿式支座 裙式支座裙式支座 立式支座立式支座 鞍式支座鞍式支座 圈式支座圈式支座 支腿支座支腿支

11、座 卧式支座卧式支座 1. 立式容器支座立式容器支座 （1）耳式支座）耳式支座 （悬挂式支座）（悬挂式支座） 结构：结构：由筋板和支脚板组成，广由筋板和支脚板组成，广 泛用于反应釜及立式换热器等直泛用于反应釜及立式换热器等直 立设备上。立设备上。 特点：特点：简单、轻便，但对器壁会简单、轻便，但对器壁会 产生较大的局部应力。因此，当产生较大的局部应力。因此，当 容器较大或器壁较薄时，应在支容器较大或器壁较薄时，应在支 座与器壁间加一垫板，垫板的材座与器壁间加一垫板，垫板的材 料最好与筒体材料相同。料最好与筒体材料相同。 例如：不锈钢容器用碳素钢作支例如：不锈钢容器用碳素钢作支 座时，为防止器壁

12、与支座在焊接座时，为防止器壁与支座在焊接 过程中合金元素的流失，应在支过程中合金元素的流失，应在支 座与器壁间加一不锈钢垫板。座与器壁间加一不锈钢垫板。 标准：标准： JB/T4725 耳式支座耳式支座， 它将耳式支座分为它将耳式支座分为A 型（短臂）和型（短臂）和B型型 （长臂）两类，每（长臂）两类，每 类又有带垫板和不类又有带垫板和不 带垫板两种，不带带垫板两种，不带 垫板的分别以垫板的分别以AN和和 BN表示。表示。B型耳式型耳式 支座有较大的安装支座有较大的安装 尺寸，当容器外面尺寸，当容器外面 包有保温层，或者包有保温层，或者 将容器直接放置在将容器直接放置在 楼板上时，宜选用楼板上

13、时，宜选用B 型。型。 1-垫板；垫板； 2-筋板；筋板； 3-支脚板支脚板 耳式支座耳式支座 二、容器支座和检查孔二、容器支座和检查孔 （2）支承式支座）支承式支座 结构：在容器封头底部结构：在容器封头底部 焊上数根支柱，直接支焊上数根支柱，直接支 承在基础地面上。承在基础地面上。 应用：高度不大、安装位置应用：高度不大、安装位置 距基础面较近且具有凸形封距基础面较近且具有凸形封 头的立式容器。头的立式容器。 特点：简单方便，但它特点：简单方便，但它 对容器封头会产生较大对容器封头会产生较大 的局部应力，因此当容的局部应力，因此当容 器较大或壳体较薄时，器较大或壳体较薄时， 必须在支座和封头

14、间加必须在支座和封头间加 垫板，以改善壳体局部垫板，以改善壳体局部 受力情况。受力情况。 标准：标准： JB/T4724支承式座支承式座。 它将支承式支座分为它将支承式支座分为A型和型和B型，型， A型支座由钢板焊制而成；型支座由钢板焊制而成；B型型 支座采用钢管作支柱。支座与支座采用钢管作支柱。支座与 封头连接处是否加垫板，应根封头连接处是否加垫板，应根 据容器材料和容器与支座焊接据容器材料和容器与支座焊接 部位的强度及稳定性决定。部位的强度及稳定性决定。 带垫板带垫板 的支承的支承 式支座式支座 （3）腿式支座（支腿）腿式支座（支腿） 结构简单、轻巧、结构简单、轻巧、 安装方便，在容器下面

15、有安装方便，在容器下面有 较大的操作维修空间。但较大的操作维修空间。但 当容器上的管线直接与产当容器上的管线直接与产 生脉动载荷的机器设备刚生脉动载荷的机器设备刚 性连接时，不宜选用腿式性连接时，不宜选用腿式 支座。支座。 1）根据容器公称直）根据容器公称直 径径DN和总质量选取相应的和总质量选取相应的 支座号和支座数量，支座号和支座数量，2）计）计 算支座承受的实际载荷，算支座承受的实际载荷， 使其不大于支座允许载荷。使其不大于支座允许载荷。 除容器总质量外，实际载除容器总质量外，实际载 荷还应综合考虑风载荷、荷还应综合考虑风载荷、 地震载荷和偏心载荷。地震载荷和偏心载荷。 图图11-14

16、腿式支座腿式支座 腿式支座与支承式支座的主要区别是 什么？ （3）腿式支座（支腿）腿式支座（支腿） 图图11-14 腿式支座腿式支座 与支承式支座的区别：与支承式支座的区别：腿式支座是支承在腿式支座是支承在 容器的圆柱体部分，而支承式支座是支承容器的圆柱体部分，而支承式支座是支承 在容器的底封头上。在容器的底封头上。 JB/T4713腿式支座腿式支座。 ：角钢角钢支柱，易与容器圆筒相支柱，易与容器圆筒相 吻合、焊接安装较为容易；吻合、焊接安装较为容易； ：钢管钢管支柱，所有方向上具有支柱，所有方向上具有 相同截面系数、较高抗受压失稳能相同截面系数、较高抗受压失稳能 力，又有带垫板与不带垫板。力

17、，又有带垫板与不带垫板。 多用于高度较多用于高度较 小的中小型立式容器小的中小型立式容器 中。中。 （4）裙式支座）裙式支座 应用：应用：高大的立式容器，特别是塔器。高大的立式容器，特别是塔器。 形式：形式：圆筒形裙座和圆锥形裙座。圆筒形裙座和圆锥形裙座。 1塔体塔体 2保温支承圈保温支承圈 3无保温时排气孔无保温时排气孔 4裙座筒体裙座筒体 5人孔人孔 6螺栓座螺栓座 7基础环基础环 8有保温时排气孔有保温时排气孔 9引出管通道引出管通道 10排液孔排液孔 （4）裙式支座）裙式支座 2卧式容器支座卧式容器支座 形式：鞍座、圈座及支腿三种形式：鞍座、圈座及支腿三种 其它其它： 圈座：用于大直径

18、薄壁容器和圈座：用于大直径薄壁容器和 真空容器，增加局部刚真空容器，增加局部刚 度。度。 支腿：重量较轻的小型容器。支腿：重量较轻的小型容器。 应用应用： 常见的大型卧式储罐、常见的大型卧式储罐、 换热器等多采用换热器等多采用鞍座鞍座。 是应用最为广泛的是应用最为广泛的 一种卧式容器支座。一种卧式容器支座。 封头封头 筒体筒体 支座支座 （鞍座）（鞍座） 鞍式支座鞍式支座 鞍式支座鞍式支座 n置于鞍座上的圆筒形容器与梁相似，当尺寸和载荷一 定时，多支点在梁内产生的应力较小，支座数目似乎 应该多些好。 n但容器采用两个以上的鞍座时，支承面水平高度不等、 壳体不直和不圆等微小差异以及容器不同部位在

19、受力 挠曲的相对变形不同，使支座反力难以为各支点平均 分摊，导致壳体应力趋大，因此一般情况采用双支座。 l 双鞍座设计双鞍座设计 目的目的检查容器在使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等检查容器在使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等 缺陷产生。缺陷产生。 包括包括人孔、手孔等，其位置应便于观察或清理容器内部。人孔、手孔等，其位置应便于观察或清理容器内部。 规定规定 检查孔最少数量与最小尺寸应符合有关规范的要求。检查孔最少数量与最小尺寸应符合有关规范的要求。 不必开设检查孔：（符合下列条件之一）不必开设检查孔：（符合下列条件之一） 筒体内径小于等于筒体内径小于等于300mm的压力容器；的压力容器； 容

20、器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的容器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的 盖子，其封头、盖板或盖子的尺寸不小于所规定检盖子，其封头、盖板或盖子的尺寸不小于所规定检 查孔的尺寸；查孔的尺寸； 二、容器支座和检查孔二、容器支座和检查孔 换热器。换热器。 无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器；无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器； 制冷装置用压力容器；制冷装置用压力容器； 应在设计时采取相关措施，如对应在设计时采取相关措施，如对 所有对接焊缝进行所有对接焊缝进行100%的射线或超声的射线或超声 检测；在设计图样上注明计算厚度，检测；在设计图样上注明计算厚度， 且

21、在压力容器在用期间或检验时重点且在压力容器在用期间或检验时重点 进行测厚检查；相应缩短检验周期。进行测厚检查；相应缩短检验周期。 不能开设检查孔时：不能开设检查孔时： 二、容器支座和检查孔二、容器支座和检查孔 l 手孔与人孔手孔与人孔 检查设备内部空间以及安装和拆卸内部构件。检查设备内部空间以及安装和拆卸内部构件。 手孔直径手孔直径150mm250mm，标准手孔公称直径有，标准手孔公称直径有 DN150和和DN250两种。两种。 手孔结构：容器上接一短管，其上盖一盲板手孔结构：容器上接一短管，其上盖一盲板 设备直径超过设备直径超过900mm，有手孔也设人孔。，有手孔也设人孔。 人孔的形状有圆形

22、和椭圆形。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。椭圆形人孔短轴与筒身轴线平行。 圆形人孔直径圆形人孔直径400mm600mm，容器压力不高或，容器压力不高或 有特殊需要时，直径可以大一些。有特殊需要时，直径可以大一些。 椭圆形人孔椭圆形人孔(或称长圆形人孔或称长圆形人孔)的最小尺寸为的最小尺寸为 400mm300mm。 人孔结构：筒节、法兰、盖板和手柄。人孔结构：筒节、法兰、盖板和手柄。 人孔人孔 三、开孔与补强三、开孔与补强 容器为什么要开孔？容器为什么要开孔？ 工艺、安装、检修的要求。工艺、安装、检修的要求。 开孔后，为什么要补强？开孔后，为什么要补强？ 开孔削弱器壁的

23、强度，出现不连续，形成开孔削弱器壁的强度，出现不连续，形成高应力集高应力集 中区中区。峰值应力通常较高，达到甚至超过材料屈服极。峰值应力通常较高，达到甚至超过材料屈服极 限。局部应力较大，加之材质和制造缺陷等限。局部应力较大，加之材质和制造缺陷等, ,成为容器成为容器 破坏的原因。破坏的原因。 为降低峰值应力，需要对结构开孔部位进行补强，为降低峰值应力，需要对结构开孔部位进行补强， 以保证容器安全运行。以保证容器安全运行。 三、开孔与补强三、开孔与补强 平板在两向拉力作用下，开大孔时孔边受力情况平板在两向拉力作用下，开大孔时孔边受力情况 三、开孔与补强三、开孔与补强 l 补强结构补强结构 补强

24、结构补强结构 局部补强局部补强 整体补强整体补强 补强圈补强补强圈补强 厚壁接管补强厚壁接管补强 整锻件补强整锻件补强 （1）补强圈补强）补强圈补强 结构结构补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见（补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见（a）图）图 优点优点 结构简单，制造方便，使用经验丰富结构简单，制造方便，使用经验丰富 （a）补强圈补强）补强圈补强 缺点缺点 1）与壳体金属之间不能完全）与壳体金属之间不能完全 贴合，传热效果差，在中温以贴合，传热效果差，在中温以 上使用时，存在较大热膨胀差，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在补强局部区域产生较大的热 应力；应力； 2）与壳体采用

25、搭接连接，难）与壳体采用搭接连接，难 以与壳体形成整体，抗疲劳性以与壳体形成整体，抗疲劳性 能差。能差。 （1）补强圈补强）补强圈补强 中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在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、静载、常温、中低压、 材料的标准抗拉强度低于材料的标准抗拉强度低于540MPa、 补强圈厚度小于或等于补强圈厚度小于或等于1.5n、 壳体名义厚度壳体名义厚度n不大于不大于38mm的场合。的场合。 应用应用 HG21506-92补强圈补强圈，JB/T4736-95补强圈补强圈 标准标准 （1）补强圈补强）补强圈补强 （2）厚壁接管补强）厚壁接管补强 结构结构在

26、开孔处焊上一段厚壁接管，见（在开孔处焊上一段厚壁接管，见（b）图。）图。 特点特点 补强处于最大应力区域，能更有效地降低补强处于最大应力区域，能更有效地降低 。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易 检验，补强效果较好。检验，补强效果较好。 （b）厚壁接管补强）厚壁接管补强 压力压力 容器由于材料缺口敏感容器由于材料缺口敏感 性较高，一般都采用该性较高，一般都采用该 结构，但必须保证结构，但必须保证 。 应用应用 （2）厚壁接管补强）厚壁接管补强 （c）整锻件补强）整锻件补强 （3）整锻件补强）整锻件补强 整体锻件整体锻件 （3）整锻件补强）整锻件补强

27、补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低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，疲劳寿命只降响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降 低低1015%。 重要压力容器，如核容器、材料屈服点在重要压力容器，如核容器、材料屈服点在500MPa以以 上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直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。径开孔容器等。 结构结构将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与 壳体和接管焊接，见（壳体和接管焊接，见（c）图。）图。 优点优点 缺点缺点 锻件供应困难，制造成本较高。锻件供应困难，制造成本较高。 应用应