密封装置设计

1、14.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计第第 四四 章章 压力容器设计压力容器设计CHAPTER Design of Pressure Vessels2本节主要内容本节主要内容密封机理及分类密封机理及分类影响密封性能的主要参数影响密封性能的主要参数螺栓法兰连接设计螺栓法兰连接设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计34.3.4 密封装置设计密封装置设计44.3.4 密封装置设计密封装置设计5可拆可拆密封装置密封装置螺纹连接螺纹连接承插式连接承插式连接螺栓法兰连接螺栓法兰连接螺栓螺栓垫片垫片法兰法兰密封系统密封系统本节本节主要内容主要内容

2、密封机理及分类密封机理及分类影响密封性能的主要因素影响密封性能的主要因素螺栓法兰连接设螺栓法兰连接设计计64.3.4 密封装置设计密封装置设计74.3.4 密封装置设计密封装置设计84.3.4 密封装置设计密封装置设计螺栓法兰螺栓法兰连接的连接的基本要素基本要素被连接件被连接件法兰法兰连接件连接件螺栓螺栓密封件密封件垫片垫片法兰连接法兰连接的基本要求的基本要求密封可靠密封可靠结构简单结构简单装拆方便装拆方便9螺栓法兰连螺栓法兰连接结构设计接结构设计的主要问题的主要问题密封设计：密封设计：就是根据操作条件的要求就是根据操作条件的要求（如：压力、温度、介质等）选取（如：压力、温度、介质等）选取法兰

3、的类型和压紧面的形式，选取法兰的类型和压紧面的形式，选取合适的垫片确定螺栓载荷并进行螺合适的垫片确定螺栓载荷并进行螺栓设计。栓设计。 法兰的强度设计：法兰的强度设计：确定法兰尺寸，以确定法兰尺寸，以保证法兰有足够的强度和刚度。保证法兰有足够的强度和刚度。即即：根据计算得到的螺栓载荷，对法：根据计算得到的螺栓载荷，对法兰进行上述两种工况的受力分析和兰进行上述两种工况的受力分析和应变校核，以确定法兰的厚度。应变校核，以确定法兰的厚度。 103124.3.4 密封装置设计密封装置设计原理：原理：性能：性能：图图4-22 螺栓法兰连接结构螺栓法兰连接结构1-螺栓；螺栓；2-垫片；垫片；3-法兰法兰依靠

4、螺栓预紧力把依靠螺栓预紧力把两部分设备或管道两部分设备或管道法兰环连在一起，法兰环连在一起，同时压紧垫片，使同时压紧垫片，使连接处达到密封。连接处达到密封。较好的强度和密封较好的强度和密封性，结构简单，成性，结构简单，成本低廉，可多次重本低廉，可多次重复拆卸，应用较广。复拆卸，应用较广。114.3.4 密封装置设计密封装置设计124.3.4 密封装置设计密封装置设计134.3.4.1 密封机理及分类密封机理及分类密封机理密封机理4.3.4 密封装置设计密封装置设计法兰的压紧面经加工后总会存在凹凸不平的间法兰的压紧面经加工后总会存在凹凸不平的间隙，当上紧法兰螺栓时，螺栓力通过法兰压紧隙，当上紧法

5、兰螺栓时，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上。当垫片单位面积上所受的压面作用到垫片上。当垫片单位面积上所受的压紧力达到一定值时，使垫片产生弹塑性变形，紧力达到一定值时，使垫片产生弹塑性变形，填满法兰面的不平间隙，从而使介质通过密封填满法兰面的不平间隙，从而使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的介质压差，即达到面的阻力大于密封面两侧的介质压差，即达到密封的目的。密封的目的。其密封过程如图，可分为如下三步：其密封过程如图，可分为如下三步： 14螺栓法兰连接的整个工作过螺栓法兰连接的整个工作过程：程：（a）尚未预紧工况尚未预紧工况 （b）预紧工况预紧工况 （c）操作工况操作工况（a）尚未预紧工况）尚未

6、预紧工况 将上、下法兰压紧面和将上、下法兰压紧面和垫片的接触处的微观尺寸放垫片的接触处的微观尺寸放大，表面是凹凸不平的，这大，表面是凹凸不平的，这就是流体泄漏的通道。就是流体泄漏的通道。（a）尚未预紧工况尚未预紧工况4.3.4 密封装置设计密封装置设计图图4-23 密封机理图密封机理图4.3.4.1 4.3.4.1 密封机理及分类密封机理及分类15（b b）预紧工况（无内压）预紧工况（无内压） 拧紧螺栓，螺栓力通拧紧螺栓，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片过法兰压紧面作用到垫片上。垫片产生弹性或屈服上。垫片产生弹性或屈服变形，填满凹凸不平处，变形，填满凹凸不平处，堵塞泄漏通道，形成初始堵塞泄漏通道

7、，形成初始密封条件。密封条件。 4.3.4 密封装置设计密封装置设计（b）预紧工况预紧工况图图4-23 密封机理图密封机理图164.3.4 密封装置设计密封装置设计（c c）操作工况（有内压）操作工况（有内压）A: A: 内压引起的轴向力内压引起的轴向力，使，使上下法兰压紧面分离，垫上下法兰压紧面分离，垫片压缩量减少，密封比压片压缩量减少，密封比压（即，压紧面上的压紧应（即，压紧面上的压紧应力）下降力）下降B:B:垫片弹性压缩变形部分垫片弹性压缩变形部分产生回弹产生回弹，补偿因螺栓伸，补偿因螺栓伸长所引起的压紧面分离，长所引起的压紧面分离，使压紧面上的密封比压力使压紧面上的密封比压力仍能维持仍

8、能维持以保持密以保持密封性能。封性能。174.3.4 密封装置设计密封装置设计通过垫片材料本体毛细管通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏，除了受介质的渗透泄漏，除了受介质压力、温度、粘度、分子压力、温度、粘度、分子结构等流体状态性质影响结构等流体状态性质影响外，主要与垫片的结构与外，主要与垫片的结构与材料性质有关，可通过对材料性质有关，可通过对渗透性垫片材料添加某些渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，或与不填充剂进行改良，或与不透性材料组合成型来避免透性材料组合成型来避免“渗透泄漏渗透泄漏”；沿着垫片与压紧面之间的沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大小主要与泄漏，泄漏量大小主要与界面间隙尺寸有关

9、。压紧界面间隙尺寸有关。压紧面就是指上、下法兰与垫面就是指上、下法兰与垫片的接触面。加工时压紧片的接触面。加工时压紧面上凹凸不平的间隙及压面上凹凸不平的间隙及压紧力不足是造成紧力不足是造成“界面泄界面泄漏漏”的直接原因。的直接原因。“界面界面泄漏泄漏”是密封失效的主要是密封失效的主要途径。途径。介质泄漏的形式介质泄漏的形式垫片渗漏垫片渗漏压紧面泄漏压紧面泄漏18界面泄漏界面泄漏渗透泄漏渗透泄漏4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3.4.1 密封机理及分类密封机理及分类19防止流体泄漏的基本方法防止流体泄漏的基本方法当介质通过密封口的阻力大于当介质通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时

10、，密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封。而介质通过密介质就被密封。而介质通过密封口的阻力是借施加于压紧面封口的阻力是借施加于压紧面上的上的 来实现的，作用来实现的，作用在压紧面上的密封比压力越大，在压紧面上的密封比压力越大，则介质通过密封口的阻力越大，则介质通过密封口的阻力越大，越有利于密封。越有利于密封。在密封口增加流在密封口增加流体流动的阻力体流动的阻力泄漏时介质通过密封口的泄漏时介质通过密封口的动力动力：密封口内外介质密封口内外介质压力差压力差泄漏时介质通过密封口的泄漏时介质通过密封口的阻力阻力：压紧面上的压紧面上的20密封分类密封分类1 1、按获得密封比压力、按获得密封比压力方法的不

11、同方法的不同2 2、按被密封介质的压、按被密封介质的压力大小力大小分分类类中低压密封中低压密封高压密封高压密封强制密封强制密封自紧密封自紧密封半自紧式半自紧式密封密封4.3.4 密封装置设计密封装置设计211 1、按获得密封比压力方法的不同、按获得密封比压力方法的不同a a、强制密封强制密封完全依靠连接件（螺栓）的作用力强行挤完全依靠连接件（螺栓）的作用力强行挤压密封元件达到密封。压密封元件达到密封。特点特点预紧力大，约为工作压力产生的轴向力预紧力大，约为工作压力产生的轴向力的的1.11.11.61.6倍。倍。4.3.4 密封装置设计密封装置设计22b b、自紧式密封、自紧式密封主要依靠容器内

12、部的介质压力压紧密封元件主要依靠容器内部的介质压力压紧密封元件（垫片）实现密封。（垫片）实现密封。特点：特点：预紧力小，介质压力越高，密封越可靠，预紧力小，介质压力越高，密封越可靠， 约为工作压力产生的轴向力的约为工作压力产生的轴向力的20%20%以下。以下。轴向自紧式密封轴向自紧式密封径向自紧式密封径向自紧式密封半自紧式密封半自紧式密封密封元件的轴向刚度小于密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度。被连接件的轴向刚度。密封元件的轴向刚度小于密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度。被连接件的轴向刚度。属于非自紧式的强制式密封，属于非自紧式的强制式密封，但又具有一定的自紧性能，但又具有一定的自

13、紧性能，如双锥密封。如双锥密封。232 2、按被密封介质的压力大小、按被密封介质的压力大小中、低压密封：螺栓法兰结构，强制式密封。中、低压密封：螺栓法兰结构，强制式密封。 高压密封：自紧式密封、半自紧式密封。高压密封：自紧式密封、半自紧式密封。244.3.4.2 影响密封性能的主要因素影响密封性能的主要因素主要影响因素主要影响因素一、螺栓预紧力一、螺栓预紧力二、垫片性能二、垫片性能三、压紧面的质量三、压紧面的质量四、法兰刚度四、法兰刚度五、操作条件五、操作条件254.4.预紧力应均匀地作用到垫片上，可采取减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小螺栓直径、增

14、加螺栓个数等措施来提高 密封性能。密封性能。2.2.适当提高预紧力可增加垫片的密封能力适当提高预紧力可增加垫片的密封能力, ,即即 在正常工况下保留较大的接触面比压力。在正常工况下保留较大的接触面比压力。1.1.预紧力使垫片压紧实现初始密封。预紧力使垫片压紧实现初始密封。3.3.预紧力不宜太大，否则使垫片整体屈服丧预紧力不宜太大，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。失回弹能力，甚至将垫片挤出或压坏。一、螺栓预紧力（连接件）一、螺栓预紧力（连接件） 26二、垫片性能（密封件）二、垫片性能（密封件）（1 1）垫片要有适宜变形能力和回弹能力垫片要有适宜变形能力和回弹能力是形成是形

15、成 密封的必要条件。变形能力大的密封垫易密封的必要条件。变形能力大的密封垫易 填满压紧面上的间隙，并使预紧力不致太填满压紧面上的间隙，并使预紧力不致太 大；回弹能力大的垫片，能适应操作压力大；回弹能力大的垫片，能适应操作压力 和温度的波动。和温度的波动。（2 2）垫片应具有能适应介质的温度、压力和腐）垫片应具有能适应介质的温度、压力和腐 蚀等的性能。蚀等的性能。（3）垫片比压力）垫片比压力y和垫片系数和垫片系数m：与垫片材料、：与垫片材料、 结构与厚度关，结构与厚度关， 还与介质性质、还与介质性质、 压力、温压力、温 度、压紧面粗糙度等因素有关，度、压紧面粗糙度等因素有关， 而且而且m和和y

16、之间也存在内在联系。之间也存在内在联系。27三、压紧面的质量（法兰）三、压紧面的质量（法兰） 压紧面又称密封面，其形状和粗糙度应压紧面又称密封面，其形状和粗糙度应 与垫片相匹配，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金属垫片时其压紧面的质量要求比 使用非金属垫片时高；使用非金属垫片时高； 压紧面表面不允许有刀痕和划痕；压紧面表面不允许有刀痕和划痕； 应能均匀地压紧垫片，保证平面度和垂应能均匀地压紧垫片，保证平面度和垂 直度。直度。28过大的翘曲变形，密封失效的主要过大的翘曲变形，密封失效的主要原因之一。原因之一。四、法兰刚度（被连接件）四、法兰刚度（被连接件） 增加法兰环的厚度

17、、缩小螺栓中增加法兰环的厚度、缩小螺栓中 心圆直径、增大法兰环外径；心圆直径、增大法兰环外径； 采用带颈法兰或增大锥颈部分尺采用带颈法兰或增大锥颈部分尺 寸，提高抗弯能力。寸，提高抗弯能力。提高法兰提高法兰刚度：刚度：刚度不足：刚度不足：29图图4-24 法兰的翘曲变形法兰的翘曲变形 30在压力、介质和温度的联合作用下，尤在压力、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。能，甚至使密封因疲劳而完全失效。操作条件：操作条件：指压力、温度及介质的物理化学性质指压力、温度及介质的物理化学性质对密封性能的影响。对密封性

18、能的影响。特点：特点：高温下，介质粘度小，渗透性大，易泄漏；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，增加介质对垫片和法兰的腐蚀作用加剧，增加了泄漏的可能性；了泄漏的可能性；法兰、螺栓和垫片均会法兰、螺栓和垫片均会产生较大的高温蠕变与应力松弛，使密封产生较大的高温蠕变与应力松弛，使密封失效；失效；某些非金属垫片还会加速老化、变某些非金属垫片还会加速老化、变质，甚至烧毁。质，甚至烧毁。原因：原因：五、操作条件五、操作条件31垫片的性能参数垫片的性能参数预紧密封比压预紧密封比压 Y垫片系数垫片系数 m m32由以上分析，在确立法兰设计方法时，把预紧由以上分析，在确立法兰

19、设计方法时，把预紧工况与操作工况分开处理，从而大大简化了法工况与操作工况分开处理，从而大大简化了法兰设计。为此，对两个不同的工况分别引进两兰设计。为此，对两个不同的工况分别引进两个垫片性能参数，即个垫片性能参数，即“最小压紧应力最小压紧应力”或或“比压力比压力”y以及以及“垫片系数垫片系数”m。33预紧密封比压预紧密封比压y y：定义定义：预紧：预紧( (无内压无内压) )时，迫使垫片变时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件，形与压紧面密合，以形成初始密封条件，此时垫片所必需的最小压紧载荷。此时垫片所必需的最小压紧载荷。因以单位接触面积上的压紧载荷计，故因以单位接触面积上的压紧载荷计

20、，故也称也称最小压紧应力最小压紧应力，单位为，单位为MPa。y y值仅值仅与与垫片材料、结构与厚度有关垫片材料、结构与厚度有关。垫片性能参数垫片性能参数34y值一般由实验测定，它主要取决于：值一般由实验测定，它主要取决于：1、垫片材料、垫片材料2、垫片的形式、垫片的形式3、垫片的尺寸、垫片的尺寸4、压紧面的粗糙度，其是计算螺栓预紧力、压紧面的粗糙度，其是计算螺栓预紧力 的主要设计参数的主要设计参数5、与操作压力无关、与操作压力无关6、与介质种类无关、与介质种类无关其物理意义为其物理意义为：形成初始密封的难易程度：形成初始密封的难易程度35工作密封比压工作密封比压： y回弹后垫片的比压力仍不低于

21、某一极限值，则回弹后垫片的比压力仍不低于某一极限值，则检漏仍然是合格的，可保证密封，此极限值称检漏仍然是合格的，可保证密封，此极限值称为工作密封比压为工作密封比压y36垫片系数垫片系数m：是指操作是指操作(有内压有内压)时，达到紧密不漏，垫片时，达到紧密不漏，垫片所必须维持的比压与介质压力所必须维持的比压与介质压力P的比值（无的比值（无单位）。单位）。即即: :/yimp其物理意义是其物理意义是：表示垫片在操作状态下，实：表示垫片在操作状态下，实现密封的难易程度。与垫片的形状、材料有关。现密封的难易程度。与垫片的形状、材料有关。 37表表49 垫片性能参数垫片性能参数38表表49 垫片性能参数

22、（续）垫片性能参数（续） 39表表49 垫片性能参数（续）垫片性能参数（续）40螺栓法兰连接的密封性设计螺栓法兰连接的密封性设计2.2.法兰应具有足够的强度，法兰应具有足够的强度，不致因受力而破坏。不致因受力而破坏。1.1.保证连接处保证连接处“紧密不漏紧密不漏”；应用中主要是泄漏，很少有强度不足而破坏。应用中主要是泄漏，很少有强度不足而破坏。压紧面压紧面垫片垫片密封性能的决定因素：密封性能的决定因素：螺栓法兰连螺栓法兰连接设计关键接设计关键要解决两个要解决两个问题问题41（1 1）法兰压紧面的选择法兰压紧面的选择 压紧面主要根据压紧面主要根据工艺条件工艺条件、密封口径密封口径以及以及垫垫片片

23、等进行选择。等进行选择。光滑型压紧面（全平面、凸面）光滑型压紧面（全平面、凸面） （a）（）（b）凹凸面：也称为部分约束型压紧面凹凸面：也称为部分约束型压紧面 （c）榫槽面（榫槽面（d）梯形槽面（或：环连接面、梯形槽面（或：环连接面、T型槽）（型槽）（e）锥形槽面锥形槽面其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。形式：形式：图图4-2542（a）全平面全平面（b）突面突面（c）凹凸面凹凸面（d）榫槽面榫槽面（e）环连接面（环连接面（T型槽）型槽）4.3.4 密封装置设计密封装置设计P140页图页图4-2643凹凸面法兰连接凹凸面法兰连接4.3.4 密封装置设计密封

24、装置设计444.3.4 密封装置设计密封装置设计榫槽面法兰连接榫槽面法兰连接45突面压紧面：突面压紧面：突 面结构简单，加工方便，结构简单，加工方便，装卸容装卸容 易，易于防腐衬里。易，易于防腐衬里。压紧面可以是压紧面可以是平滑平滑的，的，适用于适用于PN2.5MPa场合。场合。带沟槽带沟槽的适用更广，容器的适用更广，容器法兰可用至法兰可用至6.4MPa，管法，管法兰甚至可用至兰甚至可用至25-42MPa，但随着公称压力的提高但随着公称压力的提高，适用的公称直径相应减小。适用的公称直径相应减小。P140页图页图4-2646凹凸压紧面：凹凸压紧面：安装易于对中，有效防安装易于对中，有效防止垫片被

25、挤出，适用于止垫片被挤出，适用于PN6.4MPa的容器法的容器法兰和管法兰。兰和管法兰。47榫槽压紧面：榫槽压紧面：由榫面、槽面配合构成，由榫面、槽面配合构成，垫片安放在槽内，不会被垫片安放在槽内，不会被挤出压紧面，较少受介质挤出压紧面，较少受介质的冲刷和腐蚀，所需螺栓的冲刷和腐蚀，所需螺栓力较小，但结构复杂，更力较小，但结构复杂，更换垫片较难，只适用于易换垫片较难，只适用于易燃、易爆和高度或极度毒燃、易爆和高度或极度毒性危害介质等重要场合。性危害介质等重要场合。48梯形槽面：（梯形槽面：（T T型槽）型槽） 它是利用槽的内外锥面和垫它是利用槽的内外锥面和垫片的线接触而形成密封的。片的线接触而

26、形成密封的。适用于安装圆形、椭圆形、适用于安装圆形、椭圆形、八角形的自紧式金属垫，主八角形的自紧式金属垫，主要用于高压场合。要用于高压场合。 锥形槽面：锥形槽面： 锥面和透镜垫相锥面和透镜垫相配使用。配使用。光洁度要求高不允许有任何划痕R49（2 2）垫片的选择）垫片的选择介质的压力、温度、腐蚀性和压紧面的形介质的压力、温度、腐蚀性和压紧面的形状，兼顾价格、制造、更换是否方便等因状，兼顾价格、制造、更换是否方便等因素来选择素来选择根据：根据：选择：选择：垫片的结构形式、材料、尺寸垫片的结构形式、材料、尺寸基本基本要求：要求：垫片的材料不污染工作介质；耐腐蚀；垫片的材料不污染工作介质；耐腐蚀；具

27、有良好的变形能力和回弹能力；垫片具有良好的变形能力和回弹能力；垫片的耐用温度应大于操作温度；有一定的机的耐用温度应大于操作温度；有一定的机械强度和适应的柔软性；在工作温度下不械强度和适应的柔软性；在工作温度下不易变质硬化或软化、能重复使用等。（表易变质硬化或软化、能重复使用等。（表4 410 10 垫片选用表）垫片选用表）50垫片分为非金属，金属、组合等三种垫片分为非金属，金属、组合等三种 非金属垫片：非金属垫片：非金属垫片的优点主要是柔软、非金属垫片的优点主要是柔软、耐腐蚀、价格便宜，但耐温度和压力性能较差。耐腐蚀、价格便宜，但耐温度和压力性能较差。多用于常、中温和中、低压容器或管道的法兰密

28、多用于常、中温和中、低压容器或管道的法兰密封。使用最多的是石棉、橡胶及合成树脂材料。封。使用最多的是石棉、橡胶及合成树脂材料。51橡胶类橡胶类: :橡胶因具有组织致密、质地柔软、橡胶因具有组织致密、质地柔软、回弹性好、容易剪切成各种形状，便宜易购等回弹性好、容易剪切成各种形状，便宜易购等优点而被广泛使用于容器和管道密封中，特别优点而被广泛使用于容器和管道密封中，特别是水管道（线）上。但它不耐高压、容易在矿是水管道（线）上。但它不耐高压、容易在矿物油中溶解和膨胀，且不耐腐蚀。在高温容易物油中溶解和膨胀，且不耐腐蚀。在高温容易老化、失去弹性。老化、失去弹性。常见的有： 普通橡胶、耐酸橡胶（不耐普通

29、橡胶、耐酸橡胶（不耐 碱）、耐油橡胶碱）、耐油橡胶52石棉类石棉类：（板、绳、带）：（板、绳、带）石棉橡胶类石棉橡胶类：使用最广泛。它是由重量比：使用最广泛。它是由重量比为为60%60%80%80%的石棉纤维与的石棉纤维与10%10%20%20%的橡胶为主要的橡胶为主要成分，加入填充剂、硫化剂后加压加温而成。这成分，加入填充剂、硫化剂后加压加温而成。这种材料的耐热性、耐寒性、耐化学性都很好，价种材料的耐热性、耐寒性、耐化学性都很好，价格也便宜，容易买到。格也便宜，容易买到。常见的有六种： 高、中、低压高、中、低压 ； 耐油、酸、碱耐油、酸、碱 53塑料垫片：塑料垫片：常见的有：常见的有：聚乙烯

30、、聚四氟乙烯、聚氟乙烯等。聚乙烯、聚四氟乙烯、聚氟乙烯等。主要用在常温、低压、耐强腐蚀场合。主要用在常温、低压、耐强腐蚀场合。比如聚四氟乙烯有塑料王之称，乃化学性、耐比如聚四氟乙烯有塑料王之称，乃化学性、耐热性、耐寒性、耐油性，以及耐气候性优越于热性、耐寒性、耐油性，以及耐气候性优越于现有任何塑料。它不易老化、不燃烧、吸水性现有任何塑料。它不易老化、不燃烧、吸水性近乎于零。用做垫片，接触面可做到平整光滑，近乎于零。用做垫片，接触面可做到平整光滑，对金属法兰不粘着。但回弹性较差，一般用在对金属法兰不粘着。但回弹性较差，一般用在常压、低温条件下。低温可达常压、低温条件下。低温可达-269.9-26

31、9.9，但价，但价格贵，所以多用于低压小直径管道上。格贵，所以多用于低压小直径管道上。 54 新型材料新型材料-膨胀石墨膨胀石墨是近十年来在国外普遍受到重视的密封材料，适是近十年来在国外普遍受到重视的密封材料，适用范围越来越广。它具有良好的耐热性能和耐化用范围越来越广。它具有良好的耐热性能和耐化学性能，回弹性好。预紧密封比压较小，仅为同学性能，回弹性好。预紧密封比压较小，仅为同厚度的石棉橡胶极比压的厚度的石棉橡胶极比压的1/7，M也较小，需要也较小，需要的螺栓力小。国外普遍应用于的螺栓力小。国外普遍应用于110.5MPa压力压力的化工管道密封，特别适用于有毒，易燃、高温的化工管道密封，特别适用

32、于有毒，易燃、高温的密封场合，石油炼厂和化工厂应用越来越广泛的密封场合，石油炼厂和化工厂应用越来越广泛。它在。它在500的高温下不发生蠕变，在深冷温度的高温下不发生蠕变，在深冷温度下，性能几乎无变化。下，性能几乎无变化。 -19655金属垫片金属垫片具有耐高温、高压、耐油、耐腐蚀等优点具有耐高温、高压、耐油、耐腐蚀等优点其主要的材料有其主要的材料有 ：铝：铝：软铝软铝铜：铜：黄铜、紫铜黄铜、紫铜低碳钢：低碳钢：A3A3、2020等等不锈钢：不锈钢：Cr13Cr13、Cr18Ni9Cr18Ni9等等低碳合金钢：低碳合金钢：钛：钛：银：银：蒙乃尔合金蒙乃尔合金 等等等等 56 其断面形状主要有：平

33、形、波纹形、圆形、平形、波纹形、圆形、椭圆形、梯形、椭圆形、梯形、C C形、形、B B形等等。形等等。金属垫片具有很高的强度，金属垫片具有很高的强度，X X、Y Y值很大，值很大，主要用在高温高压的场合。主要用在高温高压的场合。57组合类垫片组合类垫片 缠绕类：缠绕类：金属、非金属相间缠绕。金属、非金属相间缠绕。包裹类：包裹类：金属包裹非金属。金属包裹非金属。 适用于中低压、中低温场合适用于中低压、中低温场合缠绕式垫片的优点：缠绕式垫片的优点： 采用金属波带形，使垫片具有较好的弹性和回采用金属波带形，使垫片具有较好的弹性和回 弹性，而且强度高，不易损坏。弹性，而且强度高，不易损坏。 耐高温，并

34、且在很宽温度变化范围均能良好的耐高温，并且在很宽温度变化范围均能良好的适应。适应。58对法兰密封面粗糙度要求不高，在对法兰密封面粗糙度要求不高，在Ra6.33.2内内也能适用，特别是对法兰的歪斜和变形能很好的也能适用，特别是对法兰的歪斜和变形能很好的适应。适应。根据不同用途，只要适当选用缠绕材料，既可根据不同用途，只要适当选用缠绕材料，既可满足各种使用要求。满足各种使用要求。能承受较高的介质压力。能承受较高的介质压力。59根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，选择合适的螺栓材料，选择合适的螺栓材料，计算螺栓直径与个数，计算螺栓直径与个数，按螺纹和螺栓标准确定螺

35、栓尺寸，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸，最后验算螺栓间距。最后验算螺栓间距。内内容容（3 3）螺栓设计）螺栓设计60a. a. 垫片压紧力垫片压紧力b.b.螺栓载荷计算螺栓载荷计算c. c. 螺栓设计螺栓设计计算内容计算内容61已知垫片材料的已知垫片材料的性能参数性能参数（m，y）及垫片及垫片的的计算密封宽度计算密封宽度，就可计算出一定直径和，就可计算出一定直径和压力下垫片所需的压紧力。压力下垫片所需的压紧力。a. 垫片压紧力垫片压紧力62A、预紧时的螺栓力：、预紧时的螺栓力： 因没有内压、螺栓拉力等于保证垫片初始密因没有内压、螺栓拉力等于保证垫片初始密封所需的预紧力。封所需的预紧力。即：即：a

36、GaWbyDFDGFaWa预紧状态下63aFGDaW式中：式中：-预紧状态下，需要的最小垫片压紧力预紧状态下，需要的最小垫片压紧力- 垫片压紧力作用中心圆计算直径，垫片压紧力作用中心圆计算直径，mmb - 预紧有效密封宽度预紧有效密封宽度, mmy - 预紧密封比压预紧密封比压, MPa-预紧时的螺栓载荷预紧时的螺栓载荷64GD06.4mmb GD06.4mmb GDb20b其中：其中：需根据垫片与法兰面接触情况定：需根据垫片与法兰面接触情况定：等于垫片接触的平均直径。等于垫片接触的平均直径。时，时，等于垫片接触的外径减去等于垫片接触的外径减去- 垫片的基本宽度垫片的基本宽度（与实际结构及垫片

37、型式有关）（与实际结构及垫片型式有关） 当当当当时，时，65bobb 06.4mmb obb 06.4mmb 08 . 0bb 其中：其中：垫片有效宽度垫片有效宽度接触情况确定。因为预紧之后，法兰有一接触情况确定。因为预紧之后，法兰有一定偏转，可能造成外紧内松或外松内紧，定偏转，可能造成外紧内松或外松内紧，而使密封面变小，所以要用有效宽度，即而使密封面变小，所以要用有效宽度，即 当当 时，取时，取 当当时，取时，取要根据法兰密封面与垫片的要根据法兰密封面与垫片的66B. 操作状态下螺栓力计算：操作状态下螺栓力计算：FPFPPFFW螺栓力等于介质压力产生的轴向力螺栓力等于介质压力产生的轴向力的压

38、紧力的压紧力之和。即：之和。即：与垫片工作时与垫片工作时FWpFpDG操作状态下Pc67PWFcGPDF24PFcGPbmPDF2mb2cmPb2式中：式中：-操作状态下需要的最小螺栓力操作状态下需要的最小螺栓力 -介质产生的轴向力介质产生的轴向力 - - 操作状态下需要的最小垫片压紧力操作状态下需要的最小垫片压紧力 -考虑操作时，认为工作密封比压考虑操作时，认为工作密封比压均匀分布在均匀分布在接触得更好。接触得更好。- - 垫片系数垫片系数的宽度上，的宽度上，68表表410 垫垫 片片 选选 用用 表表0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2金属环垫金属环垫环连接面环连接面45

39、153010、0Cr13、0Cr18Ni9金属齿形垫金属齿形垫凹凸凹凸4506.410.00Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、金属包垫、缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫柔性石墨复合垫凹凸凹凸414500Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、柔性石墨缠绕垫、柔性石墨复合垫复合垫凹凸凹凸404.00Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、金属包垫、缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫柔性石墨复合垫突（凹凸）突（凹凸）201450耐油橡胶石棉板、耐油橡胶石棉板、0Cr13钢带钢带-石棉板石棉板耐油垫、缠绕垫

40、、耐油垫、缠绕垫、金属包垫、柔性石金属包垫、柔性石墨复合垫墨复合垫突（凹凸）突（凹凸）2002.50Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、金属包垫、缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫柔性石墨复合垫突（凹凸）突（凹凸）201250耐油橡胶石棉板、耐油橡胶石棉板、聚四氟乙烯板聚四氟乙烯板耐油垫、四氟垫耐油垫、四氟垫突（凹凸）突（凹凸）2001.6油品、油油品、油气，溶剂气，溶剂（丙烷、（丙烷、丙酮、苯、丙酮、苯、酚、糠醛、酚、糠醛、异丙醇），异丙醇），石油化工石油化工原料及产原料及产品品材材 料料型型 式式垫垫 片片密封面密封面工作温度工作温度 /法兰公称法兰公称压力

41、压力/MPa介介 质质690Cr13、0Cr18Ni9金属环垫金属环垫环连接面环连接面45010.0紫铜板紫铜板紫铜垫紫铜垫凹凸凹凸4006.43.5MPa0Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架、紫铜等骨架、紫铜板板缠绕垫、柔性石墨复合垫、紫缠绕垫、柔性石墨复合垫、紫铜垫铜垫3004.02.5 MPa0Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫缠绕垫、柔性石墨复合垫突突2801.61.0MPa中压橡胶石棉板中压橡胶石棉板橡胶垫橡胶垫突突2001.00.3MPa蒸蒸汽汽中压橡胶石棉板中压橡胶石棉板橡胶垫橡胶垫突突1501.6压缩空气压

42、缩空气中压橡胶石棉板中压橡胶石棉板橡胶垫橡胶垫凹凸凹凸1502.5氨氨0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2金属环垫金属环垫环连接面环连接面4015300Cr13、0Cr18Ni9金属环垫金属环垫环连接面环连接面25140010、0Cr13、0Cr18Ni9金属环垫金属环垫环连接面环连接面2506.410.00Cr18Ni19钢带钢带-石墨带、石墨带、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2缠绕垫、金属齿形垫缠绕垫、金属齿形垫凹凸凹凸4515300Cr18Ni19钢带钢带-石墨带石墨带石墨石墨-0Cr18Ni19等骨架等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸凹凸251450

43、0Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸凹凸2504.0氢气、氢气氢气、氢气与油气混合与油气混合物物表表410 垫垫 片片 选选 用用 表（续）表（续）70耐油橡胶石棉板、石墨耐油橡胶石棉板、石墨-0Cr13等骨架等骨架耐油垫、柔性石墨耐油垫、柔性石墨复合垫复合垫突突-2004.0低温油气低温油气蒙乃尔合金带蒙乃尔合金带-石墨带、石墨带、蒙乃尔合金板蒙乃尔合金板缠绕垫、金属平垫缠绕垫、金属平垫凹凸凹凸1704.0氢氟酸氢氟酸紫铜紫铜金属平垫金属平垫2601.0环氧乙烷环氧乙烷0Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr

44、13等骨架等骨架缠绕垫、柔性石墨缠绕垫、柔性石墨复合垫复合垫突突502.5耐油橡胶石棉板耐油橡胶石棉板耐油垫耐油垫突突501.6液化石油气液化石油气0Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、柔性石墨缠绕垫、柔性石墨复合垫复合垫凹凸凹凸4502.5中压橡胶石棉板中压橡胶石棉板橡胶垫橡胶垫突突3001.6弱酸、弱减、弱酸、弱减、酸渣、碱渣酸渣、碱渣0Cr13钢带钢带-石墨带石墨带缠绕垫缠绕垫环连接面环连接面1.6剧毒介质剧毒介质中压橡胶石棉板中压橡胶石棉板橡胶垫橡胶垫突突3001.6水水0Cr13（0Cr18Ni9）钢带）钢带-石棉板石棉板缠绕垫缠绕垫凹凸凹凸606.

45、40Cr13钢带钢带-石棉板石棉板石墨石墨-0Cr13等骨架等骨架缠绕垫、柔性石墨缠绕垫、柔性石墨复合垫复合垫凹凸凹凸604.0中压橡胶石棉板中压橡胶石棉板橡胶垫橡胶垫突突2001.6惰性气体惰性气体表表410 垫垫 片片 选选 用用 表（续）表（续）71表表4-11 垫片密封基本宽度垫片密封基本宽度bo72 表表4-11 垫片密封基本宽度垫片密封基本宽度bo（续）（续）73b b 螺栓尺寸和数目：螺栓尺寸和数目：为了保证预紧和操作时都能形成可靠的密封，应为了保证预紧和操作时都能形成可靠的密封，应分别求出两种工况下螺栓的截面积，择其大者为分别求出两种工况下螺栓的截面积，择其大者为所需螺栓截面积

46、，从而确定螺栓直径与个数。所需螺栓截面积，从而确定螺栓直径与个数。a 选择螺栓材料：选择螺栓材料：螺栓与螺母应采用不同材料或同种材料但不同的螺栓与螺母应采用不同材料或同种材料但不同的热处理条件，使其具有不同的硬度，螺栓材料硬热处理条件，使其具有不同的硬度，螺栓材料硬度应比螺母高度应比螺母高30HB以上。以上。c. 螺栓设计螺栓设计原则：原则：74预紧状态下预紧状态下:按常温计算，螺栓所需截面积为按常温计算，螺栓所需截面积为aAbaaWAaWb式中：式中： - - 预紧状态下的螺栓载荷预紧状态下的螺栓载荷- - 常温下螺栓材料的许用应力常温下螺栓材料的许用应力, ,MPa操作状态下操作状态下:

47、按螺栓设计温度计算，按螺栓设计温度计算， 螺栓所需总截面积为螺栓所需总截面积为PA75 PPtbWAPWtb式中：式中： - - 操作状态下的螺栓载荷操作状态下的螺栓载荷 -设计温度下螺栓材料的许用应力设计温度下螺栓材料的许用应力, ,MPa76,maxpamAAAkn40dmoAdn2441.13mmoAAdnn实际所需取实际所需取:若选用螺栓个数若选用螺栓个数:则每个螺栓的直径为：则每个螺栓的直径为：则有：则有：（式中：（式中：k取正整数，即：取正整数，即：k=1，2，3）77C、根据上面计算的螺纹根径、根据上面计算的螺纹根径0d查相应手册，向上圆整至标准值。查相应手册，向上圆整至标准值。

48、D、验算螺栓间距：、验算螺栓间距： 也就是说也就是说n n到底需要选多少？到底需要选多少？ 从密封的角度考虑似乎越多越好，但如果多从密封的角度考虑似乎越多越好，但如果多到不能用扳手也不合格。所以要校核螺栓间距。到不能用扳手也不合格。所以要校核螺栓间距。 根据螺栓中心圆的直径和螺栓个数根据螺栓中心圆的直径和螺栓个数n n确定螺栓确定螺栓间距：间距：bDLn78maxminLLLminLmaxL) 5 . 0(62maxmdLfBBdf并且满足下述关系式：并且满足下述关系式： 最小间距：最小间距：按按P160表表4-12选取选取最大间距：最大间距：按下式计算：按下式计算： 式中：式中：- - 螺栓

49、公称直径螺栓公称直径 - 法兰有效厚度法兰有效厚度m - 垫片系数垫片系数79L表表4-13 LA、Le及螺栓间距及螺栓间距的最小值的最小值 /mm LL注：注：A组数据适用于（组数据适用于（a）图所示的带颈法兰结构；）图所示的带颈法兰结构； B组数据适用于（组数据适用于（b）图所示的焊制法兰结构。）图所示的焊制法兰结构。7080901021163036424855353844485660703036424856323846525662161820242628162024262730202430323438121620222427B组组A组组B组组A组组LeLA螺栓公称螺栓公称直径直径dBLe

50、LA螺栓公称直径螺栓公称直径dB螺栓最小间距L螺栓最小间距L80设计时：设计时：do与与n是互相关联的未知数，是互相关联的未知数，先假设螺栓个先假设螺栓个数数 n算出螺栓根算出螺栓根径径d do o将将do圆整为圆整为罗纹标准公罗纹标准公称直称直 径径n n应为偶应为偶数，最好数，最好是是4 4的倍数的倍数实际螺栓截实际螺栓截面积不小于面积不小于Am保证保证螺栓公称直径螺栓公称直径一般不小于一般不小于M1281法兰结构类型及标准法兰结构类型及标准1、法兰类型、法兰类型(见见P138页）页） a.a.按使用场合分：按使用场合分： 分为如下两种分为如下两种容器法兰：容器法兰：用于容器的壳体和封头连

51、接的法兰用于容器的壳体和封头连接的法兰 用于容器的筒节和筒节连接的法兰用于容器的筒节和筒节连接的法兰管法兰：管法兰：用于管道连接的法兰用于管道连接的法兰 82b、按法拦接触面的宽窄分：分为如下两种、按法拦接触面的宽窄分：分为如下两种宽面法兰：宽面法兰：即螺栓孔两侧都有垫片即螺栓孔两侧都有垫片 - - 螺栓从垫片中穿过。螺栓从垫片中穿过。主要用于中、低压设备上主要用于中、低压设备上窄面法兰：窄面法兰：即螺栓孔一侧垫片即螺栓孔一侧垫片83C、按法兰自身的结构型式分：、按法兰自身的结构型式分： 分为如下的三种型式分为如下的三种型式整体法兰：整体法兰：其结构将法兰与壳体锻或铸成一其结构将法兰与壳体锻或

52、铸成一 体或经全熔透的平焊法兰。体或经全熔透的平焊法兰。松式法兰：松式法兰：指法兰不直接固定在壳体上，或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。一个整体承受螺栓载荷的结构。 任意法兰；任意法兰；从结构来看，这种法兰与壳体连从结构来看，这种法兰与壳体连 成一体，但刚性介于整体和松式成一体，但刚性介于整体和松式 法兰之间。法兰之间。 84a、松式法兰（松式法兰（P139页图页图4-25）活套法兰活套法兰螺纹法兰螺纹法兰搭接法兰搭接法兰 指法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能指法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证与壳

53、体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。保证与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。 如：如：活套法兰、螺纹法兰、搭接法兰活套法兰、螺纹法兰、搭接法兰等等。85活套法兰活套法兰8687螺纹法兰螺纹法兰8889搭接法兰搭接法兰9091a、松式法兰松式法兰活套活套法兰法兰但法兰刚度小，厚度较厚，一般只适但法兰刚度小，厚度较厚，一般只适用于压力较低的场合用于压力较低的场合典型的松式法兰，其法兰的力矩完全典型的松式法兰，其法兰的力矩完全由法兰环本身来承担，对设备或管道由法兰环本身来承担，对设备或管道不产生附加弯曲应力不产生附加弯曲应力适用于有色金属和不锈钢制设备或管适用于有色金属和不锈钢制设备或管道上，且法兰

54、可采用碳素钢制作，以道上，且法兰可采用碳素钢制作，以节约贵重金属节约贵重金属92b b、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 93整体法兰整体法兰94959697整体法兰整体法兰98b b、整体法兰整体法兰特点特点保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度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可适当减薄；但会在壳体上产生较大应力。力。带颈法兰：带颈法兰：提高法兰与壳体的连接刚度，适用提高法兰与壳体的连接刚度，适用 于压力、温度较高的重要场合。于压力、温度较高的重要场合。99c c、任意式法兰任意式法兰 从

55、结构来看，这种法兰与壳体连成一体，但刚从结构来看，这种法兰与壳体连成一体，但刚性介于整体法兰和松式法兰之间。性介于整体法兰和松式法兰之间。100任意式法兰任意式法兰101任意式法兰任意式法兰102任意式法兰任意式法兰103104105106107108109c c、任意式法兰任意式法兰 计算按整体法兰，当法兰颈部厚度计算按整体法兰，当法兰颈部厚度 o15 mm，法兰内直，法兰内直 径径Di/o300， 计算压力计算压力Pc2MPa，t370时，时， 可简化为不带颈的松式法兰计算。可简化为不带颈的松式法兰计算。 这类法兰结构简单，加工方便，故在这类法兰结构简单，加工方便，故在 中低压容器或管道中

56、得到广泛应用。中低压容器或管道中得到广泛应用。110(2)法兰标准法兰标准为简化计算、降低成本、增加互换性，世界各国为简化计算、降低成本、增加互换性，世界各国都制订了一系列法兰标准。都制订了一系列法兰标准。实际：实际：分类：分类：应尽可能选用标准法兰。只有使用大直径、应尽可能选用标准法兰。只有使用大直径、特殊工作参数和结构形式时才需自行设计。特殊工作参数和结构形式时才需自行设计。管法兰、容器法兰管法兰、容器法兰。相同公称直径、公称。相同公称直径、公称压力的管法兰与容器法兰的连接尺寸各不压力的管法兰与容器法兰的连接尺寸各不相同，二者不能相互套用。相同，二者不能相互套用。选择法兰的主要参数选择法兰

57、的主要参数公称压力（公称压力（PN）公称直径（公称直径（DN）111公称直径（公称直径（DN ）公称直径是容器和管道标准化后的尺寸系列，按公称直径是容器和管道标准化后的尺寸系列，按国家标准规定的系列选用。国家标准规定的系列选用。容器法兰容器法兰管法兰管法兰是指名义直径，是与内径相近的某个是指名义直径，是与内径相近的某个数值，公称直径相同的钢管，外径是数值，公称直径相同的钢管，外径是相同的，由于厚度是变化的，所以内相同的，由于厚度是变化的，所以内径也是变化的，如径也是变化的，如DN100的无缝钢管的无缝钢管有有1084、1084.5、1085等规等规格。格。是容器内径是容器内径（用管子作筒体的容

58、器除外）（用管子作筒体的容器除外）112容器与管道的公称直径应按国家标准规定的容器与管道的公称直径应按国家标准规定的系列选用。如：系列选用。如：管子管子 10 15 20 25 32 40 50 70 80 100管件管件 125 150 200 250 300 400 450 500 等等等等容器容器 300 （350） 400 （450） 500 （550） 600 （650） 700 800 900 1000 （1100）1200 113公称压力公称压力 是压力容器或管道的标准化压力等级，即按是压力容器或管道的标准化压力等级，即按标准化要求将工作压力划分为若干各压力等级。标准化要求将工作

59、压力划分为若干各压力等级。 也指规定温度下的最大工作压力，也是一种也指规定温度下的最大工作压力，也是一种经过标准化后的压力数值经过标准化后的压力数值。 在容器设计选用零部件时，应选取设计压力在容器设计选用零部件时，应选取设计压力相近且有稍高一级的公称压力。当容器零部件设相近且有稍高一级的公称压力。当容器零部件设计温度升高且影响金属材料强度极限时，则要按计温度升高且影响金属材料强度极限时，则要按更高一级的公称压力选取零部件。如：更高一级的公称压力选取零部件。如：常见的公常见的公称压力等级有：称压力等级有：0.25、0.4、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0114例：例：PN2.5长颈对焊法兰

60、，在长颈对焊法兰，在-20200时的允许工作时的允许工作压力为压力为2.5MPa，但若将它用于，但若将它用于400，它的最高允，它的最高允许工作压力为许工作压力为1.93MPa；若改用；若改用20号钢制造，则号钢制造，则-20200的允许工作压力为的允许工作压力为1.81MPa，而温度升，而温度升高到高到400时，允许工作压力降低为时，允许工作压力降低为1.26MPa。因。因此，选用的法兰压力等级应不低于法兰材料在工此，选用的法兰压力等级应不低于法兰材料在工作温度下的允许工作压力。作温度下的允许工作压力。公称压力公称压力是以是以16Mn在在200时的最高工作压时的最高工作压力为依据制定的力为依