压力容器的设计_压力容器零部件(法兰)

1、第四章第四章 压力容器零部件压力容器零部件教学重点：教学重点： 各零部件标准的选用。各零部件标准的选用。教学难点：教学难点： 标准法兰的选用。标准法兰的选用。被连接件被连接件 连接件连接件 密封元件密封元件 法兰联接法兰联接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312第一节第一节 容器法兰与管法兰容器法兰与管法兰一、法兰联接结构与密封原理一、法兰联接结构与密封原理 1、密封组成、密封组成连接结构：法兰连接结构（外观）法兰连接结构（剖开看）泄漏途径泄漏途径 密封原理密封原理压紧面泄漏压紧面泄漏 垫片渗漏垫片渗漏 当压力介质通过密封口当压力介质通过密封口的阻力降大

2、于密封口两的阻力降大于密封口两侧的介质压力降时，介侧的介质压力降时，介质就被密封住质就被密封住3122、工作原理、工作原理 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-法兰法兰通过垫片材料本体毛细通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏。可通过管的渗透泄漏。可通过对渗透性垫片材料添加对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成或与不透性材料组合成型来避免型来避免“垫片渗漏垫片渗漏”。沿着垫片与压紧面之沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大间的泄漏，泄漏量大小主要与界面间隙尺小主要与界面间隙尺寸有关。寸有关。“压紧面泄压紧面泄漏漏”是密封失效的主是密

3、封失效的主要途径。要途径。垫片渗漏垫片渗漏压紧面泄漏压紧面泄漏泄漏泄漏压紧面泄漏压紧面泄漏垫片渗漏垫片渗漏 泄漏形式泄漏形式螺栓法兰连接的整个工作过程：螺栓法兰连接的整个工作过程：图图6-3（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）尚未预紧工况 将上、下法兰压紧面和垫片的将上、下法兰压紧面和垫片的 接触处的微观尺寸放大，表面接触处的微观尺寸放大，表面 是凹凸不平的，这就是流体泄是凹凸不平的，这就是流体泄 漏的通道。漏的通道。（a）尚未预紧工况尚未预紧工况密封机理图密封机理图（b）预紧工况（无内压）预紧工况（无内压） 拧紧螺栓，螺栓

4、力通过法兰压拧紧螺栓，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。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，称为上所需的最小压紧力，称为“” ” ，单位为，单位为MPaMPa。在预紧工。在预紧工况下，如垫片单位面积上所受的压况下，如垫片单位面积上所受的压紧力小于比压力紧力小于比压力y y，介质即发生泄漏。，介质即发生泄漏。引入概念引入概念1“预紧比压预紧比压y”（b）预紧工况预紧工况密封机理图密封机理图y

5、值仅与垫片材料、值仅与垫片材料、结构与厚度有关。结构与厚度有关。通入介质通入介质压力上升压力上升密封比压下降密封比压下降导致导致垫片弹性压缩变形部分产生回弹，使压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紧面上的密封比压力仍能维持以以保持密封性能。保持密封性能。为保证在操作状态时法兰的密封性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，能而必须施加在垫片上的压应力，称为称为。操作密封比压往往用介质计算压力操作密封比压往往用介质计算压力的的m倍表示，倍表示， m称为称为“垫片系数垫片系数”。引入概念引入概念2“操作密封比压操作密封比压”（c）操作工况操作工况（c）

6、操作工况操作工况 密封机理图密封机理图二、法兰的结构与分类二、法兰的结构与分类1、按法兰接触面分、按法兰接触面分 窄面法兰与宽面法兰窄面法兰与宽面法兰整体法兰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。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、按法兰与设备或管道的联接方式划分图图6-5 整体法兰整体法兰整体法兰整体法兰整体法兰整体法兰松套法兰（活套法兰）松套法兰（活套法兰）法兰不直接固定在

7、壳体上或虽然固定而不能保证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。与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。 松套法兰松套法兰松套法兰松套法兰螺纹法兰螺纹法兰 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。加应力较小。常用于高压管道。螺纹法兰螺纹法兰圆形、方形和椭圆形3、按法兰形状分、按法兰形状分不同形状的法兰不同形状的法兰三、影响法兰密封的因素三、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、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

8、施来提高密封性能。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，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。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。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。预紧力使垫片压紧实现初始密封。1、螺栓预紧力、螺栓预紧力主要根据工艺条件、密封口径以及准备采用的主要根据工艺条件、密封口径以及准备采用的垫片等进行（常用垫片等进行（常用5 5种）选择种）选择u形状和粗糙度应与垫片相匹配形状和粗糙度

9、应与垫片相匹配;u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；使用金属垫片时其压紧面的质量要求比使用非金属垫片时高；u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；u应能均匀地压紧垫片，保证平面度和垂直度。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质量要求 压紧面的型式压紧面的型式2、压紧面（密封面）、压紧面（密封面）平面型压紧面平面型压紧面 优点：结构简单，加工方便。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

10、法兰等零件要求高、笨重，垫片易挤出，密封性能较差。使用压力用压力P2.5MPa，有毒、易燃、易爆介质中不能使用。有毒、易燃、易爆介质中不能使用。凹凸型压紧面凹凸型压紧面 由一个凹面和一个凸由一个凹面和一个凸面配合组成。垫片放面配合组成。垫片放凹面中。凹面中。优点：便于对中，能优点：便于对中，能防垫片挤出。防垫片挤出。可用在可用在P6.4MPa，DN800mm榫槽型压紧面榫槽型压紧面 一榫一槽密封面组成，优点一榫一槽密封面组成，优点是对中性好，密封预紧压力是对中性好，密封预紧压力小，垫片不易挤出，不受介小，垫片不易挤出，不受介质冲刷，用于易燃易爆密封质冲刷，用于易燃易爆密封要求高处。缺点是更换较

11、困要求高处。缺点是更换较困难，榫易损坏。难，榫易损坏。注意：应使固定在设备上的注意：应使固定在设备上的法兰为槽面法兰为槽面, ,可拆下部分的法可拆下部分的法兰为榫面。兰为榫面。锥形压紧面锥形压紧面 通常用于高压密封，通常用于高压密封，其缺点是需要的尺寸其缺点是需要的尺寸精度和表面粗糙度要精度和表面粗糙度要求高。须与透镜垫片求高。须与透镜垫片配合配合, ,常用于高压管道常用于高压管道。 梯形槽压紧面梯形槽压紧面 槽底不起密封作用，是槽底不起密封作用，是槽的内外锥面与垫片接槽的内外锥面与垫片接触成梯形触成梯形, ,形成密封的，形成密封的，与椭圆或八角形截面的与椭圆或八角形截面的金属垫圈配合。金属垫

12、圈配合。 垫片密封面的塑性变形能力 实现初始密封； 垫片材料及结构的回弹能力 提高工作状态下的残余密封比压。 耐腐蚀能力。 力学性能，尤其抗高温蠕变能力。 工作温度下的变质硬化或软化性。3、垫片性能、垫片性能垫片类型：垫片类型：法兰在外力作用下抵抗变形的能力。刚度小受力後变形大，垫片受力不均，易泄漏。法兰受力法兰受力：思考：法兰将如何变形？4、法兰刚度、法兰刚度法兰变形法兰变形1:法兰变形法兰变形2密封失效的主密封失效的主要原因之一要原因之一提高法兰刚度的措施：提高法兰刚度的措施：增加法兰厚度增加法兰厚度；减小螺栓力作用的力臂减小螺栓力作用的力臂( (即缩小即缩小中心圆直径中心圆直径) )；增

13、大法兰盘外径增大法兰盘外径；螺栓数量要足螺栓数量要足够够。刚度不足：过大的翘曲变形刚度不足：过大的翘曲变形在压力、介质和温度的联合作用下，尤其是波动在压力、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。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对密封性能指压力、温度及介质的物理化学性质对密封性能的影响的影响。 特特 点点高温下，介质粘度小，渗透性大，易泄漏；介质高温下，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，增加了泄漏的可对垫片和法兰的腐蚀作用加剧，增加了泄漏的可

14、能性；法兰、螺栓和垫片均会产生较大的高温蠕能性；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。会加速老化、变质，甚至烧毁。 原原 因因5、操作条件、操作条件四、法兰标准及选用四、法兰标准及选用 平焊法兰平焊法兰 对焊法兰对焊法兰 甲型甲型 压力容器压力容器法法 兰兰乙型乙型 1、压力容器法兰标准、压力容器法兰标准平焊法兰平焊法兰 焊缝形式：甲型为焊缝形式：甲型为V型坡口，乙型为型坡口，乙型为U型坡口，型坡口，因此乙型更易焊透，故其强度和刚度更高。因此乙型更易焊透，故其强度和刚度更高。比较比较

15、乙型法兰带有一个短筒体，因此刚性较甲型法兰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；好，可用于压力较高，直径较大的场合；平焊法兰平焊法兰 特点特点 由于有长颈，并由于有长颈，并采用对焊，故刚采用对焊，故刚性更好，用于压性更好，用于压力更高处力更高处. . 对焊法兰对焊法兰 平焊与对焊平焊与对焊法兰都有带法兰都有带衬环与不带衬环与不带衬环两种。衬环两种。 注意问题注意问题 密封面都有密封面都有平面型、凹平面型、凹凸型、榫槽凸型、榫槽型三种。型三种。 带衬环的甲型平焊法兰带衬环的甲型平焊法兰选择法兰的主要参数选择法兰的主要参数公称压力（公称压力（PN）公称直径（

16、公称直径（DN）2、如何选用压力容器法兰、如何选用压力容器法兰公称直径公称直径 公称直径的确定： 管法兰与相联接管子的公称直径相同； 压力容器法兰 板卷筒体，与相联接筒体的公称直径相同； 无缝钢管作筒体，与相联接无缝管的公称直径相同。公称压力公称压力 法兰公称压力与法兰的最大操作压力和操作温度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。以及法兰材料三个因素有关。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，因此当法兰材料和工作温度不力为依据制定的，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。同时，最大工作压力将降低或

17、升高。公称压力 PN 法兰材质 最大允许工作压力 (MPa)-20200 300350 0.6 Q235-A 0.4 0.33 0.30 16MnR 0.6 0.51 0.49 15MnVR 0.65 0.63 0.63、压力容器法兰的标记、压力容器法兰的标记压力容器法兰设计步骤：压力容器法兰设计步骤：（1）确定DN;（2）根据法兰材质、工作温度和最高工作压力法兰材质、工作温度和最高工作压力，确定PN；（3）由PN,DN确定法兰形式及连接尺寸、螺栓尺寸及数量。（4）根据介质工作温度、工作压力确定密封面及垫 片类型；（5）确定螺栓、螺帽材质；（6）绘制草图。2.管法兰管法兰管法兰标准管法兰标准：

18、1）HG205922063597 钢制管法兰、垫片、紧固件2）GB91129123 钢制管法兰注：压力容器安全技术监察规程推荐1）。a.板式平焊(PL)HG20592-97 管法兰类型：管法兰类型：c.带颈对焊法兰(WN)b.带颈平焊(SO)e.承插焊(SW)h.平焊环松套板式f.翻边松套板式f.螺纹法兰方法兰椭圆形法兰i.法兰盖例题为一台精流塔配一对连接塔身与封头的法兰。为一台精流塔配一对连接塔身与封头的法兰。塔的内径为塔的内径为1000mm,操作温度为操作温度为280，设计压力设计压力为为0.2MPa。塔体材质为塔体材质为Q235-B。介质无腐蚀性。介质无腐蚀性及其他危害。及其他危害。解：1.确定