第7章容器零部件設計(2014)

1、化工設備機械基礎 主講教師：鐘磊主講教師：鐘磊 廣西民族大學廣西民族大學 化學化工學院化學化工學院主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、法蘭聯(lián)接二、容器支座和檢查孔三、開孔與補強一、法蘭聯(lián)接一、法蘭聯(lián)接 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，或為制造、運輸、安根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，或為制造、運輸、安裝、檢修方便，常采用可拆卸的聯(lián)接結構。常裝、檢修方便，常采用可拆卸的聯(lián)接結構。常見的可拆卸結構有：見的可拆卸結構有：法蘭聯(lián)接、法蘭聯(lián)接、螺紋聯(lián)接和承螺紋聯(lián)接和承插式聯(lián)接。插式聯(lián)接。 法蘭聯(lián)接具有較好強度和緊密性，適用尺法蘭聯(lián)接具有較好強度和緊密性，適用尺寸范圍寬，在設備和管道中應用最為普遍。設寸范圍寬，在設備和管道中應用最為普遍。設備法蘭與

2、管法蘭均已制定出標準。根據(jù)公稱直備法蘭與管法蘭均已制定出標準。根據(jù)公稱直徑和公稱壓力，可以從標準中查到，少量超出徑和公稱壓力，可以從標準中查到，少量超出標準規(guī)定范圍法蘭，才需進行設計。標準規(guī)定范圍法蘭，才需進行設計。一、法蘭聯(lián)接一、法蘭聯(lián)接通過墊片材料本體毛細管的通過墊片材料本體毛細管的滲透泄漏，除了受介質(zhì)壓力、滲透泄漏，除了受介質(zhì)壓力、溫度、粘度、分子結構等流溫度、粘度、分子結構等流體狀態(tài)性質(zhì)影響外，主要與體狀態(tài)性質(zhì)影響外，主要與墊片的結構與材料性質(zhì)有關，墊片的結構與材料性質(zhì)有關，可通過對滲透性墊片材料添可通過對滲透性墊片材料添加某些填充劑進行改良，或加某些填充劑進行改良，或與不透性材料組合

3、成型來避與不透性材料組合成型來避免免“滲透泄漏滲透泄漏”。沿著墊片與壓緊面之間的泄沿著墊片與壓緊面之間的泄漏，泄漏量大小主要與界面漏，泄漏量大小主要與界面間隙尺寸有關。壓緊面就是間隙尺寸有關。壓緊面就是指上、下法蘭與墊片的接觸指上、下法蘭與墊片的接觸面。加工時壓緊面上凹凸不面。加工時壓緊面上凹凸不平的間隙及壓緊力不足是造平的間隙及壓緊力不足是造成成“界面泄漏界面泄漏”的直接原因。的直接原因?！敖缑嫘孤┙缑嫘孤笔敲芊馐У氖敲芊馐У闹饕緩?。主要途徑。滲透泄漏滲透泄漏界面泄漏界面泄漏泄漏泄漏一、法蘭聯(lián)接一、法蘭聯(lián)接l 法蘭密封原理法蘭密封原理 預緊力壓緊墊片：預緊力壓緊墊片：壓緊應力（墊片密

4、封比壓力）壓緊應力（墊片密封比壓力）到一定數(shù)值使墊片變形，密封面上微隙被填滿，到一定數(shù)值使墊片變形，密封面上微隙被填滿，形成初始密封條件。形成初始密封條件。 密封比壓力主要決定于墊片材質(zhì)。墊片材質(zhì)確密封比壓力主要決定于墊片材質(zhì)。墊片材質(zhì)確定后，墊片越寬，為保證比壓力，預緊力越大，定后，墊片越寬，為保證比壓力，預緊力越大，螺栓和法蘭尺寸也越大，所以墊片不應過寬，更螺栓和法蘭尺寸也越大，所以墊片不應過寬，更不應該把整個法蘭面都鋪滿墊片。不應該把整個法蘭面都鋪滿墊片。 工作狀態(tài)：工作狀態(tài)：內(nèi)壓產(chǎn)生軸向拉伸力，降低了壓緊內(nèi)壓產(chǎn)生軸向拉伸力，降低了壓緊應力。墊片有足夠回彈，補償變形，預緊密封比應力。墊片

5、有足夠回彈，補償變形，預緊密封比壓值不小于某一值壓值不小于某一值(工作密封比壓工作密封比壓)，保持良好密，保持良好密封。反之，回彈不足，則此密封失效。封。反之，回彈不足，則此密封失效。一、法蘭聯(lián)接一、法蘭聯(lián)接l 法蘭密封原理法蘭密封原理 密封元件在操作壓力作用下，仍然保持一定的密封元件在操作壓力作用下，仍然保持一定的殘余壓緊力。螺栓和法蘭須有足夠大的強度和剛殘余壓緊力。螺栓和法蘭須有足夠大的強度和剛度，不發(fā)生過大的變形。度，不發(fā)生過大的變形。(a)(b)(c)F1F1F1F1pFpFp一、法蘭聯(lián)接一、法蘭聯(lián)接l 法蘭分類法蘭分類 整體法蘭整體法蘭將法蘭與殼體鍛或鑄成一體或經(jīng)全熔透的平焊法蘭。將

6、法蘭與殼體鍛或鑄成一體或經(jīng)全熔透的平焊法蘭。 保證殼體與法蘭同時受力，使法蘭厚度可適當減??；保證殼體與法蘭同時受力，使法蘭厚度可適當減?。坏珪跉んw上產(chǎn)生較大應力。但會在殼體上產(chǎn)生較大應力。一、法蘭聯(lián)接一、法蘭聯(lián)接l 法蘭分類法蘭分類 松式法蘭松式法蘭指法蘭不直接固定在殼體上或者雖固定而不能保證與指法蘭不直接固定在殼體上或者雖固定而不能保證與殼體作為一個整體承受螺栓載荷的結構。如：活套法蘭、殼體作為一個整體承受螺栓載荷的結構。如：活套法蘭、螺紋法蘭、搭接法蘭等。螺紋法蘭、搭接法蘭等。 活套法蘭活套法蘭螺紋法蘭螺紋法蘭搭接法蘭搭接法蘭一、法蘭聯(lián)接一、法蘭聯(lián)接 松式法蘭松式法蘭一、法蘭聯(lián)接一、法蘭

7、聯(lián)接l 法蘭分類法蘭分類 任意式法蘭任意式法蘭整體性介于整體法蘭和松式法蘭之間，包括未焊透的焊接整體性介于整體法蘭和松式法蘭之間，包括未焊透的焊接法蘭。法蘭。 一、法蘭聯(lián)接一、法蘭聯(lián)接 任意式法蘭任意式法蘭一、法蘭聯(lián)接一、法蘭聯(lián)接影響法蘭密封的因素有哪些？課后思考題課后思考題一、法蘭聯(lián)接一、法蘭聯(lián)接l 法蘭的選用法蘭的選用根據(jù)公稱直徑與公稱壓力由法蘭標準確定法蘭根據(jù)公稱直徑與公稱壓力由法蘭標準確定法蘭尺寸。尺寸。 壓力容器法蘭公稱直徑同壓力容器。壓力容器法蘭公稱直徑同壓力容器。 例如例如DN 1000mm的壓力容器，應當配用的壓力容器，應當配用DN 1000mm的壓力容器法蘭。的壓力容器法蘭。

8、 法蘭的公稱壓力選擇與最大操作壓力、操作法蘭的公稱壓力選擇與最大操作壓力、操作溫度以及材料有關。溫度以及材料有關。 定義：以定義：以16MnR在在200時的機械性能為基時的機械性能為基準確定法蘭尺寸，在準確定法蘭尺寸，在200時，它的最大允許時，它的最大允許操作壓力就認為是具有該尺寸法蘭的公稱壓力。操作壓力就認為是具有該尺寸法蘭的公稱壓力。一、法蘭聯(lián)接一、法蘭聯(lián)接l 法蘭的選用法蘭的選用 公稱壓力公稱壓力PNO.6MPa法蘭，是指具有這樣一種法蘭，是指具有這樣一種具體尺寸的法蘭，是用具體尺寸的法蘭，是用16MnR制造的，在制造的，在200時，最大允許操作壓力時，最大允許操作壓力0.6MPa。

9、若將材料改為若將材料改為Q235-A，機械性能比，機械性能比16MnR差，差，公稱壓力公稱壓力PN0.6MPa的法蘭，在的法蘭，在200操作，最操作，最大允許操作壓力將低于公稱壓力。大允許操作壓力將低于公稱壓力。 若將材料由若將材料由16MnR改為改為15MnVR，機械性能優(yōu)，機械性能優(yōu)于于16MnR，公稱壓力，公稱壓力PN0.6MPa的法蘭，在的法蘭，在200操作時，最大允許操作壓力將高于它的公操作時，最大允許操作壓力將高于它的公稱壓力。稱壓力。 只要法蘭的公稱直徑、公稱壓力確定了，法蘭只要法蘭的公稱直徑、公稱壓力確定了，法蘭的尺寸也就確定了。的尺寸也就確定了。二、容器支座和檢查孔二、容器支

10、座和檢查孔 支座是用來支承容器及設備重量，并使其固定在某一位支座是用來支承容器及設備重量，并使其固定在某一位置的壓力容器附件。在某些場合還受到風載荷、地震載荷置的壓力容器附件。在某些場合還受到風載荷、地震載荷等動載荷的作用。等動載荷的作用。一、支座一、支座支座支座耳式支座耳式支座支撐式支座支撐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座臥式支座臥式支座1. 立式容器支座立式容器支座 （1）耳式支座）耳式支座 （懸掛式支座）（懸掛式支座）結構：結構：由筋板和支腳板組成，廣由筋板和支腳板組成，廣泛用于反應釜及立式換熱器等直泛用于反應釜及立式

11、換熱器等直立設備上。立設備上。特點：特點：簡單、輕便，但對器壁會簡單、輕便，但對器壁會產(chǎn)生較大的局部應力。因此，當產(chǎn)生較大的局部應力。因此，當容器較大或器壁較薄時，應在支容器較大或器壁較薄時，應在支座與器壁間加一墊板，墊板的材座與器壁間加一墊板，墊板的材料最好與筒體材料相同。料最好與筒體材料相同。例如：不銹鋼容器用碳素鋼作支例如：不銹鋼容器用碳素鋼作支座時，為防止器壁與支座在焊接座時，為防止器壁與支座在焊接過程中合金元素的流失，應在支過程中合金元素的流失，應在支座與器壁間加一不銹鋼墊板。座與器壁間加一不銹鋼墊板。標準：標準： JB/T4725耳式支座耳式支座，它將耳式支座分為它將耳式支座分為A

12、型（短臂）和型（短臂）和B型型（長臂）兩類，每（長臂）兩類，每類又有帶墊板和不類又有帶墊板和不帶墊板兩種，不帶帶墊板兩種，不帶墊板的分別以墊板的分別以AN和和BN表示。表示。B型耳式型耳式支座有較大的安裝支座有較大的安裝尺寸，當容器外面尺寸，當容器外面包有保溫層，或者包有保溫層，或者將容器直接放置在將容器直接放置在樓板上時，宜選用樓板上時，宜選用B型。型。 1-墊板；墊板；2-筋板；筋板；3-支腳板支腳板耳式支座耳式支座二、容器支座和檢查孔二、容器支座和檢查孔（2）支承式支座）支承式支座結構：在容器封頭底部結構：在容器封頭底部焊上數(shù)根支柱，直接支焊上數(shù)根支柱，直接支承在基礎地面上。承在基礎地面

13、上。應用：高度不大、安裝位置應用：高度不大、安裝位置距基礎面較近且具有凸形封距基礎面較近且具有凸形封頭的立式容器。頭的立式容器。特點：簡單方便，但它特點：簡單方便，但它對容器封頭會產(chǎn)生較大對容器封頭會產(chǎn)生較大的局部應力，因此當容的局部應力，因此當容器較大或殼體較薄時，器較大或殼體較薄時，必須在支座和封頭間加必須在支座和封頭間加墊板，以改善殼體局部墊板，以改善殼體局部受力情況。受力情況。標準：標準： JB/T4724支承式座支承式座。它將支承式支座分為它將支承式支座分為A型和型和B型，型，A型支座由鋼板焊制而成；型支座由鋼板焊制而成；B型型支座采用鋼管作支柱。支座與支座采用鋼管作支柱。支座與封頭

14、連接處是否加墊板，應根封頭連接處是否加墊板，應根據(jù)容器材料和容器與支座焊接據(jù)容器材料和容器與支座焊接部位的強度及穩(wěn)定性決定。部位的強度及穩(wěn)定性決定。帶墊板帶墊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）結構簡單、輕巧、結構簡單、輕巧、安裝方便，在容器下面有安裝方便，在容器下面有較大的操作維修空間。但較大的操作維修空間。但當容器上的管線直接與產(chǎn)當容器上的管線直接與產(chǎn)生脈動載荷的機器設備剛生脈動載荷的機器設備剛性連接時，不宜選用腿式性連接時，不宜選用腿式支座。支座。 1）根據(jù)容器公稱直）根據(jù)容器公稱直徑徑DN和總質(zhì)量選取相應的和總質(zhì)量選取相應的支座號和支座數(shù)量，支座號和支座數(shù)量

15、，2）計）計算支座承受的實際載荷，算支座承受的實際載荷，使其不大于支座允許載荷。使其不大于支座允許載荷。除容器總質(zhì)量外，實際載除容器總質(zhì)量外，實際載荷還應綜合考慮風載荷、荷還應綜合考慮風載荷、地震載荷和偏心載荷。地震載荷和偏心載荷。圖圖11-14 腿式支座腿式支座腿式支座與支承式支座的主要區(qū)別是什么？（3）腿式支座（支腿）腿式支座（支腿）圖圖11-14 腿式支座腿式支座與支承式支座的區(qū)別：與支承式支座的區(qū)別：腿式支座是支承在腿式支座是支承在容器的圓柱體部分，而支承式支座是支承容器的圓柱體部分，而支承式支座是支承在容器的底封頭上。在容器的底封頭上。JB/T4713腿式支座腿式支座。：角鋼角鋼支柱

16、，易與容器圓筒相支柱，易與容器圓筒相吻合、焊接安裝較為容易；吻合、焊接安裝較為容易；：鋼管鋼管支柱，所有方向上具有支柱，所有方向上具有相同截面系數(shù)、較高抗受壓失穩(wěn)能相同截面系數(shù)、較高抗受壓失穩(wěn)能力，又有帶墊板與不帶墊板。力，又有帶墊板與不帶墊板。多用于高度較多用于高度較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）裙式支座應用：應用：高大的立式容器，特別是塔器。高大的立式容器，特別是塔器。形式：形式：圓筒形裙座和圓錐形裙座。圓筒形裙座和圓錐形裙座。1塔體塔體2保溫支承圈保溫支承圈3無保溫時排氣孔無保溫時排氣孔4裙座筒體裙座筒體5人孔人孔 6螺栓座螺栓座7基礎環(huán)基礎環(huán)8有保溫時排氣

17、孔有保溫時排氣孔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臥式容器支座臥式容器支座形式：鞍座、圈座及支腿三種形式：鞍座、圈座及支腿三種其它其它：圈座：用于大直徑薄壁容器和圈座：用于大直徑薄壁容器和 真空容器，增加局部剛真空容器，增加局部剛 度。度。支腿：重量較輕的小型容器。支腿：重量較輕的小型容器。 應用應用：常見的大型臥式儲罐、常見的大型臥式儲罐、換熱器等多采用換熱器等多采用鞍座鞍座。是應用最為廣泛的是應用最為廣泛的一種臥式容器支座。一種臥式容器支座。封頭封頭筒體筒體 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置于鞍座上的圓筒形容器與梁相似，當尺寸和載荷

18、一定時，多支點在梁內(nèi)產(chǎn)生的應力較小，支座數(shù)目似乎應該多些好。n但容器采用兩個以上的鞍座時，支承面水平高度不等、殼體不直和不圓等微小差異以及容器不同部位在受力撓曲的相對變形不同，使支座反力難以為各支點平均分攤，導致殼體應力趨大，因此一般情況采用雙支座。l 雙鞍座設計雙鞍座設計目的目的檢查容器在使用過程中是否有裂紋、變形、腐蝕等檢查容器在使用過程中是否有裂紋、變形、腐蝕等缺陷產(chǎn)生。缺陷產(chǎn)生。包括包括人孔、手孔等，其位置應便于觀察或清理容器內(nèi)部。人孔、手孔等，其位置應便于觀察或清理容器內(nèi)部。規(guī)定規(guī)定檢查孔最少數(shù)量與最小尺寸應符合有關規(guī)范的要求。檢查孔最少數(shù)量與最小尺寸應符合有關規(guī)范的要求。不必開設檢

19、查孔：（符合下列條件之一）不必開設檢查孔：（符合下列條件之一）筒體內(nèi)徑小于等于筒體內(nèi)徑小于等于300mm的壓力容器；的壓力容器；容器上設有可拆卸的封頭、蓋板或其它能夠開關的容器上設有可拆卸的封頭、蓋板或其它能夠開關的 蓋子，其封頭、蓋板或蓋子的尺寸不小于所規(guī)定檢蓋子，其封頭、蓋板或蓋子的尺寸不小于所規(guī)定檢 查孔的尺寸；查孔的尺寸；二、容器支座和檢查孔二、容器支座和檢查孔換熱器。換熱器。無腐蝕或輕微腐蝕，無需做內(nèi)部檢查和清理的壓力容器；無腐蝕或輕微腐蝕，無需做內(nèi)部檢查和清理的壓力容器；制冷裝置用壓力容器；制冷裝置用壓力容器； 應在設計時采取相關措施，如對應在設計時采取相關措施，如對所有對接焊縫進

20、行所有對接焊縫進行100%的射線或超聲的射線或超聲檢測；在設計圖樣上注明計算厚度，檢測；在設計圖樣上注明計算厚度，且在壓力容器在用期間或檢驗時重點且在壓力容器在用期間或檢驗時重點進行測厚檢查；相應縮短檢驗周期。進行測厚檢查；相應縮短檢驗周期。不能開設檢查孔時：不能開設檢查孔時：二、容器支座和檢查孔二、容器支座和檢查孔l 手孔與人孔手孔與人孔檢查設備內(nèi)部空間以及安裝和拆卸內(nèi)部構件。檢查設備內(nèi)部空間以及安裝和拆卸內(nèi)部構件。 手孔直徑手孔直徑150mm250mm，標準手孔公稱直徑有，標準手孔公稱直徑有DN150和和DN250兩種。兩種。手孔結構：容器上接一短管，其上蓋一盲板手孔結構：容器上接一短管，

21、其上蓋一盲板設備直徑超過設備直徑超過900mm，有手孔也設人孔。，有手孔也設人孔。人孔的形狀有圓形和橢圓形。人孔的形狀有圓形和橢圓形。橢圓形人孔短軸與筒身軸線平行。橢圓形人孔短軸與筒身軸線平行。圓形人孔直徑圓形人孔直徑400mm600mm，容器壓力不高或，容器壓力不高或有特殊需要時，直徑可以大一些。有特殊需要時，直徑可以大一些。橢圓形人孔橢圓形人孔(或稱長圓形人孔或稱長圓形人孔)的最小尺寸為的最小尺寸為400mm300mm。人孔結構：筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄。人孔結構：筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄。人孔人孔三、開孔與補強三、開孔與補強容器為什么要開孔？容器為什么要開孔？ 工藝、安裝、檢修的要求。工藝、

22、安裝、檢修的要求。開孔后，為什么要補強？開孔后，為什么要補強？ 開孔削弱器壁的強度，出現(xiàn)不連續(xù)，形成開孔削弱器壁的強度，出現(xiàn)不連續(xù)，形成高應力集高應力集中區(qū)中區(qū)。峰值應力通常較高，達到甚至超過材料屈服極。峰值應力通常較高，達到甚至超過材料屈服極限。局部應力較大，加之材質(zhì)和制造缺陷等限。局部應力較大，加之材質(zhì)和制造缺陷等, ,成為容器成為容器破壞的原因。破壞的原因。 為降低峰值應力，需要對結構開孔部位進行補強，為降低峰值應力，需要對結構開孔部位進行補強，以保證容器安全運行。以保證容器安全運行。三、開孔與補強三、開孔與補強平板在兩向拉力作用下，開大孔時孔邊受力情況平板在兩向拉力作用下，開大孔時孔邊

23、受力情況三、開孔與補強三、開孔與補強l 補強結構補強結構 補強結構補強結構局部補強局部補強整體補強整體補強補強圈補強補強圈補強厚壁接管補強厚壁接管補強整鍛件補強整鍛件補強（1）補強圈補強）補強圈補強結構結構補強圈貼焊在殼體與接管連接處，見（補強圈貼焊在殼體與接管連接處，見（a）圖）圖優(yōu)點優(yōu)點結構簡單，制造方便，使用經(jīng)驗豐富結構簡單，制造方便，使用經(jīng)驗豐富（a）補強圈補強）補強圈補強缺點缺點1）與殼體金屬之間不能完全）與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時，存在較大熱膨脹差，上使用時，存在較大熱膨脹差，在補強局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱在補強局部區(qū)域產(chǎn)生較大的

24、熱應力；應力；2）與殼體采用搭接連接，難）與殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，抗疲勞性以與殼體形成整體，抗疲勞性能差。能差。（1）補強圈補強）補強圈補強中低壓容器應用最多的補強結構，一般使用在中低壓容器應用最多的補強結構，一般使用在靜載、常溫、中低壓、靜載、常溫、中低壓、材料的標準抗拉強度低于材料的標準抗拉強度低于540MPa、補強圈厚度小于或等于補強圈厚度小于或等于1.5n、殼體名義厚度殼體名義厚度n不大于不大于38mm的場合。的場合。應用應用HG21506-92補強圈補強圈，JB/T4736-95補強圈補強圈標準標準（1）補強圈補強）補強圈補強（2）厚壁接管補強）厚壁接管補強結構結構在

25、開孔處焊上一段厚壁接管，見（在開孔處焊上一段厚壁接管，見（b）圖。）圖。特點特點補強處于最大應力區(qū)域，能更有效地降低補強處于最大應力區(qū)域，能更有效地降低。接管補強結構簡單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易。接管補強結構簡單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易檢驗，補強效果較好。檢驗，補強效果較好。（b）厚壁接管補強）厚壁接管補強壓力壓力容器由于材料缺口敏感容器由于材料缺口敏感性較高，一般都采用該性較高，一般都采用該結構，但必須保證結構，但必須保證。應用應用（2）厚壁接管補強）厚壁接管補強（c）整鍛件補強）整鍛件補強 （3）整鍛件補強）整鍛件補強 整體鍛件整體鍛件（3）整鍛件補強）整鍛件補強 補強金屬集中于開孔應力最大部

26、位，能最有效地降低補強金屬集中于開孔應力最大部位，能最有效地降低應力集中系數(shù)；可采用對接焊縫，并使焊縫及其熱影應力集中系數(shù)；可采用對接焊縫，并使焊縫及其熱影響區(qū)離開最大應力點，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降響區(qū)離開最大應力點，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低低1015%。重要壓力容器，如核容器、材料屈服點在重要壓力容器，如核容器、材料屈服點在500MPa以以上的容器開孔及受低溫、高溫、疲勞載荷容器的大直上的容器開孔及受低溫、高溫、疲勞載荷容器的大直徑開孔容器等。徑開孔容器等。結構結構將接管和部分殼體連同補強部分做成整體鍛件，再與將接管和部分殼體連同補強部分做成整體鍛件，再與殼體和接管焊接，見（殼體和接管焊接，見（c）圖。）圖。優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點鍛件供應困難，制造成本較高。鍛件供應困難，制造成本較高。應用應用