化工設備機械基礎(第四版)第6章 容器零部件

第6章容器(róngqì)零部件第一節(jié)、法蘭連接第二節(jié)、容器支座(zhīzuò)第三節(jié)、容器的開孔補強第四節(jié)、容器附件精品資料在石油、化工設備和管道(guǎndào)中，由于生產工藝的要求，或者為制造、運輸、安裝、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法蘭聯(lián)接、螺紋聯(lián)接和承插式聯(lián)接。采用可拆卸聯(lián)接之后，確保接口密封的可靠性，是保證化工裝置正常運行的必要條件。由于法蘭聯(lián)接有較好的強度和緊密性，適用的尺寸范圍寬，在設備和管道(guǎndào)上都能應用，所以應用最普遍。但法蘭聯(lián)接時，不能很快地裝配與拆卸，制造成本較高。設備法蘭與管法蘭均已制定出標準。在很大的公稱直徑和公稱壓力范圍內，法蘭規(guī)格尺寸都可以從標準中查到，只有少量超出標準規(guī)定范圍的法蘭，才需進行設計計算。第一節(jié)、法蘭連接(liánjiē)精品資料法蘭聯(lián)接結構是組合件，是由一對(yīduì)法蘭、若干螺栓、螺母和一個墊片所組成。在實際應用中，壓力容器由于聯(lián)接件或被聯(lián)接件的強度破壞所引起法蘭密封失效是很少見的，較多的是因為密封不好而泄漏。故法蘭聯(lián)接的設計中主要解決的問題是防止介質泄漏。1.法蘭連接結構與密封(mìfēng)原理精品資料1).法蘭在螺栓預緊力的作用下，把處于密封面之間的墊片壓緊。施加于單位面積上的壓力（壓緊應力）必須達到一定的數(shù)值才能使墊片變形而被壓實，密封面上由機械加工形成的微隙被填滿(tiánmǎn)，形成初始密封條件。所需的這個壓緊應力叫墊片密封比壓力，單位為MPa。密封比壓力主要決定于墊片材質。法蘭密封(mìfēng)原理精品資料2).當設備或管道在工作狀態(tài)時，介質內壓形成的軸向力使螺栓被拉伸，法蘭密封面沿著彼此分離的方向移動，降低了密封面與墊片之間的壓緊應力。如果墊片具有(jùyǒu)足夠的回彈能力，使壓縮變形的回復能補償螺栓和密封面的變形，而使預緊密封比壓值至少降到不小于某一值(這個比壓值稱為工作密封比壓)，則法蘭密封面之間能夠保持良好的密封狀態(tài)。反之，墊片的回彈力不足，預緊密封比壓下降到工作密封比壓以下，甚至密封處重新出現(xiàn)縫隙，則此密封失效。法蘭密封(mìfēng)原理精品資料3).因此，為了實現(xiàn)法蘭聯(lián)接處的密封，必須使密封組合件各部分的變形與操作條件下的密封條件相適應，即使密封元件在操作壓力作用下，仍然保持一定的殘余壓緊力。為此，螺栓和法蘭都必須具有足夠大的強度和剛度(ɡānɡdù)，使螺栓在容器內壓形成的軸向力作用下不發(fā)生過大的變形。法蘭密封(mìfēng)原理精品資料預緊密封比壓：形成初始密封條件時在墊片單位面積上受到的壓緊力；工作密封比壓：一個已經形成初始密封條件的法蘭連接，在通入介質后為了不使介質泄漏(xièlòu)，在密封面與墊圈之間所必須保留下來的最低比壓。精品資料2.法蘭的結構(jiégòu)與分類按接觸面分類：窄面法蘭寬面法蘭精品資料平焊法蘭（圖(a)、(b)）法蘭盤焊接在設備筒體或管道上，制造容易，應用廣泛，但剛性較差。法蘭受力后，法蘭盤的矩形截面發(fā)生微小(wēixiǎo)轉動，見下圖，與法蘭相聯(lián)的筒壁或管壁隨著發(fā)生彎曲變形。于是在法蘭附近筒壁的截面上，將產生附加的彎曲應力。所以平焊法蘭適用的壓力范圍較低（PN<4.0MPa）；對焊法蘭（圖(c)）對焊法蘭又稱高頸法蘭或長頸法蘭。頸的存在提高了法蘭的剛性，同時由于頸的根部厚度比筒體厚，所以降低了根部的彎曲應力。此外，法蘭與筒體（或管壁）的聯(lián)接是對接焊縫，比平焊法蘭的角焊縫強度好，故對焊法蘭適用于壓力、溫度較高或設備直徑較大的場合。精品資料松式法蘭(活套法蘭)的特點是法蘭未能有效地與容器或管道連接成一整體，不具有整體式連接的同等強度，如上圖所示。由于法蘭盤可以采用與設備或管道不同的材料制造，因此這種法蘭適用于銅制、鋁制、陶瓷、石墨及其非金屬材料的設備或管道上。另外，這種法蘭受力后不會(bùhuì)對筒體或管道產生附加的彎曲應力，這也是它的一個優(yōu)點，但一般只適用于壓力較低的場合。精品資料任意式法蘭其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。圓形法蘭是最常見的，方形法蘭有利于把管子排列緊湊，橢圓形法蘭通常用于閥門和小直徑(zhíjìng)的高壓管子上。精品資料螺栓預緊力是影響密封的一個重要因素。預緊力必須使墊片壓緊并實現(xiàn)初始密封條件。同時，預緊力也不能過大，否則將會使墊片被壓壞或擠出。由于預緊力是通過法蘭密封面?zhèn)鬟f給墊片的，要達到良好的密封，必須使預緊力均勻地作用于墊片。因此，當密封所需要的預緊力一定時，采取增加螺栓個數(shù)、減小螺栓直徑的辦法(bànfǎ)對密封是有利的。對角緊螺絲有利于提高密封性能。3.影響(yǐngxiǎng)法蘭密封的因素(1).螺栓預緊力精品資料法蘭聯(lián)接的密封性能與密封面型式有直接關系，所以(suǒyǐ)要合理選擇密封面的形狀。法蘭密封面型式的選擇，主要考慮壓力、溫度、介質。(2).壓緊面(密封面)精品資料名稱特點說明突面（RF）表面是一個光滑的平面，也可車制密紋水線。密封面結構簡單，加工方便，且便于進行防腐襯里。但是，這種密封面墊片接觸面積較大，預緊時墊片容易往兩邊擠，不易壓緊。

凹凸面（MFM）密封面是由一個凸面和一個凹面相配合組成，在凹面上放置墊片，能夠防止墊片被擠出，故可適用于壓力較高的場合。

榫槽面(TG)密封面是由榫和槽所組成的，墊片置于槽中，不會被擠動。墊片可以較窄，因而壓緊墊片所需的螺栓力也就相應較小。即使用于壓力較高之處，螺栓尺寸也不致過大。因而，它比以上兩種密封面均易獲得良好的密封效果。密封面的缺點是結構與制造比較復雜，更換擠在槽中的墊片比較困難。此外，榫面部分容易損壞，在拆裝或運輸過程中應加以注意。榫槽密封面適于易燃、易爆、有毒的介質以及較高壓力的場合。當壓力不大時，即使直徑較大，也能很好地密封。全平面（FF）與環(huán)連接面（RJ）全平面密封適合于壓力較小的場合（PN≤1.6MPa）；

環(huán)連接面主要用在帶頸對焊法蘭與整體法蘭上，適用壓力范圍為（6.3MPa≤PN≤25.0MPa）。其它類型密封面對于高壓容器和高壓管道的密封，密封面可采用錐形密封面或梯形槽密封面，它們分別與球面金屬墊片（透鏡墊片）和橢圓形或八角形截面的金屬墊片配合。密封面可適用于壓力較高的場合，但需要的尺寸精度和表面光潔度高，不易加工。

精品資料墊片是構成密封的重要元件，適當?shù)膲|片變形和回彈能力是形成密封的必要條件。非金屬墊片材料有橡膠石棉板、聚四氟乙烯等，這些材料的優(yōu)點是柔軟(róuruǎn)。耐溫度和壓力的性能較金屬墊片差，通常只適用于常、中溫和中、低壓設備和管道的法蘭密封。金屬與非金屬混合制墊片有金屬包墊片及纏繞墊片等。金屬包墊片是用薄金屬板（鍍鋅薄鋼板、0Cr18Ni9等）將非金屬包起來制成的；金屬纏繞墊片是薄低碳鋼帶(或合金鋼帶)與石棉帶一起繞制而成。這種纏繞式墊片有不帶定位圈的和帶定位圈的兩種。金屬包墊片及纏繞墊片較單純的金屬墊片有較好的性能，適應的溫度與壓力范圍較高一些。金屬墊片材料一般并不要求強度高，而是要求軟韌。常用的是軟鋁、紫銅、鐵(軟鋼)、蒙耐爾合金(含Ni67％，Cu30％，Cr4～5％)鋼等。金屬墊片主要用于中、高溫和中、高壓的法蘭聯(lián)接密封。(3).墊片(diànpiàn)性能精品資料為了防止法蘭變形，增加法蘭剛度(ɡānɡdù)有利于提高密封性能；增加法蘭厚度、減少螺栓作用力臂、增大法蘭盤外徑都能有效提高法蘭抗彎剛度(ɡānɡdù)；(4).法蘭剛度(ɡānɡdù)溫度；壓力；介質腐蝕性。(5).操作條件精品資料4.法蘭標準(biāozhǔn)及其選用法蘭標準分為(fēnwéi)兩個：壓力容器法蘭標準與管法蘭標準。4.1法蘭標準襯襯精品資料名稱壓力等級PN

（MPa）直徑范圍DN

（mm）溫度范圍備注平焊法蘭甲型0.25，0.6，l.0，1.6300～2000-20℃～300℃乙型法蘭有一個壁厚不小于16mm的圓筒形短節(jié)，因而使乙型平焊法蘭的剛性比甲型平焊法蘭好；甲型的焊縫開V型坡口，乙型的焊縫開U型坡口，所以乙型也比甲型具有較高的強度和剛度。乙型0.25～1.6壓力等級中較大直徑范圍還可用于2.5和4.0兩個壓力等級中較小直徑范圍300～3000-20℃～350℃精品資料長頸對焊法蘭由于具有厚度更大的頸，因而使法蘭盤進一步增大了剛性。故規(guī)定用于更高的壓力范圍(PN0.6MPa～6.4MPa)和直徑范圍(DN300mm～2000mm)，適用溫度范圍為-20℃～450℃。乙型平焊法蘭中DN2000mm以下(yǐxià)的規(guī)格均已包括在長頸對焊法蘭的規(guī)定范圍之內。這兩種法蘭的聯(lián)接尺寸和法蘭厚度完全一樣。所以DN2000mm以下(yǐxià)的乙型平焊法蘭，可以用軋制的長頸對焊法蘭代替，以降低法蘭的生產成本。精品資料使用法蘭標準確定法蘭尺寸時，必須知道法蘭的公稱(gōngchēng)直徑與公稱(gōngchēng)壓力；壓力容器法蘭的公稱(gōngchēng)直徑與壓力容器的公稱(gōngchēng)直徑取同一系列數(shù)值。例如DN1000mm的壓力容器，應當配用DN1000mm的壓力容器法蘭。法蘭公稱(gōngchēng)壓力的確定與法蘭的最大操作壓力、操作溫度以及法蘭材料有關。因為在制定法蘭尺寸系列、計算法蘭厚度時，是以16MnR在200℃時的機械性能為基準制定的。所以規(guī)定以此基準所確定的法蘭尺寸，在200℃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(gōngchēng)壓力。4.2法蘭尺寸(chǐcun)的確定精品資料根據操作溫度、設計壓力和所用材料，查表可知，所要選用(xuǎnyòng)的法蘭，應按公稱壓力為0.6MPa來查選它的尺寸。由于操作壓力不高，直徑不大，由表可采用甲型平焊法蘭、平面密封面，墊片材料選用(xuǎnyòng)石棉橡膠板。聯(lián)接螺栓選用(xuǎnyòng)材料為為Q235-A，M20共36個。例：為一臺精餾塔配一對(yīduì)聯(lián)接塔身與封頭的法蘭。塔的內徑是1000mm，操作溫度為280℃，設計壓力為0.2MPa。法蘭材質為Q235-A。精品資料公稱壓力(yālì)1.6MPa，公稱直徑800mm的襯環(huán)榫槽密封面乙型平焊法蘭中的榫面法蘭：法蘭C—S800—1.6JB4702—924.3法蘭標準(biāozhǔn)的標記方法精品資料法蘭各個尺寸(chǐcun)的意義精品資料第二節(jié)、容器(róngqì)支座1.臥式容器(róngqì)支座鞍座圈座支腿精品資料鞍座是應用最廣泛的一種臥式容器支座，常見的臥式容器和大型臥式貯槽，熱交換器等多采用這種支座。為了簡化(jiǎnhuà)設計計算，鞍式支座已有標準JB/T4712-92《鞍式支座》，設計時可根據容器的公稱直徑和容器的重量選用標準中的規(guī)格。鞍座是由橫向筋板、若干軸向筋板和底板焊接而成。在與設備連接處，有帶加強墊板和不帶加強墊板兩種結構；鞍式支座的鞍座包角q為120°或150°，以保證容器在支座上安放穩(wěn)定。鞍座的高度有200、300、400和500mm四種規(guī)格，但可以根據需要改變，改變后應作強度校核。鞍式支座的寬度b可根據容器的公稱直徑查出。鞍座分為A型（輕型）和B型（重型）兩類，其中重型又分為BⅠ～BⅤ五種型號；A型和B型的區(qū)別在于筋板和底板、墊板等尺寸不同或數(shù)量不同。1.1鞍座(ānzuò)精品資料精品資料在下列情況下可采用圈座：對于大直徑薄壁容器和真空操作的容器，因其自身重量可能造成嚴重撓曲；多于(duōyú)兩個支承的長容器。除常溫常壓下操作的容器外，若采用圈座時則至少應有一個圈座是滑動支承的。1.2圈座精品資料腿式支座簡稱支腿，因為這種支座在與容器殼壁連接處會造成嚴重(yánzhòng)的局部應力，故只適合用于小型設備（DN≤1600、L≤5m）。腿式支座的結構型式、系列參數(shù)等參見標準JB/T4714-92《腿式支座》。1.3支腿精品資料2.立式容器(róngqì)支座2.1耳式支座(zhīzuò)耳式支座簡稱耳座，它由筋板和支腳板組成。廣泛用在反應釜及立式換熱器等直立設備上。它的優(yōu)點是簡單、輕便，但對器壁會產生較大的局部應力。因此，當設備較大或器壁較薄時，應在支座與器壁間加一墊板。對于不銹鋼制設備，當用碳鋼作支座時，為防止器壁與支座在焊接過程中不銹鋼中合金元素的流失，也需在支座與器壁間加一個不銹鋼墊板。耳式支座已經標準化，它們的型式、結構、規(guī)格尺寸、材料及安裝要求應符合JB/T4725-92《耳式支座》。該標準分為A型（短臂）和B型（長臂）兩類，每類又分為帶墊板與不帶墊板兩種結構。小型設備的耳式支座，可以支承在管子或型鋼制的立柱上。大型設備的支座往往擱在鋼梁或混凝土制的基礎上。精品資料支承式支座可以用鋼管、角鋼、槽鋼來制作，也可以用數(shù)塊鋼板焊成，它們的型式、結構、尺寸及所用材料應符合JB/T4724-92《支承式支座》；支承式支座分為A型和B型，A型支座筋板和底板的材料為Q235-A·F；B型支座鋼管材料為10，底板材料均為Q235-A·F。支承式支座的優(yōu)點是簡單輕便，但它和耳式支座一樣，對殼壁會產生較大(jiàodà)的局部應力，因此當容器殼體的剛度較小、殼體和支座的材料差異或溫度差異較大(jiàodà)時，或殼體需焊后熱處理時，在支座和殼體之間應設置加強板。加強板的材料應和殼體材料相同或相似。2.2支承(zhīchénɡ)式支座精品資料對高大的塔設備最常用的支座就是裙式支座。它與前兩種支座不同，目前還沒有標準。它的各部分尺寸均需通過計算或實踐經驗確定；有關裙式支座的結構及其設計(shèjì)方法詳見第八章。2.3裙式支座(zhīzuò)精品資料為了滿足工藝、安裝、檢修的要求，往往需要在容器的筒體和封頭上開各種形狀、大小的孔或連接接管。容器殼體上開孔后，開孔不但削弱了容器壁的強度，而且在筒體與接管的連接處，由于原殼體結構產生了變化，出現(xiàn)不連續(xù)，在開孔區(qū)域將形成一個局部的高應力集中區(qū)。開孔邊緣處的最大應力稱為峰值應力。峰值應力通常較高，達到甚至超過了材料的屈服(qūfú)極限。較大的局部應力，加之容器材質和制造缺陷等因素的綜合作用，往往會成為容器的破壞源。為了降低峰值應力，需要對結構開孔部位進行補強，以保證容器安全運行。開孔應力集中的程度和開孔的形狀有關，圓孔的應力集中程度最低，因此一般開圓孔。第三節(jié)、容器(róngqì)的開孔補強精品資料1.開孔補強的形式(xíngshì)(a).內加強(jiāqiáng)平齊接管精品資料(b).外加強(jiāqiáng)平齊接管精品資料(c).對稱加強凸出(tūchū)接管精品資料(d).密集(mìjí)補強精品資料從強度角度(jiǎodù)考慮，密集補強最好，但加工難度最大；外加強平齊接管的加工最易，但補強效果卻最差。四種補強形式(xíngshì)的比較精品資料2.開孔補強的結構(jiégòu)整體補強是指采用增加整個殼體的厚度，或用全焊透的結構形式將厚壁接管或整體補強鍛件與殼體相焊來降低開孔附近的應力。由于開孔應力集中的局部性，在遠離開孔區(qū)的應力值與正常應力值一樣，故除非制造或結構上的需要，一般并不把整個容器(róngqì)壁加厚。在開孔處用全焊透的結構形式焊上一段特意加厚的短管，使接管的加厚部分恰處有效補強區(qū)內，則可以降低應力集中系數(shù)。整鍛件補強結構是將接管與殼體連同加強部分作成整體鍛件，然后與殼體焊在一起。其優(yōu)點是補強金屬集中于開孔應力最大部分，應力集中現(xiàn)象得到大大緩和。(a).整體補強精品資料補強圈補強是指在殼體開孔周圍貼焊一圈鋼板，即補強圈。補強圈一般與器壁采用搭接結構，材料與器壁相同，補強圈尺寸可參照標準確定，也可按等面積補強原則進行計算。當補強圈厚度超過8mm時，一般采用全焊透結構，使其與器壁同時受力，否則不起補強作用。為了焊接(hànjiē)方便，補強圈可以置于器壁外表面或內表面，或內外表面對稱放置，但為了焊接(hànjiē)方便，一般是把補強圈放在外面的單面補強。為了檢驗焊縫的緊密性，補強圈上有一個M10的小螺紋孔。從這里通入壓縮空氣進行焊縫緊密性試驗。補強圈現(xiàn)已標準化。(b).補強圈補強精品資料設計壓力小于或等于2.5MPa；兩相鄰開孔中心的間距(對曲面間距以弧長計算)應不小于兩孔直徑(zhíjìng)之和的兩倍；接管公稱外徑小于或等于89mm；接管最小壁厚滿足下表的要求。3.不另行補強的最大開孔直徑(zhíjìng)接管公稱外徑253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0注：①鋼材的標準抗拉強度下限值sb＞540MPa時，接管與殼體的連接宜采用全焊透的結構型式。②接管的腐蝕裕量為1mm。精品資料原則：使補強的金屬量，大于或等于由于開孔所削弱的金屬量；等面積補強法是世界各國沿用(yányòng)較久的一種方法，其設計計算較為復雜，且偏于保守，但比較安全可靠，因此迄今仍然得到廣泛使用。補強公式：4.開孔補強的原則(yuánzé)——等面積補強法A1：殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積；A2：接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積；A3：焊縫金屬截面積。A：殼體由于開孔導致需要補強的面積。精品資料當圓筒的內徑Di≦1500mm，開孔最大直徑(zhíjìng)d≦Di/2，且d≦520mm;當圓筒的內徑Di>1500mm，開孔最大直徑(zhíjìng)d≦Di/3，且d≦1000mm;凸形封頭或球殼開孔的最大直徑(zhíjìng)d≦Di/2；錐殼或錐形封頭開孔的最大直徑(zhíjìng)d≦Di/3，Di為開孔中心處的錐體內徑；在橢圓形或蝶形封頭過渡部分開孔時，其孔的中心線宜垂直于封頭表面。4.1適用(shìyòng)的開孔范圍當采用局部補強時，筒體及封頭上開孔的最大直徑不得超過以下數(shù)值：精品資料d：開孔直徑；S：圓筒或球殼開孔處的計算壁厚；Set：接管有效厚度(hòudù)；fr：強度削弱系數(shù)，等于設計溫度下接管材料與殼體材料許用應力之比，若大于1，按fr=1計算；4.2容器(róngqì)殼體開孔補強的要求A精品資料4.3開孔有效(yǒuxiào)補強范圍有效(yǒuxiào)寬度：取二者較大值有效高度：取二者較小值外側高度：內側高度：取二者較小值精品資料精品資料A1的計算(jìsuàn)4.4補強面積(miànjī)的計算A2的計算A3：一般遠遠小于A1與A2精品資料補強材料一般需與殼體材料相同，若補強材料許用應力小于殼體材料許用應力，則補強面積應按殼體材料與補強材料許用應力之比而增加；若補強材料許用應力大于殼體材料許用應力，則所需補強面積也不得減少；當相鄰兩孔中心距小于該兩孔平均直徑的兩倍時，其補強面積不應小于各孔單孔補強所需面積，而且必須(bìxū)將總補強面積中不少于50%的面積置于兩孔之間，在計算各孔單獨補強所需面積時，補強范圍區(qū)內重疊的多余面積，如果作為補強金屬計入時，不得重復計算；4.5關于(guānyú)補強的幾個小點：精品資料11當多個開孔集中(jízhōng)在一起時，且其中任意兩孔中心距均小于該兩孔平均直徑的1.33倍時，可以按一個假想孔對待，這個假象孔將該處幾個小孔都包括在內。精品資料第四節(jié)、容器(róngqì)附件1.接口(jiēkǒu)管設備上的接口管與凸緣，既可用于裝置測量、控制儀表，也可用于連接其他設備和介質的輸送管道。精品資料公稱直徑DN不保溫接管長保溫設備接管長適用公稱壓力PN

（MPa）≤1580130≤4.020～50100150≤1.670～350150200≤1.670～500≤1.