最新lA压力容器零部件设计---3法兰设计
压力容器设计审核人员培训 GB150.3-2011 压力容器 第3部分：设计
对薄壁容器是适合的。
27
但对于具较厚壁厚的圆筒，其环向应力并
不是均匀分布的。薄壁内径公式与实际应力存
在较大误差。对厚壁圆筒中的应力情况以由弹
性力学为基础推导得出的拉美公式较好地反映
了其分布。
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厚壁和薄壁圆筒的概念：按照承压回转壳 体的无力矩理论是指壁厚和直径的比值；若壁 厚超过直径的1/10则被称为“厚壁筒”；反之， 则为“薄壁筒”。与这个指标相当的是“径 比”K，K=DO/Di,当K大于1.2时为“厚壁筒”，
小于或者等于1.2时为“薄壁筒”。
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由拉美公式知：
σt=Pc(K2+1)/(K2-1)
厚壁筒中存在的三个方向的应力，其中只 有轴向应力是沿厚度均匀分布的。环向应力和 径向应力均是非均匀分布的，且内壁处为最大 值。筒壁三向应力中，周向应力最大，内壁处 达最大值，外壁处为最小值，内外壁处的应力 差值随K= D0 / Di增大而增大。当K=1.5时， 由薄壁公式按均匀分布假设计算的环向应力值 比按拉美公式计算的圆筒内壁处的最大环向应 力要偏低23%，存在较大的计算误差。
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临界压力值受若干因素影响，如受容 器筒体几何尺寸及几何形状的影响，除此之外， 载荷的均匀和对称性、筒体材料及边界条件等 也有一定影响。 a. 影响因素δ/D 两个圆筒形外压容器， 当其他条件（材料、直径D、长度L）一定，而 厚度不同时，当L/D相同，δ/D大者临界压力高， 其原因是筒壁较厚抗弯曲的能力强；
δ=
PcDi t 4[ ] Pc
32
上式即为GB150.3-2011第94页式3-8
适用范围：
Pc≤0.6［ζ］t φ 此时计算应力大于按弹性力学计算的厚 壁球壳的最大应力，且误差在10%左右。
压力容器设备法兰标准
压力容器设备法兰标准
压力容器设备是工业生产中常见的一种设备，它主要用于储存或加工各种气体、液体或固体物质。
在压力容器设备的设计和制造中，法兰是一个非常重要的部件，它不仅连接着各个部件，还承受着设备内外的压力。
因此，压力容器设备法兰的标准化对于设备的安全运行至关重要。
首先，压力容器设备法兰的标准化可以保证设备的互换性。
在工业生产中，不
同厂家生产的压力容器设备可能会在使用中需要进行更换或维修，如果每个厂家都有自己的法兰标准，那么设备之间的互换性就会受到限制。
而通过制定统一的法兰标准，可以确保不同厂家生产的设备之间的法兰是可以互换的，这样可以提高设备的灵活性和可维护性。
其次，压力容器设备法兰的标准化可以提高设备的安全性。
压力容器设备在工
作过程中承受着各种不同的压力，如果法兰设计不合理或者材质不符合要求，就会存在泄漏或者爆炸的风险。
通过制定严格的法兰标准，可以要求法兰具有足够的强度和密封性能，从而确保设备在工作中不会出现安全隐患。
此外，压力容器设备法兰的标准化还可以降低设备的制造成本。
在生产过程中，如果每个厂家都有自己的法兰标准，那么需要为每种标准制造特定的法兰，这样会增加生产成本。
而通过统一的法兰标准，可以减少生产成本，提高生产效率，从而降低设备的制造成本。
总的来说，压力容器设备法兰的标准化对于设备的安全运行、生产效率和成本
控制都具有重要意义。
因此，压力容器设备制造行业应该加强对法兰标准的研究和制定，不断提高法兰的设计和制造水平，为工业生产提供更加安全可靠的压力容器设备。
压力容器零部件设计2法兰设计
管法兰的密封面型式
平面型，凹凸型，榫槽型（同容器法兰） ，梯形槽和全平面型：
1
确定法兰类型和密封面型式、管子材料和尺寸；
2
再由工作温度，确定材料或由材料定公称压力；
5
参照各尺寸绘法兰图。
4
由型式和工作温度，确定匹配的垫片种类、材料和紧固件材料、尺寸；
3
再由公称压力，确定法兰各部分尺寸；
管法兰连接的设计步骤
3
由于操作压力不高，由表12－1（垫圈选用表）可采用平面型密封面，垫片材料选用石棉橡胶板，查JB4704-92定出尺寸。标注为：垫片1200－0.6 JB4704-92
选择标准法兰举例
法兰的各部分尺寸可从JB4701-92中查得，并可绘出法兰图。
联接螺栓为M20，共52个，材料由表12－5（法兰、螺栓、螺母、材料匹配表）查得为35 ，螺母材料为Q235－A。
包括：选择螺栓材料、确定螺栓尺寸和个数，螺栓载荷计算。
计算螺栓载荷：达到预紧密封比压和工作密封比压。
材料：根据螺栓载荷、工作温度等。一般螺栓材料比螺母材料的硬度高30HB以上。
直径和个数：连接螺栓DN≥ M12，先由标准定个数，一般为4的倍数，然后由螺栓载荷、材料的许用应力计算螺栓根径，再由此定DN。最后校核螺栓中心距。
垫圈的选择
垫圈的结构形式、材料和尺寸，标准化。 选择依据：介质的腐蚀性、操作温度和压力， 考虑价格低廉、制造容易和更换方便。 高温高压：金属垫圈 中温中压：金属与非金属组合式或非金属 中、低压：多用非金属 高真空或深冷：金属垫圈
压力容器法兰：连接筒体与封头、筒体与筒体、法兰与管板。
01
密封原理分为：
自紧密封（高压）：依靠容器内介质的压力压紧密封元件，使密封面获得很大的压紧力，在密封口产生较大的密封比压，达到密封目的。
压力容器设备法兰的优化设计
显 的作 用 ， ｃ 影 响 较 小 ， 对 广 Ｔ 而对 Ｏ 则起 相反 的 作 用 。 只 － 有 不断 调 整才 能 达到 满 应 力设计 的优 化状 态 。
３ 设 计应 用
设 备 法 兰仔 在 ｊ项 应
力 状 态 （ 冈 １ ， 设 计 见 ）红 中 ，法 兰 环 的厚 度 和锥 颈
发挥 ， 就是说 为“ 应 力 ” 也 满 状态 。“ 应 力” 计 是一 种优 满 设 化设 计 ， 然 过 程 繁琐 ， 虽 但设 计 成 却可 以获得 具 有 结 构 紧凑 、 力 合 理 、 量 轻 、 材 少 的 优越 性 ， 受 重 耗 呵以达 到 降低
生 产成本 的 目的 ， 明 的经 济效 益 。 体现
初 步 确 定 ： 法 兰 锥 颈 小 端 厚 度 占 ＝ ８ ｍ， 端 取 ３ｒ 大 ａ 厚 度 取 １ ５ ２ 取 为 ６＝ ２ ｍ。 算 法 兰 力 矩 Ｍｏ ．６ ～ ６ ， ２７ｒ ａ ＝
环 厚 度 （ ， 降 低 有 对
明 显 作 用 ，对 ， 响 较 影 小 ， Ｏ 影 响 史 小 ， 作 对 － 但 用 效果 并 不肯 定 。而 增加 锥 颈尺 寸 （ ，ｈ 对 降低 Ｏ 有 明 ６、） －
由此 汁算 法 ＿项 应 力值 为 ： 二
＝
ｒ ｄ ＜ ｒ］ ２ ＭＰ ｄ 、 Ｔ ［，『 １ ９ ａ Ｒｒ －
（） ２
（） ３
皿 ＇ ＝ ６ ＭＰ Ａ ￣ ｆ Ｄｉ １ ４ ａ
解 决 方案
工艺 ， 工装 ， 旗真 ， 诠断 ， 越潮 ， 维修 ， 改造 菹翳
压力 容器设备 法兰的 设计 优化
徐 慧 敏 大庆 石 化工 程 有 限 公 司 ， 龙江 大 庆 １ ３ １ 黑 ６７ ４
压力容器零部件设计---封头设计
扇形区承受的压力作用组合梁的
形心C。这样，组合截面抗弯断
面模量W应满足：
W
0.08
pc Dc3
n[ ]tr
a）如果采用矩形截面筋板，其高厚比一般为5~8； b）筋板与平盖之间采用双面焊； c）平盖中心加强圆环截面的抗弯模数不小于筋板的抗弯模 数。
3）拉撑结构的强度校核：
a）无孔板的支承载荷拉杆与相邻所有支撑中心连线的平分线
所围成的多边形承受的压力载荷；
b）多孔板的支承载荷，一根支撑面积内减去孔的面积上的压
力载荷。 c）拉撑最小截面积：
a
1.1W
[ ]tg
GB/T25198-2010压力容器封头 几点变化
摘自 JB/T4746
END
兰的刚度校核要求
- 增加了波齿垫片设计选用参数
封头设计
封头形式
半球形封头
封头凸锥形形封封头头带 半 无带 无折 椭 折折 折边 球 边边 边球 （ 球锥 锥形 椭 形形 形（ 圆 封封 封碟 形 头头 头） 形封 ）头 封头
平板形封头
GB150.3中关于各种封头的设计计算考虑的主要失效模式有 1、 结构在内压作用下的塑性强度破坏和局部失稳； 2、结构在外压载荷作用下的失稳以及封头与筒体连接处可能
–-修改了球冠形封头、锥壳与筒体连接的加强 设计方法
GB150.3对GB150-1998所作的修改和增 加的内容：
2、开孔补强的设计方法 - 增加了针对筒体上法向接管开孔补强设计的
分析方法，开孔率适用范围可达0.9。 - 修改了平盖上开孔接管的补强设计方法 3、法兰设计计算方法 -增加了整体法兰和按整体法兰计算的任意法
α＜30º
30º＜α＜60º
椭圆形封头的最小厚度
压力容器设计审核人员培训GB1503XXXX压力容器第
操作条件
平面形、O形、波形、齿形、八角形、 椭圆形等
① 非金属垫片 常用材料：石棉橡胶板、橡胶板、聚四氟乙烯、合成纤维、石墨等。 ② 金属垫片 常用材料：铜、铝、低碳钢、不锈钢、合金等。 ③ 组合式垫片 包括：金属包垫片；缠绕式垫片；带骨架的非金属垫片等。
2、法兰密封面型式
法兰密封面型式常用有突平面、凹凸面、榫槽面和环面四种。 ⑴．突平面(raised seal face) 突平面(平面)是由相对突起的一对平面组成的密封面 ， 此密封面结构简单，制造方便，但密封性能相对较差， 用于较低压力场合。
⑵．凹凸面(male．female seal face) 凹凸面是由一对相配合的凹面和凸面组成的密封面， 此密封面便于安装时垫片对中，垫片不会被挤出密封面， 密封性能优于平面。适用于压力较高或介质为易燃、易爆、 有毒的场合。
内容简介
GB150.3-2011《压力容器 第3部分：设计》 第7章、附录C 、附录D 一、法兰 二、密封结构 三、焊接结构
一、法兰
概述： 螺栓法兰连接是由一对法兰、若干个螺栓、螺母和一个垫片组成，其连接方式如图 :
1、法兰类型
常用的管法兰型式： 板式平焊法兰、带颈平焊法兰、带颈对焊法兰
3、标准管法兰的选用 HG/T20592～20635-2009
⑴ HG/T20592 ～20614-2009 PN系列（欧洲体系） A、B两个系列 A系列为国际通用系列（俗称英制管） B系列为国内沿用系列（俗称公制管） 采用B系列的管法兰应在公称直径DN的数值后标注（B） ⑵ HG/T20615 ～20635-2009 Class系列（美洲体系） 注意：两个体系间不能互相配用
⑼ 选择压力容器接管法兰的压力等级或密封面形式时，应考虑介质的毒性或易燃易爆性。
快开压力容器螺栓法兰的设计
于在计 算 法兰力 矩时 螺栓 的应 力都是 以螺栓 材 料 的许用应 力 为依据 计算 的 ，并没 有 因为螺 栓 个数 增加 而减小 螺栓 的应 力 ，这就 导致法 兰力
矩增 大 和厚度增 大 ３ 螺栓 间距 的讨论
但是该公式 中只有反映法 兰刚度 的厚度参数
ｔ 法兰 的宽度及 法 兰材料 的弹性模 量没有 得到 ， 反 映 ，这显然是 不合 理 的 。事实上 ，法 兰标 准 ＨＧ２ ５３中就 有 很 多 法 兰 其 螺 栓 间距 不 符 合 ０９
该 公式 下 面就这 一 问题 进行探 讨
由该 软件 法 兰 设 计模 块 的程 序框 图 可知 ， 法兰 的计算 是从 螺 栓力 开始 的 ，先计算 所需 要
＊ 洪涛，男 ，１６ 年生 ，硕士 ，讲 师。武汉市 ，４０ ７ 。 架 ９６ ３０ ４
栓的个数较少，因此必须采用非标准的容器法
上存 在不 足 。 阀门虽 然从 标 准 的要求 上 看 ， 该 各
修 ，使其 始终 保 持 良好状 态 。如果 发 现阀 门受 到较 严重 腐蚀 、严 重 损坏 、操 作不 灵 活或使用 年 限过 长等 问题 ，必 须及 时更 换 。 关 于 阀门使 用年 限 ， 虽然 没有 明确 的规定 ，
３２ 阀门 的保 养 和更 换 ．
事故 阀门是 １ ９ ９ ７年前生 产 安装 的 ， 已使 用 了较长时 间 。
检验单位在检验在用压力管道时，应注重
阀 门的选 型 、制 造质 量 、安装 位 置 、使用 情况 ， 及 时 消除事 故 隐患 。 ３４ 阀 门的使 用 管理 ．
使用单位应 根据现行标准规范和政府管理
压力容器法兰螺栓紧固力矩的确定
2021 年第3 期 特 种 设 备 安 全 技 术 · 21·压力容器法兰螺栓紧固力矩的确定马文晖摘 要法兰螺栓连接为压力容器的检修提供了方便， 但要保证法兰螺栓连接密封的可靠性， 需要对法兰连接螺栓进行合理的紧固。
定力矩紧固可以为法兰螺栓连接提供相对均匀的紧固力矩， 能否提供合适的紧固力矩数值， 是保证法兰连接密封可靠性的关键。
依据压力容器法兰螺栓连接结构设计的基本要求， 结合螺母与法兰及螺栓摩擦表面的加工与润滑状态， 提出了法兰连接螺栓紧固力矩的确定方法。
关键词压力容器 螺栓载荷 紧固力矩1 概 述为检修方便， 压力容器广泛采用可拆的法兰螺栓连接 结构。
为避免法兰螺栓连接在操作状态下泄漏， 需要对法 兰连接螺栓进行合理的紧固。
近几年， 法兰螺栓连接的定 力矩紧固已在化工检修中得到了广泛的应用。
定力矩紧 固可以为法兰螺栓连接提供相对均匀的紧固力矩， 能否提 供合适的紧固力矩数值， 是保证法兰连接密封可靠性的关 键。
2 螺栓紧固中的主要问题压力容器法兰设计计算可知 [1]： 无论是预紧状态还是 操作状态，螺栓的应力不应大于其相应的许用应力。
对 于法兰螺栓连接，螺栓应力的大小与螺栓紧固时所产生 的螺栓载荷、 操作压力、 垫片反力有关， 其决定因素是螺 栓载荷。
而螺栓载荷的大小由紧固力矩确定。
在实际检 修中，螺栓连接的紧固力矩往往由经验公式简单计算得 出 [2] [3]， 而其在预紧和水压试验状态下的螺栓的工作应力 均超出其相应的许用应力 [4]。
同时， 经验算法没有考虑容 器的设计载荷、垫片的参数及材质的影响。
其结果可能 造成：（1） 螺栓预紧载荷过大， 螺栓过度变形或拉伸；（2） 法兰盘发生翘曲变形；（3） 密封垫片被压溃或产生塑性变形失去回弹能力。
3 螺栓载荷的确定螺栓载荷应同时考虑在满足法兰强度与密封要求 所需的最小螺栓载荷， 实际螺栓截面所允许承受的最大 载荷 （许用载荷）以及垫片有效密封宽度的极限压紧载 荷。
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此外还有SHJ406 中国石化总公司工程建设标准。
压力容器法兰标准：JB4700～4707-2000 包括法兰、垫片、螺栓的标准
应力分析模型
垫片选用表（表4-10）
螺栓材料
螺栓是法兰密封连接中的重要元件，对其基本要 求是强度要高、韧性要好。
① 螺母更换比螺栓容易，且螺母价廉，所以要 求螺栓材料的强度比螺母高。
② 为避免螺栓和螺母咬死或胶合，要求螺栓材 料的硬度比螺母高HB30以上。
③ 对于t≤-20℃的螺栓，要求选用低合金钢，并 进行夏比V形缺口低温冲击试验。
密封性设计 （压紧面、垫片、螺栓） 法兰标准简介 法兰强度计算方法简介
压紧面形式
密封面型式
❖ ④环连接面(梯形槽)：
❖ 与椭圆型或八角型金属 垫圈配用。
❖ 特点：槽的锥面与垫圈 成线（或窄面）接触密 封。
❖ 适用：温度、压力有波 动，介质渗透性
垫片形状
垫片
平面形、O形、波形、齿形、八角形、 椭圆形等
垫片类型
① 非金属垫片 常用材料：石棉橡胶板、橡胶板、聚四氟乙烯、 合成纤维、石墨等。 ② 金属垫片 常用材料：铜、铝、低碳钢、不锈钢、合金等。 ③ 组合式垫片 包括：金属包垫片；缠绕式垫片；带骨架的非金属 垫片等。
垫片选择原则 ① 要有全面的观念，综合考虑温度、压力、介质、 压紧面形式等方面要求，其中温度和压力是影响密封 的主要因素，也是选择垫片的主要依据。 ② 在保证密封的前提下，尽量选用结构简单、价格 便宜、便于安装和更换的垫片。 ③
lA压力容器零部件设计--3法兰设计
螺栓法兰 连接结构
保证密封的条件
预紧时，法兰密封 面上的比压不低于
预紧密封比压y
工作时，法兰密封面 上的比压不低于操作 密封比压，即m倍的 介质计算压力影响密封的因素螺Fra bibliotek预紧力 垫片性能
压紧面形式 和加工质 量
操作条件 法兰刚度
螺栓法兰连接设计