《容器零部件设计》PPT课件

一、法兰联接结构与密封原理
组合件
联接件强度破坏很少见，多是密封不好而泄漏。设计中要防止介质泄漏。
法兰密封的原理
预紧力压紧垫片。 压紧应力（垫片密封比压力）到一定数值使垫片变形，密封面上微隙被填满，形 成初始密封条件。 密封比压力主要决定于垫片材质。 垫片材质确定后，垫片越宽，为保证比压力，预紧力越大，螺栓和法兰尺寸也越 大，所以垫片不应过宽，更不应该把整个法兰面都铺满垫片。
峰值应力通常较高，达到甚至超过材料屈服极限。 局部应力较大，加之材质和制造缺陷等, 为降低峰值应力，需要对结构开孔部位进行补强，以保证容器安全运行。
开孔的形状：
应力集中和开孔形状有关，圆孔的应力集中程度最低。
㈠ 开孔补强的设计与补强结构
在开孔附近区域增加补强金属，提高器壁强度，满足强度设计要求。 容器开孔补强的形式分为整体补强和补强圈补强
材料一般并不要求强度高，而是要求软韧。 常用是软铝、紫铜、铁(软钢)、蒙耐尔合金(含Ni67％，Cu30％，Cr4～5 ％)钢等。 主要用于中、高温和中、高压法兰联接密封。
垫片材料的选择：
根据温度、压力以及介质腐蚀决定，同时考虑密封面形式、螺栓力的大小以及装 卸要求等。 查表10-15
四、法兰标准及选用
作业 ：P224 1、2、3
第二节 容器支座
概述：
容器支座：支承容器重量、固定容器位置并使容器在操作中保持稳定。 结构型式由容器自身的型式决定，分：
卧式容器支座 立式容器支座 球形容器支座
一、卧式容器的支座
卧式容器的支座有三种：鞍座、圈座、支腿
㈠ 鞍式支 座
应用最广泛的卧式容器支座。 已有标准JB/T4712-92 《鞍式支座》，根据容器公称直径和重量选用。 由横向筋板、若干轴向筋板和底板焊接而成。在与设备连接处，有带加强垫板 和不带加强垫板两种结构。
石油、化工上用的法兰标准有两类， 一类是压力容器法兰标准 一类是管法兰标准
㈠ 压力容器法兰标准
1．平焊法兰：
2．对焊法兰
长颈对焊法兰有厚度更大的颈，刚性大。 更高压力范围(PN 0.6MPa～6.4MPa)和直径范围(DN300mm～2000mm)， 适用温度范围为-20℃～450℃。
乙型平焊法兰中DN 2000mm以下规格包括在长颈对焊法兰的规定范围之内。两 者联接尺寸和法兰厚度一样。DN2000mm以下的乙型平焊法兰可用轧制长颈对 焊法兰代替，以降低成本。
鞍座与筒体端部距离A确定： 当L/D较大，且无加强圈，应尽量利用封头对支座处筒体的加强作用，取 A≤0.25D； 当筒体的L/D较小，d/D较大，或有加强圈时，取A≤0.2L。
㈡圈 座
采用圈座的情况： ✓ 对于大直径薄壁容器和真空容器，因其自身重量可能造成严重挠曲； ✓ 多于两个支承的长容器。 除常温常压下操作的容器外，至少应有一个圈座是滑动支承的。
与最大操作压力、操作温度以及材料有关。 定义：以16MnR在200℃时的机械性能为基准确定法兰尺寸，在200℃时，它 的最大允许操作压力就认为是具有该尺寸法兰的公称压力。 公称压力PNO.6MPa法兰，用16MnR制造的，在200℃时，最大允许操作压 力0.6MPa。 高于200℃的最大操作压力将低于它的公称压力0.6MPa。 低于200℃仍按200℃确定其最高工作压力。
㈠ 耳式支座
简称耳座：垫板、筋板和支脚板。 广泛用在反应釜及立式换热器等直立设备上。
简单、轻便，但局部应力较大。 当设备较大或器壁较薄应加垫板。 不锈钢制设备，用碳钢作支座，防止合金元素流失，也需加一个不锈钢
垫板。
已标准化JB/T 4725-92 《耳式支座》。 该标准分A型（短臂）和B型（长臂）（有保温层或直接放在楼板上） 每类又分带垫板与不带垫板两种结构
最大允许工作压力的确定：
课堂作业：
为操作温度300℃，设计压力0.6MPa的容器选配法兰。 材料15MnVR按公称压力0.6MPa查取。 材料20R按公称压力1.0MPa查取尺寸。
㈡ 管法兰标准
❖ 同样公称直径的容器法兰和管法兰的尺寸不相同，不能互相代用。 ❖ 管法兰的型式除平焊、对焊法兰外，还有铸钢法兰、铸铁法兰、活套法兰、
耳式支座选用的方法：
（1）估算设备总重，算每个支座（按2个计算）的负荷Q值； （2）确定支座型式，从表11-5或表11-6按允许负荷Q允大于实际负荷Q，选支座。
❖ 小型设备耳式支座，可支承在管子或型钢制的立柱上。 ❖ 大型设备的支座往往搁在钢梁或混凝土制的基础上。
㈡ 支承式支 座
用钢管、角钢、槽钢制 作，或用数块钢板焊成，
型式、结构、尺寸及材 料JB/T 4724-92 《支承 式支座》。
适用范围和结 构：
支承式支座分A型和B型。
形式 支座号 适用的公称直径（mm）
A
1～6
DN800～3000
B
1～8
DN800～4000
结构特征
钢板焊制， 带垫板
钢管焊制， 带垫板
支承式支座的选用：
选用见标准规定，尺寸按表10-8查。 简单轻便 局部应力较大，当壳体刚度较小、壳体和支座材料差异或温度差异较大时， 或壳体需焊后热处理，应设置加强板。 加强板的材料应和壳体材料相同或相似。
1．整体补强 增加整个壳体的厚度，或用全焊透将厚壁接管或整体补强锻件与壳体相焊， 降低开孔附近的应力。 应力集中的局部性，除非制造或结构需要，一般不把整个容器壁加厚。
（6.3MPa≤PN≤25.0MPa）。
5、其他类型密封面
高压容器和高压管道用 球面（透镜）和椭圆或八角形截面金属垫片
㈢ 垫片性能
垫片适当变形和回弹能力是形成密封的必要条件。 最常用垫片分为：
非金属、金属、非金属与金属混合制的垫片
非金属垫片：
橡胶石棉板、聚四氟乙烯等。 ✓ 柔软 ✓ 耐温度和压力性能较金属垫片差。 只适用于常、中温和中、低压设备和管道的法兰密封。
法兰与容器或管道不连接，比整体式连接强度差。
法兰盘可用不同材料，用于铜制、铝制、陶瓷、石墨及其非金属材料的设备 或管道上。
受力后无附加弯曲应力，只适用于压力较低场合。
（三）任意式法兰
整体性介于整体法兰和松式法兰之间，包括未焊透的焊接法兰。
圆形法兰最常见，方形法兰利于管子排列紧凑，椭圆形法兰常用于阀门和小 直径的高压管子上。
三、影响法兰密封的因素
影响法兰密封的因素主要有：
螺栓预紧力； 密封面型式； 垫片性能； 法兰刚度； 操作条件。
㈠ 螺栓预紧力
螺栓预紧力是影响密封一个重要因素。 ❖ 预紧力使垫片压紧并实现初始密封。 ❖ 预紧力过大则垫片被压坏或挤出。
预紧力通过法兰密封面传递给垫片，良好的密封，必须使预紧力均匀地作用 于垫片。 当需要预紧力一定时，采取增加螺栓个数、减小螺栓直径对密封有利。
㈡ 密封面
法兰联接密封性能与密封面型式有关，密封面型式选择，主要考虑压力、温度、 介质。 压力容器和管道中常用的法兰密封面型式和特点：
1、突面（RF） 光滑平面，可车制密纹水线。结构简单，加工方便，便于进行防腐衬里。 接触面积大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压紧。
2、凹凸面（MFM）
凸面和凹面相配合，凹面上放置垫片，防止垫片被挤出，适用于压力较 高。
材料改为Q235-A，机械性能比16MnR差，公称压力PN0.6MPa的法兰，200℃ 操作，最大允许操作压力也低于公称压力。 材料由16MnR改为15MnVR，机械性能优于16MnR，公称压力PN0.6MPa的法兰， 在200℃操作时，最大允许操作压力将高于它的公称压力。
只要法兰的公称直径、公称压力确定了，法兰的尺寸也就确定了。
㈢ 腿式支 座
简称支腿 连接处造成严重的局部应力，只适用于小型设备（DN≤1600、L≤5m）。 腿式支座的结构型式、系列参数等参见标准JB/T 4714-92 《腿式支座》。
二、立式容器的支座
立式容器的支座主要有： 耳式支座 支承式支座 裙式支座
中、小型直立容器常采用前二种， 高大的塔设备则广泛采用裙式支座。
鞍座包角120°或150°，安放稳定。 高度200、300、400和500mm。 宽度b根据容器公称直径查出。
鞍座的种类与安装：
鞍座分为A型（轻型）和B型（重型），重型又分为BⅠ～BⅤ五种型号。A型和 B型的筋板和底板、垫板等尺寸不同或数量不同。
每种型式鞍座又分为固定式支座（代号F)：底板上开圆形螺栓孔和滑动式支座 （S) ：底座开长圆形螺栓孔（安装）
金属与非金属混合制 垫片：
金属包垫片及缠绕垫片等。 金属包垫片用薄金属板（镀锌薄钢板、0Cr18Ni9等）将非金属包起来； 金属缠绕垫片是薄低碳钢带(或合金钢带)与石棉带一起绕制而成。不带定位圈和 带定位圈。
金属包垫片及缠绕垫片较单纯的金属垫片有较好的性能，适应的温度与压力范 围较高一些。
金属垫片：
平焊法兰的适用范围：
法兰附近筒壁的截面上，将产生附加的弯曲应力。所以平焊法兰适用的压 力范围较低（PN<4.0MPa）。
２．对焊法兰
又称高颈法兰或长颈法兰。
颈提高刚性，厚度比筒体厚，降低根部弯曲应力。 对接焊缝，比平焊法兰的角焊缝强度好，对焊法兰适用于压力、温度较高 或设备直径较大的场合。
（二）松式法兰
螺纹法兰等。 ❖ 管法兰标准查选方法、步骤与压力容器法兰同。
GB9119.7-88外，常用标准还有：化工部标准HG20592～HG20602-97；中石化 标准SH3406-96等。其中化工部标准中分为欧洲体系、美洲体系等，我国常用的 为欧洲体系。
例11-1：塔身与封头的法兰。塔内径1000mm，操作温度280℃，设计压力0.2MPa。 Q235-A。
平焊与对焊法兰都有带衬环的与不带衬环 的两种。
当设备是由不锈钢制作时，采用碳钢法兰 加不锈钢衬环，可以节省不锈钢。
3、公称直径与公称压力
根据公称直径与公称压力由法兰标准确定法兰尺寸 压力容器法兰公称直径同压力容器