壓力容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1、壓力容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)內(nèi)容簡(jiǎn)介GB150-1998鋼制壓力容器第9章、附錄G 、附錄H一、法蘭二、焊接結(jié)構(gòu)三、密封結(jié)構(gòu)一、法蘭概述： 螺栓法蘭連接是由一對(duì)法蘭、若干個(gè)螺栓、螺母和一個(gè)墊片組成，其連接方式如圖 :1、法蘭類(lèi)型常用的管法蘭型式：板式平焊法蘭、帶頸平焊法蘭、帶頸對(duì)焊法蘭2、法蘭密封面型式 法蘭密封面型式常用有突平面、凹凸面、榫槽面和環(huán)面四種。突平面(raised seal face) 突平面(平面)是由相對(duì)突起的一對(duì)平面組成的密封面 ，此密封面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，但密封性能相對(duì)較差，用于較低壓力場(chǎng)合。 凹凸面(malefemale seal face) 凹凸面是由一對(duì)相配合的凹面

2、和凸面組成的密封面，此密封面便于安裝時(shí)墊片對(duì)中，墊片不會(huì)被擠出密封面，密封性能優(yōu)于平面。適用于壓力較高或介質(zhì)為易燃、易爆、有毒的場(chǎng)合。榫槽面(tongue-groove seal face) 榫槽面是由一對(duì)相配合的榫面和槽面組成的密封面， 密封墊片較窄，易被壓緊，密封性好，適用于壓力較高，介質(zhì)易燃、易爆、有毒的場(chǎng)合。但更換墊片困難，裝配時(shí)應(yīng)注意保護(hù)好密封榫面。 環(huán)面(ring joint) 環(huán)面是由一對(duì)相配合的環(huán)面組成的密封面，這種密封面適配金屬環(huán)墊片。用于溫度、壓力較高或有波動(dòng)，介質(zhì)滲透性較強(qiáng)的場(chǎng)合。3、標(biāo)準(zhǔn)管法蘭的選用 HG/T2059220635-2009 HG/T20592 20614

3、-2009 PN系列（歐洲體系）A、B兩個(gè)系列A系列為國(guó)際通用系列（俗稱(chēng)英制管）B系列為國(guó)內(nèi)沿用系列（俗稱(chēng)公制管）采用B系列的管法蘭應(yīng)在公稱(chēng)直徑DN的數(shù)值后標(biāo)注（B） HG/T20615 20635-2009 Class系列（美洲體系）注意：兩個(gè)體系間不能互相配用(1)板式平焊法蘭。板式平焊法蘭的適用范圍到PN40，建議不使用在易燃易爆和高度、極度危害介質(zhì)等要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。 (2)帶頸平焊法蘭和承插焊法蘭。與帶頸對(duì)焊法蘭相比，帶頸平焊法蘭和承插焊法蘭的頸部高度低，生產(chǎn)采用滾軋或模鍛的工藝，比帶頸對(duì)焊法蘭簡(jiǎn)單。法蘭上增加了短頸，對(duì)提高法蘭剛度、改善法蘭的承載能力都大有益處。在引進(jìn)的石油化工裝置中

4、普遍使用帶頸平焊法蘭和承插焊法蘭結(jié)構(gòu)型式。另一方面，帶頸平焊法蘭和承插焊法蘭采用填角焊縫結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)安裝較方便。對(duì)施工單位可以省略焊縫拍片探傷的工序，所以，比較受歡迎。 由于帶頸平焊法蘭和承插焊法蘭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其使用亦有限制。可參考GBT 208012006 壓力管道規(guī)范工業(yè)管道的規(guī)定。以下場(chǎng)合不得采用承插焊焊接：1) 可能產(chǎn)生縫隙腐蝕或嚴(yán)重沖蝕的場(chǎng)合；2) 要求焊接部位及管道內(nèi)壁光滑過(guò)渡的場(chǎng)合；3) 劇烈循環(huán)工況或 GC1 級(jí)管道的場(chǎng)合，且承插焊連接接頭的公稱(chēng)直徑大于 DN50。 壓力-溫度額定值 不同材料的法蘭在不同的溫度下有不同的最大許用壓力。 緊固件的使用 商品級(jí)六角頭螺栓及型六角螺母

5、只能用于PN16，非有毒、非可燃以及非劇烈循環(huán)場(chǎng)合，配非金屬平墊片。 商品級(jí)雙頭螺柱及型六角螺母只能用于PN40，非有毒、非可燃以及非劇烈循環(huán)場(chǎng)合。 板式平焊法蘭、螺紋法蘭、對(duì)焊環(huán)松套法蘭和平焊環(huán)松套法蘭不應(yīng)使用于劇烈循環(huán)工況。 板式平焊法蘭建議不使用在易燃易爆和高度、極度危害介質(zhì)等要求的場(chǎng)合。 容器腐蝕裕量取3mm 時(shí),對(duì)于內(nèi)部聯(lián)接用以及某些情況下的地腳螺栓如用碳鋼則很難考慮腐蝕裕度的選取,建議采用不銹鋼制螺栓。 接管法蘭密封面朝向配置： 原則上所有接管的凹面應(yīng)向上。如果將容器頂部或側(cè)面的接管法蘭配置成凸面是不合理的，因?yàn)檫@樣配置使密封面容易受到損傷。而容器底部的管口應(yīng)該設(shè)置成凸面結(jié)構(gòu)，這樣

6、就易于墊片的安裝和更換。但是與閥門(mén)連接的管法蘭密封面應(yīng)與閥門(mén)匹配。 選擇壓力容器接管法蘭的壓力等級(jí)或密封面形式時(shí)，應(yīng)考慮介質(zhì)的毒性或易燃易爆性。 按照HG20583 之5.2.3 規(guī)定，對(duì)易爆或毒性為中度危害的介質(zhì)，管法蘭的公稱(chēng)壓力不小于；對(duì)毒性為高度或極度危害介質(zhì)或強(qiáng)滲透性介質(zhì)， 管法蘭的公稱(chēng)壓力不小于； 對(duì)毒性為高度或極度危害介質(zhì)和類(lèi)壓力容器應(yīng)盡量采用帶頸對(duì)焊管法蘭。對(duì)于真空或密封要求極為嚴(yán)格的連接，可以采用法蘭焊唇的焊死結(jié)構(gòu)。 壓力容器接管法蘭選用石棉橡膠墊時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題 當(dāng)介質(zhì)為水，蒸汽，空氣，煤氣，氨，堿液，惰性氣體等，而工作條件為壓力波動(dòng)小，不經(jīng)常拆卸的場(chǎng)合，我們經(jīng)常選用石棉橡膠墊

7、片。 石棉橡膠墊片不能用于按照真空設(shè)計(jì)的設(shè)備中，因?yàn)槭尴鹉z墊片存在微小的孔隙，這樣就不能保證真空度,在這種情況下應(yīng)該使用橡膠圈或者纏繞墊片。纏繞墊片分為4 種基本形式：即基本型(A 型) ，帶內(nèi)環(huán)型(B 型) ，帶外環(huán)型(C 型)和帶內(nèi)外環(huán)型(D 型) 。A 型適用于槽密封面，D 型適用于突面，B 型適用于凹凸面。 介質(zhì)為環(huán)氧乙烷的不能用含石棉的墊片。 強(qiáng)滲透性介質(zhì)如液氨等，不能使用泄漏率較高的非金屬墊片。TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程中關(guān)于管法蘭的規(guī)定3.17 壓力容器用管法蘭(1)鋼制壓力容器管法蘭、墊片、緊固件的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T20592HG/T

8、20635-2009鋼制管法蘭、墊片、緊固件系列標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；(2)盛裝液化石油氣、毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)以及強(qiáng)滲透性中度危害介質(zhì)的壓力容器，其管法蘭應(yīng)當(dāng)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T20592HG/T20635系列標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，至少應(yīng)用高頸對(duì)焊法蘭、帶加強(qiáng)環(huán)的金屬纏繞墊片和專(zhuān)用級(jí)高強(qiáng)度螺栓組合。4、標(biāo)準(zhǔn)容器法蘭的選用 JB/T47004707-2000 選用原則：優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭。 選用JB/T47004707標(biāo)準(zhǔn)法蘭時(shí)，可免除計(jì)算。 JB/T4703筒體最小厚度問(wèn)題：當(dāng)需要與小于該厚度(0)的較薄圓筒對(duì)接時(shí)，需增加法蘭高度。按表3 JB/T4700第條對(duì)長(zhǎng)頸法蘭當(dāng)工作壓力大于或等于倍本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的

9、最大許用工作壓力時(shí)，法蘭與圓筒的對(duì)接焊縫必須進(jìn)行100%的射線或超聲檢測(cè)。該要求應(yīng)在圖樣中標(biāo)明。 腐蝕裕度:JB/T4702為2，JB/T4703為3。 凹凸面設(shè)備法蘭密封面朝向配置的問(wèn)題 立式容器的槽面或凹面應(yīng)向上，臥式容器的槽面或凹面應(yīng)位于筒體上。 法蘭熱處理在下列任一情況下進(jìn)行正火或完全退火熱處理: a、法蘭斷面厚度大于76mm 的碳素鋼或低合金鋼制法蘭； b、焊制整體法蘭；c、 鍛制法蘭。 選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭的步驟a、按照公稱(chēng)直徑DN和設(shè)計(jì)壓力P確定法蘭類(lèi)型。b 、按照PP的原則確定法蘭的公稱(chēng)壓力PN。c、按照公稱(chēng)直徑DN和公稱(chēng)壓力PN，查出法蘭的各部分尺寸，并標(biāo)記出標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)。5、非標(biāo)法蘭設(shè)

10、計(jì)（ GB150-1998第9章） 螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)的內(nèi)容a.確定墊片材料、型式及尺寸;b.確定螺栓材料規(guī)格及數(shù)量;c.確定法蘭材料，密封面型式及結(jié)構(gòu)尺寸; d.進(jìn)行應(yīng)力校核(計(jì)算中C2-腐蝕余量不包括)法蘭的類(lèi)型 法蘭可分為 松式法蘭 整體法蘭 任意式法蘭 密封機(jī)理 泄漏形式 螺栓法蘭連接的密封條件 界面泄漏是螺栓法蘭密封的主要失效形式。防止界面泄漏需要滿足兩個(gè)密封條件：予緊時(shí)，滿足初始密封條件。操作時(shí)，滿足工作密封條件。 保證密封的條件預(yù)緊時(shí)，法蘭密封面上的比壓不低于預(yù)緊密封比壓y工作時(shí)，法蘭密封面上的比壓不低于操作密封比壓，即m倍的介質(zhì)計(jì)算壓力 影響密封的因素螺栓預(yù)緊力 法蘭剛度 壓緊面

11、形式和加工質(zhì) 量 墊片性能 操作條件 平面形、O形、波形、齒形、八角形、 橢圓形等 非金屬墊片 常用材料：石棉橡膠板、橡膠板、聚四氟乙烯、合成纖維、石墨等。 金屬墊片 常用材料：銅、鋁、低碳鋼、不銹鋼、合金等。 組合式墊片包括：金屬包墊片；纏繞式墊片；帶骨架的非金屬墊片等。 墊片形狀墊片類(lèi)型墊片 非金屬墊片：如橡膠墊，石棉橡膠墊，聚四氟乙烯墊等，斷面形狀一般為平面形或O形非金屬墊片金屬墊片金屬墊片金屬非金屬組合墊片金屬非金屬組合墊片金屬墊片墊片斷面形式 要有全面的觀念，綜合考慮溫度、壓力、介質(zhì)、壓緊面形式等方面要求，其中溫度和壓力是影響密封的主要因素，也是選擇墊片的主要依據(jù)。 在保證密封的前提

12、下，盡量選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、便于安裝和更換的墊片。 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，重視實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。墊片選擇原則1、預(yù)緊工況 Fa=DGby DG-墊片計(jì)算直徑 b-墊片有效密封寬度 螺栓載荷Wa=Fa2、操作工況 FP=2DGbmPC 螺栓載荷WP=F+FP = +2DGbmPC 螺栓載荷螺栓設(shè)計(jì)預(yù)緊工況：操作工況：取Am=maxAa，AP 螺栓直徑螺栓間距的限制螺栓是法蘭密封連接中的重要元件，對(duì)其基本要求是強(qiáng)度要高、韌性要好。 螺母更換比螺栓容易，且螺母價(jià)廉，所以要求螺栓材料的強(qiáng)度比螺母高。 為避免螺栓和螺母咬死或膠合，要求螺栓材料的硬度比螺母高HB30以上。 對(duì)于t-20的螺栓，要求選用低合金鋼，并進(jìn)

13、行夏比V形缺口低溫沖擊試驗(yàn)。 螺栓材料應(yīng)力分析模型法蘭強(qiáng)度校核條件： 法蘭連接的合理設(shè)計(jì) 法蘭連接合理設(shè)計(jì)的三個(gè)關(guān)鍵： (1) 在墊片設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)控制盡可能小的墊片載荷。 (2) 在螺栓配置設(shè)計(jì)中，應(yīng)控制盡可能小的螺栓中心圓直徑，從而構(gòu)成盡可能小的法蘭力矩，遵循“最小載荷準(zhǔn)則” 。 (3) 在以上基礎(chǔ)上，將法蘭的錐頸和法蘭環(huán)比例設(shè)計(jì)得當(dāng)，使法蘭各部分允分地發(fā)揮強(qiáng)度性能并保證足夠的剛度，即趨于滿應(yīng)力狀態(tài)，遵循“滿應(yīng)力準(zhǔn)則”。二、焊接結(jié)構(gòu)1、GB150-1998鋼制壓力容器附錄J2、HG20583-1998鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定 第11章焊接結(jié)構(gòu)焊接接頭形式坡口形式GB 1501998 附錄J (

14、提示的附錄)焊接結(jié)構(gòu) J1 附錄中給出的接頭和坡白的型式及尺寸均基于等強(qiáng)度原則確定。 焊縫坡口的基本形式及尺寸均需符合及的規(guī)定。J3.1 插入式接管 在下列使用條件下，接管內(nèi)徑邊角處應(yīng)倒圓，圓角半徑一般取nt/4或19 mm兩者中的較小值： a)承受疲勞載荷的壓力容器； b)低溫壓力耷器； c)鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值b540 MPa的容器。 J9 夾套結(jié)構(gòu)HG20583-1998 手工焊（對(duì)接接頭）HG20583-1998 手工焊（對(duì)接厚板接頭）HG20583-1998 自動(dòng)焊（對(duì)接接頭）HG20583-1998 角接焊接接頭HG20583-1998 帶補(bǔ)強(qiáng)圈的角接焊接接頭HG20583-1

15、998 非徑向接管角接接頭HG20583-1998 斜接管角接接頭HG20583-1998 管子或筒體與平蓋的角接接頭HG20583-1998 錐體與筒體的連接接頭HG20583-1998 封頭與裙座的焊接接頭坡口設(shè)計(jì)原則1、盡量減少填充金屬量。2、保證焊透，避免產(chǎn)生各種焊接缺陷。3、便于施焊，改善勞動(dòng)條件。4、減少焊接變形和殘余變形量。1、盡量采用對(duì)接接頭2、盡量采用全焊透結(jié)構(gòu) 3、盡量減小焊縫處的應(yīng)力集中 4、便于進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn) 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則接管與殼體間的焊接接頭 工藝接管與容器殼體及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)圈連接的接頭處拘束度大，存在較大的應(yīng)力集中。加之焊縫金屬通常比母材塑性低，焊縫根部及焊接熱影響在

16、疲勞載荷(如循環(huán)壓力和溫度、振動(dòng)等)作用下易成為裂紋的起源。 從焊接施工操作講，這類(lèi)焊縫是容器上所有焊縫最難控制、也是最易產(chǎn)生問(wèn)題的地方，這是因?yàn)槟壳皻んw上的馬鞍形開(kāi)孔仍大量采用氣割、氣刨等手工開(kāi)孔方法，不易保證坡口角度及鈍邊尺寸；坡口表面的氧化皮較難去除，施焊接管的操作位置又往往不利于焊工控制成型等等；所以極易產(chǎn)生裂紋、未焊透、夾渣、未熔合等缺陷，而目前圖紙上對(duì)接管與容器連接焊縫的無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題又往往無(wú)明確規(guī)定，這樣便削弱了焊工的責(zé)任感，致使此類(lèi)焊縫質(zhì)量不易保證。 從設(shè)計(jì)角度講，一些設(shè)計(jì)人員往往只注意焊條、焊絲強(qiáng)度，而忽視了韌性。加之焊接冶金過(guò)程的影響，致使大量焊縫金屬出現(xiàn)高強(qiáng)度、低塑性現(xiàn)象，焊縫及熱影響區(qū)易產(chǎn)生開(kāi)裂。另外，設(shè)計(jì)者對(duì)如何設(shè)計(jì)出保證焊接質(zhì)量的接頭缺乏了解，也是導(dǎo)致接頭質(zhì)量不佳的重要原因。 坡口及間隙對(duì)焊縫質(zhì)量有直接影響，因此應(yīng)注意提高坡口尺寸的精確度。此外，坡口的清潔度十分重要，應(yīng)將坡口表面的的油污、臟物、碳弧氣刨產(chǎn)生的氧化皮、滲碳層及淬硬層清除。 疲勞斷裂失效約占金屬失效結(jié)構(gòu)的40，ASME認(rèn)為：接管的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮最大限度地降低應(yīng)力集中。最安全的容器是在容器上所有部分都具有最低的總應(yīng)力(一次應(yīng)力及應(yīng)力集中等)，而不是在一次膜應(yīng)力上取最大的安全系數(shù)，而不管局部應(yīng)力集中。所以，有效的降低應(yīng)力集中，是設(shè)計(jì)容