第4章(過程設(shè)備設(shè)計)課件

三、封頭設(shè)計封頭種類凸形封頭錐殼變徑段平蓋緊縮口半球形封頭橢圓形封頭碟形封頭球冠形封頭圖4-20常見容器封頭的形式封頭設(shè)計：優(yōu)先選用封頭標準中推薦的型式與參數(shù)，根據(jù)受壓情況進行強度或剛度計算，確定合適的厚度。內(nèi)壓封頭強度計算受力薄膜應(yīng)力＋不連續(xù)應(yīng)力計算內(nèi)壓薄膜應(yīng)力＋應(yīng)力增強系數(shù)薄膜應(yīng)力為相同直徑圓筒體的一半，最理想的結(jié)構(gòu)形式。1、半球形封頭半球形封頭為半個球殼，如圖4-20（a）所示。受內(nèi)壓的半球形封頭優(yōu)點缺點深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較大。應(yīng)用高壓容器。半球形封頭厚度計算公式式中Di—球殼的內(nèi)直徑，mm。適用范圍：為滿足彈性要求，適用Pc≤0.6[σ]tφ，相當于K≤1.33受外壓的半球形封頭推導過程：鋼制半球形封頭彈性失穩(wěn)的臨界壓力為：工程上：圖算法取穩(wěn)定性安全系數(shù)m=14.52，得球殼許用外壓力：令根據(jù)得將[p]代入球殼許用外壓力式得由B和[p]的關(guān)系式得半球形封頭的許用外壓力為：a.假定名義厚度δn，令δe=δn-C，用上一頁公式計算出A，根據(jù)所用材料選用厚度計算圖，由A查取B，再按半球形封頭許用外壓力公式計算許用外壓力[p]。圖算步驟b.若A值落在設(shè)計溫度下材料線左方，用球形封頭許用外壓力公式計算[p]。若[p]≥pc且較接近，則該封頭厚度合理；否則重新假設(shè)δn，重復(fù)上述步驟，直到滿足要求為止。不用幾何算圖2、橢圓形封頭避免封頭和筒體的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。由半個橢球面和短圓筒組成，如圖4-20（b）所示。直邊段作用應(yīng)用a、受內(nèi)壓（凹面受壓）的橢圓形封頭受力：薄膜應(yīng)力＋不連續(xù)應(yīng)力在一定條件下，橢圓形封頭中的最大應(yīng)力和圓筒周向薄膜應(yīng)力的比值，與橢圓形封頭長軸與短軸之比的關(guān)系有關(guān)，見圖4-20中虛線。K——應(yīng)力增強系數(shù)或橢圓封頭的形狀系數(shù)，即封頭上最大總應(yīng)力球殼上薄膜應(yīng)力=2K封頭上最大總應(yīng)力圓筒上周向薄膜應(yīng)力=K用半徑為Di的半球形封頭厚度乘以K，即橢圓形封頭厚度計算式當Di/2hi=2，標準橢圓形封頭，K=1，厚度計算式為橢圓形封頭最大允許工作壓力：采用限制橢圓形封頭最小厚度，GB150規(guī)定標準橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%，非標準橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于0.30%。周向失穩(wěn)：b、受外壓橢圓形封頭Ro由橢圓形封頭的當量球殼外半徑Ro=K1Do代替，K1值是橢圓長短軸比值Do/（2ho）（ho=hi+δn）決定的系數(shù)，由表4-5（遇中間值用內(nèi)插法求得）查得。相同：不同：外壓穩(wěn)定性計算公式和圖算法步驟同受外壓的半球形封頭；2.62.42.22.01.81.61.41.21.0

K11.181.080.990.900.810.730.650.570.50表4-5系數(shù)K1Do/2ho3、碟形封頭

不連續(xù)曲面，存在較大邊緣彎曲應(yīng)力。邊緣彎曲應(yīng)力與薄膜應(yīng)力疊加，使該部位的應(yīng)力遠遠高于其它部位，故受力狀況不佳。結(jié)構(gòu)帶折邊球面封頭，由半徑為Ri的球面體、半徑為r的過渡環(huán)殼和短圓筒等三部分組成，見圖4-20（c）。優(yōu)點過渡環(huán)殼降低了封頭深度，方便成型，且壓制碟形封頭的鋼模加工簡單，應(yīng)用廣泛。缺點a、受內(nèi)壓碟形封頭據(jù)此，由半球殼厚度計算式乘以M可得碟形封頭的厚度計算式引入碟形封頭應(yīng)力增強系數(shù)M（見圖4-21），是以球面部分最大總應(yīng)力為基礎(chǔ)的近似修正系數(shù)，見下式承受內(nèi)壓碟形封頭的最大允許工作壓力：封頭r≥0.01Di，r≥3δ，且Ri≤Di。規(guī)定標準碟形封頭，Ri=0.9Di，r=0.17Di。同橢圓形封頭，GB150規(guī)定，標準碟形封頭，其有效厚度應(yīng)不小于內(nèi)直徑的0.15%，其它碟形封頭的有效厚度應(yīng)不小于0.30%。周向失穩(wěn)b、受外壓碟形封頭碟形封頭的過渡區(qū)承受拉應(yīng)力，球面部分是壓應(yīng)力，有發(fā)生失穩(wěn)的潛在危險，此為防失穩(wěn)，厚度計算仍可用半球形封頭外壓計算公式和圖算法步驟，只是Ro用球面部分外半徑代替。4、球冠形封頭碟形封頭當r=0時，球面與筒體直接連接，如圖4-20（d）所示優(yōu)點缺點結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，常用作容器中兩獨立受壓室中間封頭，端蓋。無轉(zhuǎn)角過渡，存在相當大的不連續(xù)應(yīng)力，其應(yīng)力分布不甚合理。圖4-21碟形封頭的應(yīng)力增強系數(shù)4、錐殼軸對稱錐殼無折邊錐殼折邊錐殼特點：結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應(yīng)力分布不理想應(yīng)用排放固體顆粒和懸浮或粘稠液體不同直徑圓筒體的中間過渡段中、低壓容器（a）無折邊錐殼；（b）大端折邊錐殼；（c）折邊錐殼結(jié)構(gòu)圖4-21錐殼結(jié)構(gòu)形式錐殼大端：半頂角α≤30°，無折邊結(jié)構(gòu)α＞30°，帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)，或按應(yīng)力分析方法設(shè)計。轉(zhuǎn)角半徑r：不小于Di的10%，且不小于該過渡段厚度的3倍。錐殼小端：半頂角α≤45°，無折邊結(jié)構(gòu)；α＞45°，帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)角半徑rs：不小于封頭小端內(nèi)徑Dis的5%，且不小于該過渡段厚度的3倍。半頂角α＞60°：厚度按平蓋計算，或應(yīng)力分析方法。強度受力：薄膜應(yīng)力＋邊緣應(yīng)力。設(shè)計：分別計算錐殼厚度、錐殼大端和小端加強段厚度。若考慮只有一種厚度時，取最大值。由無力矩理論，最大薄膜應(yīng)力為錐殼大端的周向應(yīng)力σθ，即a、受內(nèi)壓無折邊錐殼錐殼厚度由第一強度理論和彈性失效設(shè)計準則，并取D=Dc+δccosα，厚度計算式式中Dc—錐殼計算內(nèi)直徑，mm

δc—錐殼計算厚度，mm

α—錐殼半頂角，（°）注：當錐殼由同一半頂角的幾個不同厚度的錐殼段組成時，Dc為各錐殼段大端內(nèi)直徑。邊緣應(yīng)力具有自限性，最大應(yīng)力限制在3[σ]t內(nèi)。按此條件求得的p/（[σ]tφ）及α之間關(guān)系見圖4-22。錐殼大端分析錐殼大端與筒體連接處，曲率突變；兩殼體經(jīng)向內(nèi)力不能完全平衡，產(chǎn)生橫向推力；邊緣應(yīng)力

無需加強：坐標點（p/（[σ]tφ）、α）位于圖中曲線上方，厚度仍按前錐殼厚度計算。需要加強：坐標點（p/（[σ]tφ）、α）位于圖中曲線下方，厚度計算見下式。圖4-19確定錐殼大端連接處的加強圖式中Di—錐殼大端內(nèi)直徑，mm；

Q—應(yīng)力增值系數(shù)，由圖4-23查取；

δr—錐殼及其相鄰圓筒體的加強段的計算厚度，mm。注：錐殼加強段與筒體加強段應(yīng)具有相同的厚度加強段的厚度不得小于相連接的錐殼厚度錐殼加強段的長度L1：筒體加強段的長度L：與大端相類似，參見GB150-98。錐殼小端圖4-23錐殼大端連接處的Q值錐殼厚度：仍按錐殼厚度公式計算。錐殼大端：厚度按式下面兩式計算，并取較大值。b、受內(nèi)壓折邊錐殼錐殼大端過渡段厚度：式中

K—系數(shù)，查表4-6（遇中間值時用內(nèi)插法）。與過渡段相接處錐殼厚度：

式中f—系數(shù)，查表4-7（遇中間值時用內(nèi)插法）；r—折邊錐殼大端過渡段轉(zhuǎn)角半徑，mm。r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.66440.61110.57890.54030.51680.500020°0.69560.63570.59860.55220.52230.500030°0.75440.68190.63570.57490.53290.500035°0.79800.71610.66290.59140.54070.500040°0.85470.76040.69810.61270.55060.500045°0.92530.81810.74400.64020.56350.500050°1.02700.89440.80450.67650.58040.500055°1.16080.99800.88590.72490.60280.500060°1.35001.14331.00000.79230.63370.5000表4-6系數(shù)K值小端過渡段厚度需另行計算，見GB150-98。錐殼小端：半頂角α≤45°：小端厚度按無折邊錐殼小端厚度的計算方法計算；小端無折邊：小端有折邊：r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.50620.50550.50470.50320.50170.500020°0.52570.52250.51930.51280.50640.500030°0.56190.55420.54650.53100.51550.500035°0.58830.55730.56630.54420.52210.500040°0.62220.60690.59160.56110.53050.500045°0.66570.64500.62430.58280.54140.500050°0.72230.69450.66680.61120.55560.500055°0.79730.76020.72300.64860.57430.500060°0.90000.85000.80000.70000.60000.5000表4-7系數(shù)f值c、受外壓錐殼α≤60°：按等效圓筒體計算；α＞60°：按平蓋計算。假設(shè)錐殼名義厚度δne——計算錐殼有效厚度δec=（δnc-C）cosα——按外壓圓筒體的圖算法進行外壓校核計算——以Le/DL代替L/Do，DL/δec代替Do/δe。外壓錐殼的計算錐殼大端或小端和筒體連接處存在壓縮強度和周向穩(wěn)定性問題，在必要時應(yīng)設(shè)置加強結(jié)構(gòu)。錐殼與筒體連接處的外壓加強設(shè)計Le：錐殼當量長度，有相應(yīng)計算公式；DL：所考慮的錐殼段的大端外直徑理論分析：以圓平板應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，分為周邊固支或簡支.實際上：介于固支和簡支之間；工程計算：采用圓平板理論為基礎(chǔ)的經(jīng)驗公式，通過系數(shù)K來體現(xiàn)平蓋周邊的支承情況，K值越小,平蓋周邊越接近固支；

反之就越接近于簡支。

這些平蓋厚度可按下述方法計算：幾何形狀：圓形、橢圓形、長圓形、矩形及正方形等。5、平蓋平蓋的最大應(yīng)力a、圓形平蓋厚度考慮鋼板拼焊由強度理論得得圓形平蓋厚度計算公式：式中δp—平蓋計算厚度，mm；

K—結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，查表4-8；Dc—平蓋計算直徑，見表4-8中簡圖，mm。對于表4-8中序號6、7所示平蓋，應(yīng)取其操作狀態(tài)及預(yù)緊狀態(tài)的K值代入上式分別計算，取較大值。當預(yù)緊時[σ]t取常溫的許用應(yīng)力。表4-8平蓋系數(shù)K選擇表表4-8平蓋系數(shù)K選擇表（續(xù)）表4-8平蓋系數(shù)K選擇表（續(xù)）2、非圓形平蓋厚度不同連接形式的非圓形平蓋應(yīng)采用不同的計算公式。表4-8中序號3、4所示平蓋，按下式計算式中Z—非圓形平蓋的形狀系數(shù)，且Z≤2.5；a，b—分別為非圓形平蓋的短軸長度和長軸長度，mm表4-8中序號6、7所示平蓋，按下式計算（當預(yù)緊時[σ]t取常溫的許用應(yīng)力）直邊高度L不小于50mm；弧半徑r≥0.5δp，且封頭與筒體連接處的厚度不小于與其相對接筒節(jié)的厚度。圖4-24鍛制平封頭3、鍛制平封頭鍛制平封頭底部厚度δp：式中η—開孔削弱系數(shù)，

∑di—Dc范圍內(nèi)沿直徑斷面開孔內(nèi)徑總和的最大值，mm四、密封裝置設(shè)計可拆密封裝置螺紋連接承插式連接螺栓法蘭連接——螺栓—墊片—法蘭密封系統(tǒng)本節(jié)主要內(nèi)容密封機理及分類影響密封性能的主要因素螺栓法蘭連接設(shè)計原理性能圖4-25螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)1-螺栓；2-墊片；3-法蘭依靠螺栓預(yù)緊力把兩部分設(shè)備或管道法蘭環(huán)連在一起，同時壓緊墊片，使連接處達到密封。較好的強度和密封性，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可多次重復(fù)拆卸，應(yīng)用較廣。密封裝置的失效形式主要表現(xiàn)為泄漏泄漏量控制在工藝和環(huán)境允許的范圍內(nèi)（一）密封機理泄漏途徑滲透泄漏界面泄漏通過墊片材料本體毛細管的滲透泄漏，除了受介質(zhì)壓力、溫度、粘度、分子結(jié)構(gòu)等流體狀態(tài)性質(zhì)影響外，主要與墊片的結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)有關(guān)，可通過對滲透性墊片材料添加某些填充劑進行改良，或與不透性材料組合成型來避免“滲透泄漏”。沿著墊片與壓緊面之間的泄漏，泄漏量大小主要與界面間隙尺寸有關(guān)。壓緊面就是指上、下法蘭與墊片的接觸面。加工時壓緊面上凹凸不平的間隙及壓緊力不足是造成“界面泄漏”的直接原因。“界面泄漏”是密封失效的主要途徑。滲透泄漏界面泄漏泄漏界面泄漏滲透泄漏圖4-26泄漏的途徑螺栓法蘭連接的整個工作過程：圖4-23（a）尚未預(yù)緊工況、（b）預(yù)緊工況、（c）操作工況1、尚未預(yù)緊工況將上、下法蘭壓緊面和墊片的接觸處的微觀尺寸放大，表面是凹凸不平的，這就是流體泄漏的通道。（a）尚未預(yù)緊工況圖4-27密封機理圖2、預(yù)緊工況（無內(nèi)壓）擰緊螺栓，螺栓力通過法蘭壓緊面作用到墊片上。墊片產(chǎn)生彈性或屈服變形，填滿凹凸不平處，堵塞泄漏通道，形成初始密封條件。預(yù)緊(無內(nèi)壓)時，迫使墊片變形與壓緊面密合，以形成初始密封條件，此時墊片單位面積上所需的最小壓緊力，稱為“墊片比壓力”，用y表示，也稱為最小壓緊應(yīng)力，單位為MPa。在預(yù)緊工況下，如墊片單位面積上所受的壓緊力小于比壓力y，介質(zhì)即發(fā)生泄漏。引入概念1“預(yù)緊比壓y”：y值僅與墊片材料、結(jié)構(gòu)與厚度有關(guān)。（b）預(yù)緊工況圖4-27密封機理圖通入介質(zhì)壓力上升內(nèi)壓引起的軸向力，使上下法蘭壓緊面分離，墊片壓縮量減少，密封比壓（即，壓緊面上的壓緊應(yīng)力）下降導致墊片彈性壓縮變形部分產(chǎn)生回彈，補償因螺栓伸長所引起的壓緊面分離，使壓緊面上的密封比壓力仍能維持一定值以保持密封性能。為保證在操作狀態(tài)時法蘭的密封性能而必須施加（維持）在墊片上的壓應(yīng)力，稱為操作密封比壓。操作密封比壓往往用介質(zhì)計算壓力的m倍表示，這里m稱為“墊片系數(shù)”，無因次。引入概念2“操作密封比壓”：3、操作工況（c）操作工況

圖4-27密封機理圖防止流體泄漏的基本方法當介質(zhì)通過密封口的阻力大于密封口兩側(cè)的介質(zhì)壓力差時，介質(zhì)就被密封。而介質(zhì)通過密封口的阻力是借施加于壓緊面上的比壓力

來實現(xiàn)的，作用在壓緊面上的密封比壓力越大，則介質(zhì)通過密封口的阻力越大，越有利于密封。在密封口增加流體流動的阻力泄漏時介質(zhì)通過密封口的動力：密封口內(nèi)外介質(zhì)壓力差泄漏時介質(zhì)通過密封口的阻力：壓緊面上的比壓力由以上分析，在確立法蘭設(shè)計方法時，把預(yù)緊工況與操作工況分開處理，從而大大簡化了法蘭設(shè)計。為此，對兩個不同的工況分別引進兩個墊片性能參數(shù)，即“最小壓緊應(yīng)力”或“比壓力”y以及“墊片系數(shù)”m。預(yù)緊比壓y：定義為預(yù)緊(無內(nèi)壓)時，迫使墊片變形與壓緊面密合，以形成初始密封條件，此時墊片所必需的最小壓緊載荷，因以單位接觸面積上的壓緊載荷計，故也稱最小壓緊應(yīng)力”，單位為MPa。y值僅與墊片材料、結(jié)構(gòu)與厚度有關(guān)。墊片系數(shù)m：是指操作(有內(nèi)壓)時，達到緊密不漏，墊片所必須維持的比壓與介質(zhì)壓力p的比值（無單位）。不少生產(chǎn)實踐和廣泛的研究表明y和m值還與墊片尺寸，介質(zhì)性質(zhì)、壓力、溫度、壓緊面粗糙度等許多因素有關(guān)，而且m與y之間也存在內(nèi)在聯(lián)系。（二）密封分類按獲得密封比壓力方法的不同按被密封介質(zhì)的壓力大小分類中低壓密封高壓密封強制密封自緊密封半自緊式密封強制密封完全依靠連接件的作用力強行擠壓密封元件達到密封。特點：預(yù)緊力大，約為工作壓力產(chǎn)生的軸向力的1.1～1.6倍。主要依靠容器內(nèi)部的介質(zhì)壓力壓緊密封元件實現(xiàn)密封。特點：預(yù)緊力小，介質(zhì)壓力越高，密封越可靠，約為工作壓力產(chǎn)生的軸向力的20%以下。自緊式密封軸向自緊式：密封元件的軸向剛度小于被連接件的軸向剛度徑向自緊式：密封元件的軸向剛度小于被連接件的軸向剛度半自緊式：屬于非自緊式的強制式密封，但又具有一定的自緊性能，如雙錐環(huán)密封。中、低壓密封：螺栓法蘭結(jié)構(gòu)，強制式密封。高壓密封：多用自緊式密封、半自緊式密封。按被密封介質(zhì)的壓力大?。ㄈ┯绊懨芊庑阅艿闹饕蛩?、螺栓預(yù)緊力

預(yù)緊力使墊片壓緊實現(xiàn)初始密封適當提高預(yù)緊力可增加墊片的密封能力，即在正常工況下保留較大的接觸面比壓力預(yù)緊力不宜太大，否則使墊片整體屈服喪失回彈能力，甚至將墊片擠出或壓壞預(yù)緊力應(yīng)均勻地作用到墊片上，可采取減小螺栓直徑、增加螺栓個數(shù)等措施來提高密封性能2、墊片性能

墊片變形能力和回彈能力是形成密封的必要條件。變形能力大的密封墊易填滿壓緊面上的間隙，并使預(yù)緊力不致太大；回彈能力大的墊片，能適應(yīng)操作壓力和溫度的波動墊片應(yīng)具有能適應(yīng)介質(zhì)的溫度、壓力和腐蝕等的性能墊片比壓力y和墊片系數(shù)m：與墊片材料、結(jié)構(gòu)與厚度關(guān)，還與介質(zhì)性質(zhì)、壓力、溫度、壓緊面粗糙度等因素有關(guān)，而且m和y之間也存在內(nèi)在聯(lián)系。見表4－9，1943年Rossheim和Markl推薦而沿用至今表4—9墊片性能參數(shù)表4—9墊片性能參數(shù)（續(xù)）表4—9墊片性能參數(shù)（續(xù)）3、壓緊面的質(zhì)量

4、法蘭剛度

壓緊面又稱密封面，其形狀和粗糙度應(yīng)與墊片相匹配使用金屬墊片時其壓緊面的質(zhì)量要求比使用非金屬墊片時高壓緊面表面不允許有刀痕和劃痕應(yīng)能均勻地壓緊墊片，保證平面度和垂直度剛度不足過大的翹曲變形，密封失效的主要原因之一。提高法蘭剛度措施增加法蘭環(huán)的厚度、縮小螺栓中心圓直徑、增大法蘭環(huán)外徑采用帶頸法蘭或增大錐頸部分尺寸，提高抗彎能力圖4-28法蘭的翹曲變形在壓力、介質(zhì)和溫度的聯(lián)合作用下，尤其是波動的高溫下，會嚴重影響密封性能，甚至使密封因疲勞而完全失效。操作條件指壓力、溫度及介質(zhì)的物理化學性質(zhì)對密封性能的影響。特點高溫下，介質(zhì)粘度小，滲透性大，易泄漏；介質(zhì)對墊片和法蘭的腐蝕作用加劇，增加了泄漏的可能性；法蘭、螺栓和墊片均會產(chǎn)生較大的高溫蠕變與應(yīng)力松弛，使密封失效；某些非金屬墊片還會加速老化、變質(zhì)，甚至燒毀。原因5、操作條件（四）螺栓法蘭連接設(shè)計1、螺栓法蘭連接的密封性設(shè)計螺栓法蘭連接設(shè)計關(guān)鍵要解決兩個問題保證連接處“緊密不漏”；法蘭應(yīng)具有足夠的強度，不致因受力而破壞。實際應(yīng)用中主要是泄漏，很少有強度不足而破壞。密封性能：壓緊面墊片a、法蘭壓緊面的選擇壓緊面主要根據(jù)工藝條件、密封口徑以及墊片等進行選擇。全平面（a）突面（b）凹凸面（c）榫槽面（d）環(huán)連接面（或稱T型槽）（e）等其中以突面、凹凸面、榫槽面最為常用。形式圖4-29（a）（b）（c）（d）（e）圖4-29法蘭密封面的型式凹凸面法蘭連接榫槽面法蘭連接突面壓緊面簡單，加工方便，裝卸容易，易于防腐襯里。壓緊面可以是平滑的，適用于PN≤2.5MPa場合，帶溝槽的（2～4條、寬×深為0.8mm×0.4mm、截面為三角形周向溝槽），防止非金屬墊片被擠出，適用更廣。容器法蘭可用至6.4MPa，管法蘭甚至可用至25～42MPa，但隨著公稱壓力的提高，適用的公稱直徑相應(yīng)減小。凹凸壓緊面榫槽壓緊面安裝易于對中，有效防止墊片被擠出，適用于PN≤6.4MPa的容器法蘭和管法蘭。由榫面、槽面配合構(gòu)成，墊片安放在槽內(nèi)，不會被擠出壓緊面，較少受介質(zhì)的沖刷和腐蝕，所需螺栓力較小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更換墊片較難，只適用于易燃、易爆和高度或極度毒性危害介質(zhì)等重要場合?；疽蟾鶕?jù)選擇墊片的結(jié)構(gòu)形式、材料、尺寸墊片的材料不污染工作介質(zhì)、耐腐蝕、具有良好的變形能力和回彈能力，在工作溫度下不易變質(zhì)硬化或軟化、能重復(fù)使用等。（表4－10墊片選用表）b、墊片的選擇介質(zhì)的壓力、溫度、腐蝕性和壓緊面的形狀，兼顧價格、制造、更換是否方便等因素來選擇根據(jù)密封所需壓緊力大小計算螺栓載荷，選擇合適的螺栓材料計算螺栓直徑與個數(shù)按螺紋和螺栓標準確定螺栓尺寸最后驗算螺栓間距c、螺栓設(shè)計墊片壓緊力螺栓載荷計算螺栓設(shè)計墊片壓緊力預(yù)緊時：式中Fa—預(yù)緊狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力

b—墊片有效密封寬度

y—墊片比壓力，由表4-9查得，MPa

DG—墊片壓緊力作用中心圓計算直徑，mm當bo≤6.4mm時，DG等于墊片接觸的平均直徑當bo＞6.4mm時，DG等于墊片接觸的外徑減去2bbo—墊片基本寬度（bo見表4－11）當bo≤6.4mm時，b=bo當bo＞6.4mm時，操作時：需要的壓緊力由操作密封比壓引起，由于原始定義m時是取2倍墊片有效接觸面積上的壓緊載荷等于操作壓力的

m倍，所以計算時操作密封比壓應(yīng)為2mpc，則式中Fp—操作狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力，N；

m—墊片系數(shù)，由表4-9查得；pc—計算壓力，MPa。bo—墊片基本寬度（bo見表4－11）

當bo≤6.4mm時，b=bo

當bo＞6.4mm時，表4－10墊片選用表0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2金屬環(huán)墊環(huán)連接面451～53010、0Cr13、0Cr18Ni9金屬齒形墊凹凸≤4506.410.00Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、金屬包墊、柔性石墨復(fù)合墊凹凸41～4500Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊凹凸≤404.00Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、金屬包墊、柔性石墨復(fù)合墊突（凹凸）201～450耐油橡膠石棉板、0Cr13鋼帶-石棉板耐油墊、纏繞墊、金屬包墊、柔性石墨復(fù)合墊突（凹凸）≤2002.50Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、金屬包墊、柔性石墨復(fù)合墊突（凹凸）201～250耐油橡膠石棉板、聚四氟乙烯板耐油墊、四氟墊突（凹凸）≤200≤1.6油品、油氣，溶劑（丙烷、丙酮、苯、酚、糠醛、異丙醇），石油化工原料及產(chǎn)品材料型式墊片密封面工作溫度/℃法蘭公稱壓力/MPa介質(zhì)0Cr13、0Cr18Ni9金屬環(huán)墊環(huán)連接面45010.0紫銅板紫銅墊凹凸4006.43.5MPa0Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架、紫銅板纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊、紫銅墊3004.02.5MPa0Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊突≤2801.61.0MPa中壓橡膠石棉板橡膠墊突≤2001.00.3MPa蒸汽中壓橡膠石棉板橡膠墊突≤1501.6壓縮空氣中壓橡膠石棉板橡膠墊凹凸≤1502.5氨0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2金屬環(huán)墊環(huán)連接面401～5300Cr13、0Cr18Ni9金屬環(huán)墊環(huán)連接面251～40010、0Cr13、0Cr18Ni9金屬環(huán)墊環(huán)連接面≤2506.410.00Cr18Ni19鋼帶-石墨帶、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2纏繞墊、金屬齒形墊凹凸451～5300Cr18Ni19鋼帶-石墨帶石墨-0Cr18Ni19等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊凹凸251～4500Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊凹凸≤2504.0氫氣、氫氣與油氣混合物表4－10墊片選用表（續(xù)）耐油橡膠石棉板、石墨-0Cr13等骨架耐油墊、柔性石墨復(fù)合墊突-20～04.0低溫油氣蒙乃爾合金帶-石墨帶、蒙乃爾合金板纏繞墊、金屬平墊凹凸1704.0氫氟酸紫銅金屬平墊2601.0環(huán)氧乙烷0Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊突≤502.5耐油橡膠石棉板耐油墊突≤501.6液化石油氣0Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊凹凸≤450≥2.5中壓橡膠石棉板橡膠墊突≤300≤1.6弱酸、弱減、酸渣、堿渣0Cr13鋼帶-石墨帶纏繞墊環(huán)連接面≥1.6劇毒介質(zhì)中壓橡膠石棉板橡膠墊突≤300≤1.6水0Cr13（0Cr18Ni9）鋼帶-石棉板纏繞墊凹凸≤606.40Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊凹凸≤604.0中壓橡膠石棉板橡膠墊突≤2001.6惰性氣體表4－10墊片選用表（續(xù)）表4-11墊片密封基本寬度bo表4-11墊片密封基本寬度bo（續(xù)）螺栓載荷計算需要的最小螺栓載荷等于保證墊片初始密封所需的壓緊力，預(yù)緊狀態(tài)：式中Wa—預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷，N；需要的最小螺栓載荷，由二部分組成：介質(zhì)產(chǎn)生的軸向力和保持墊片密封所需的墊片壓緊力，即操作狀態(tài)：式中Wp—操作狀態(tài)下，需要的最小螺栓載荷，N；螺栓設(shè)計為了保證預(yù)緊和操作時都能形成可靠的密封，應(yīng)分別求出兩種工況下螺栓的截面積，擇其大者為所需螺栓截面積，從而確定螺栓直徑與個數(shù)。螺栓與螺母應(yīng)采用不同材料或同種材料但不同的熱處理條件，使其具有不同的硬度，螺栓材料硬度應(yīng)比螺母高30HB以上。原則：按常溫計算，螺栓所需截面積Aa為預(yù)緊狀態(tài)：式中—常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力，MPa按螺栓設(shè)計溫度計算，螺栓所需截面積Ap操作狀態(tài)：式中—設(shè)計溫度下螺栓材料的許用應(yīng)力，MPa

Am=max（Aa，Ap）需要的螺栓截面積確定螺栓直徑與個數(shù)do—螺紋根徑或螺栓最小截面直徑n—螺栓個數(shù)設(shè)計時：do與n是互相關(guān)聯(lián)的未知數(shù)，先假設(shè)螺栓個數(shù)n算出螺栓根徑do將do圓整為螺紋標準公稱直徑n應(yīng)為偶數(shù)，最好是4的倍數(shù)實際螺栓截面積不小于Am保證螺栓公稱直徑一般不小于M12螺栓個數(shù)n：★個數(shù)多，墊片受力均勻，密封效果好。

★個數(shù)太多，螺栓間距變小，可能放不下扳手，引起裝拆困難。

★法蘭環(huán)上兩個螺栓孔中心距應(yīng)該在=πDb/n應(yīng)在（3.5～4）dB的范圍。

★個數(shù)太少，螺栓間距太大，螺栓孔之間將引起附加的法蘭彎矩，且墊片受力不均導致密封性下降，因此，螺栓最大間距不超過。dB—螺栓公稱直徑，mmδf—法蘭有效厚度，mm查表4-12注：A組數(shù)據(jù)適用于（a）圖所示的帶頸法蘭結(jié)構(gòu)；B組數(shù)據(jù)適用于（b）圖所示的焊制法蘭結(jié)構(gòu)。7080901021163036424855353844485660703036424856323846525662161820242628162024262730202430323438121620222427B組A組B組A組LeLA螺栓公稱直徑dBLeLA螺栓公稱直徑dB螺栓最小間距螺栓最小間距表4-12LA、Le及螺栓間距的最小值/mm（五）法蘭結(jié)構(gòu)類型及標準按法蘭接觸面寬窄窄面法蘭：法蘭的接觸面處在螺栓孔圓周以內(nèi)寬面法蘭：法蘭的接觸面擴展到螺栓孔圓周外側(cè)按法蘭應(yīng)用場合容器法蘭管法蘭與此對應(yīng)，法蘭標準也有容器法蘭和管法蘭標準1、法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭的基本結(jié)構(gòu)形式按組成法蘭的圓筒、法蘭環(huán)、錐頸三部分的整體性程度分為：松式法蘭整體法蘭任意式法蘭圖4-30圖4-30法蘭結(jié)構(gòu)類型（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殼體作為一個整體承受螺栓載荷的結(jié)構(gòu)。如：活套法蘭、螺紋法蘭、搭接法蘭等?；钐追ㄌm螺紋法蘭搭接法蘭整體法蘭圖4-30法蘭結(jié)構(gòu)類型（整體法蘭）將法蘭與殼體鍛或鑄成一體或經(jīng)全熔透的平焊法蘭特點：保證殼體與法蘭同時受力，使法蘭厚度可適當減??；但會在殼體上產(chǎn)生較大應(yīng)力。整體法蘭整體法蘭任意式法蘭圖4-30法蘭結(jié)構(gòu)類型（任意式法蘭）從結(jié)構(gòu)來看，這種法蘭與殼體連成一體，但剛性介于整體法蘭和松式法蘭之間。計算按整體法蘭，當法蘭頸部厚度δo≤15mm，法蘭內(nèi)直徑Di/δo≤300，計算壓力Pc≤2MPa，t≤370℃時，可簡化為不帶頸的松式法蘭計算。任意式法蘭任意式法蘭任意式法蘭實際應(yīng)盡可能選用標準法蘭。只有使用大直徑、特殊工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式時才需自行設(shè)計。分類選擇法蘭的主要參數(shù)2、法蘭標準管法蘭、容器法蘭。相同公稱直徑、公稱壓力的管法蘭與容器法蘭的連接尺寸各不相同，二者不能相互套用。公稱壓力（PN）公稱直徑（DN）是指名義直徑，是與內(nèi)徑相近的某個數(shù)值，公稱直徑相同的鋼管，外徑是相同的，由于厚度是變化的，所以內(nèi)徑也是變化的，如DN100的無縫鋼管有φ108×4、φ108×4.5、φ108×5等規(guī)格。公稱直徑（DN）公稱直徑是容器和管道標準化后的尺寸系列，按國家標準規(guī)定的系列選用。容器法蘭是容器內(nèi)徑（用管子作筒體的容器除外）管法蘭公稱壓力（PN）壓力容器或管道的標準化壓力等級。指規(guī)定溫度下的最大工作壓力，并經(jīng)過標準化后的壓力數(shù)值。選取與設(shè)計壓力相近且又稍高一級的公稱壓力。當容器零部件設(shè)計溫度升高且影響金屬材料強度極限時，則要按更高一級的公稱壓力選取零部件。用PN表示，如PN0.25、PN4.0等。歐洲體系中常用的公稱壓力等級（SI制）：0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0、16.0、25.0MPa等美洲體系中常用的公稱壓力等級（SI制）：2.0、5.0、11.0、15.0、26.0、42.0MPa等例：PN2.5長頸對焊法蘭（JB4703），在-20～200℃時的允許工作壓力為2.5MPa，但若將它用于400℃，它的最高允許工作壓力為1.93MPa；若改用20鋼制造，則-20～200℃的允許工作壓力為1.81MPa，而溫度升高到400℃時，允許工作壓力降低為1.26MPa。因此，選用的法蘭壓力等級應(yīng)不低于法蘭材料在工作溫度下的允許工作壓力。管法蘭也有類似的規(guī)定，具體可參閱有關(guān)標準。公稱壓力——是以16Mn在200℃時的最高工作壓力為依據(jù)制定的，因此當法蘭材料和工作溫度不同時，最大工作壓力將降低或升高。容器法蘭標準管法蘭標準國家標準GB9112～9125機械標準JB/T74～90化工標準HG20592～20635（包括歐洲體系和美洲體系）中國管法蘭標準：國際上兩個體系，即歐洲體系（以DIN標準為代表）以及美洲體系（以ASMEB16.5、B16.47標準為代表）。同一體系內(nèi)，各國的管法蘭標準基本上可以互相配用（指連接尺寸和密封面尺寸），但兩個體系之間不能互相配用。較明顯的區(qū)分標志為公稱壓力等級不同。優(yōu)先選用標準法蘭的選用根據(jù)容器或管道的公稱直徑、公稱壓力、工作溫度、工作介質(zhì)特性以及法蘭材料進行選用。法蘭的基本定義操作條件對非標準法蘭，應(yīng)在選定法蘭、墊片的材料和形式后，參考法蘭標準系列初擬法蘭尺寸，然后進行應(yīng)力計算，使其各部分尺寸能夠滿足相應(yīng)強度要求。▲法蘭結(jié)構(gòu)雖然簡單，但因影響因素較多，受力情況復(fù)雜，所以很難用嚴密的理論進行分析計算?！硪环矫?，雖然法蘭剛度不足是導致過大變形而引起泄漏的原因之一，但目前國內(nèi)外多數(shù)規(guī)范中的法蘭設(shè)計方法基本上仍從強度考慮，控制法蘭中的應(yīng)力值作為設(shè)計依據(jù)。說明：3、法蘭強度設(shè)計計算簡述基于材料力學的簡單方法由Bach（巴赫）提出，把高頸看作一懸臂梁來驗算，簡化程度太大，少用。以彈性分析為基礎(chǔ)的方法代表Timoshenko（鐵木辛柯）和Watres（華脫爾斯）?？刂品ㄌm中的應(yīng)力在彈性，同時保證法蘭的密封要求，是目前采用最多的方法，尤其是Waters法。以塑性分析為基礎(chǔ)的方法在設(shè)計法蘭時著重整個可拆—聯(lián)接結(jié)構(gòu)的密封，而對法蘭強度以塑性失效設(shè)計準則控制?？蓞⒖肌痘と萜髟O(shè)計》王志文主編，化學工業(yè)出版社；余國琮主編《化工容器及設(shè)備》天津大學出版社（六）高壓密封設(shè)計1、高壓密封的基本要求工作可靠，在正常操作條件下均可保證密封性能結(jié)構(gòu)簡單，裝拆和維修方便加工制造方便，不要求過高的粗糙度和精度結(jié)構(gòu)緊湊，密封構(gòu)件少所需的緊固件應(yīng)簡單輕巧選材應(yīng)防腐蝕介質(zhì)造價低廉2、高壓密封的基本特點一般采用金屬密封元件，常用退火鋁、退火紫銅和軟鋼采用窄面或線接觸密封盡可能采用自緊或半自緊式密封，壓力越高，密封越可靠3、高壓密封的結(jié)構(gòu)型式強制式密封，主螺栓預(yù)緊。與中低壓容器中常用的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)相似，只是將寬面非金屬墊片改為窄面金屬平墊片。常用退火鋁、退火紫銅或10號鋼。特點平墊密封溫度<200℃、內(nèi)徑<1000mm的中小型高壓容器上。它的結(jié)構(gòu)簡單，在壓力不高、直徑較小時密封可靠。但其主螺栓直徑過大，不適用于溫度與壓力波動較大的場合。

應(yīng)用圖4-31平墊密封結(jié)構(gòu)

1-主螺母；2-墊圈；3-平蓋；4-主螺栓；5-筒體端部；6-平墊片高壓平墊密封結(jié)構(gòu)卡扎里密封強制式密封，利用壓環(huán)和預(yù)緊螺栓將三角形墊片壓緊來保證密封，裝卸方便，安裝預(yù)緊力較小。介質(zhì)產(chǎn)生的軸向力由螺紋套筒承擔，不需要大直徑主螺栓。外螺紋、內(nèi)螺紋和改良卡扎里密封三種結(jié)構(gòu)形式大直徑和較高的壓力范圍，但鋸齒形螺紋加工精度要求高，造價較高。分類特點應(yīng)用圖4-32外螺紋卡扎里密封結(jié)構(gòu)1-平蓋2-螺紋套筒3-圓筒端部4-預(yù)緊螺栓5-壓環(huán)6-密封墊片卡扎里密封結(jié)構(gòu)雙錐密封擰緊主螺栓，使雙錐環(huán)兩錐面上的軟金屬墊片和平蓋、筒體端部上的錐面相接觸并壓緊，達到足夠的預(yù)緊密封比壓；雙錐環(huán)本身徑向收縮，使間隙g消失。主螺栓預(yù)緊，徑向半自緊式密封。內(nèi)壓升起，預(yù)緊密封比壓減小，雙錐環(huán)徑向回彈，使兩錐面上繼續(xù)保留一部分比壓；同時，雙錐環(huán)內(nèi)圓柱表面向外擴張，導致兩錐面上的比壓進一步增大，大于操作密封比壓。特點預(yù)緊特點圖4-33雙錐密封結(jié)構(gòu)1-主螺母；2-墊圈；3-主螺栓；4-平蓋；5-雙錐環(huán)；6-軟金屬墊片；7-筒體端部；8-螺栓；9-托環(huán)雙錐環(huán)剛性大，要求預(yù)緊螺栓力大，工作內(nèi)壓所引起的徑向自緊作用力小。20、25、35、16Mn、20MnMo、15CrMo、0Cr18Ni9等兩個密封面上均開有半圓形溝槽，溝槽中襯有軟金屬墊，如退火鋁或退火紫銅等。雙錐環(huán)應(yīng)具有適當?shù)膭傂砸员３只貜椬跃o力。截面尺寸過大截面尺寸過小剛性不足，彈性回彈力不足，影響徑向自緊力。材料結(jié)構(gòu)雙錐環(huán)高度雙錐環(huán)厚度式中A—雙錐環(huán)高度，mm；B—雙錐環(huán)厚度，mm；

C—雙錐環(huán)外側(cè)面高度，mm；

σm—雙錐環(huán)中點處的彎曲應(yīng)力，一般可按50～100MPa選取。結(jié)構(gòu)簡單，密封可靠，加工精度要求不高，制造容易，用于直徑大、壓力和溫度高的容器。在壓力和溫度波動的情況下，密封性能也良好。設(shè)計尺寸應(yīng)用特點：軸向自緊式密封，最早使用的結(jié)構(gòu)。無主螺栓連接，密封可靠，開啟速度快，壓墊可多次使用；對頂蓋安裝誤差要求不高；在溫度和壓力波動的情況下，密封性能仍良好。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配要求高，高壓空間占用較多。預(yù)緊：擰緊牽制螺栓，使壓墊和頂蓋及筒體端部間產(chǎn)生預(yù)緊密封力。工作：內(nèi)壓升起，密封力隨壓力升高、頂蓋向上頂起而迅速增大，同時卸去牽制螺栓與牽制環(huán)的部分甚至全部載荷。設(shè)計：壓墊和頂蓋之間按線接觸密封設(shè)計。壓墊與筒體端部接觸的密封面略有夾角（β=5°），另一個與端蓋球形部分接觸的密封面做成傾角較大的斜面（α=30°－35°）伍德密封圖4-34伍德密封結(jié)構(gòu)1-頂蓋；2-牽制螺栓；3-螺母；4-牽制環(huán)；5-四合環(huán)；6-拉緊螺栓；7-壓墊；8-筒體端部“C”形環(huán)密封、金屬“O”形環(huán)密封、三角墊密封、八角墊密封、“B”形環(huán)密封及楔形墊自緊密封（N.E.C）等高壓密封結(jié)構(gòu)。其它密封高壓管道密封與容器密封一樣，要求具有密封性能良好、制造容易、結(jié)構(gòu)簡單合理、安裝維修方便等特點。特點管道將承受很大的附加彎矩或剪力管較長，熱膨脹值大，受溫度波動影響大要便于拆卸特殊形式強制式平墊密封自緊式徑向自緊式—透鏡自緊式密封面：管端加工成β=20°錐面，透鏡墊圈：個球面擰緊螺栓，使透鏡球面與管端錐面形成線接觸密封，單位面積上的壓緊力很大，使透鏡墊與管端錐面之間有足夠的彈性變形和局部塑性變形。升壓后透鏡墊徑向膨脹，產(chǎn)生自緊作用，使密封面貼合得更為緊密。結(jié)構(gòu)預(yù)緊高溫型透鏡墊如圖，有一個內(nèi)環(huán)形空腔，當受內(nèi)壓作用后，內(nèi)部介質(zhì)壓力作用在透鏡墊的環(huán)形空腔內(nèi)，使透鏡墊向外膨脹，更緊密地與密封面貼合，使密封效果更好，同時還有一定的彈性，能補償溫度波動所造成的密封不實的影響。這種密封結(jié)構(gòu)，管道與法蘭不用焊接，而用螺紋連接，因而特別適合不宜焊接的高強度合金鋼管的連接。（a）一般透鏡墊圖4-35高壓管道的透鏡式密封（b）高溫透鏡墊高壓管道的透鏡式密封4、提高高壓密封性能的措施在保持密封元件原有的力學性能和回彈性能等特性的前提下，通過改善密封表面接觸狀況來提高