化工機(jī)械基礎(chǔ)(第三版)第十一章 容器零部件設(shè)計(jì)

第十一章容器(róngqì)零部件設(shè)計(jì)精品資料主要(zhǔyào)內(nèi)容：法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu)與密封原理(yuánlǐ)；法蘭標(biāo)準(zhǔn)及選用。容器支座的類型和其它附件的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用。開孔補(bǔ)強(qiáng)的原理(yuánlǐ)與方法。精品資料第一節(jié)法蘭聯(lián)接(liánjiē) 生產(chǎn)工藝要求，或?yàn)橹圃臁⑦\(yùn)輸、安裝、檢修方便，常采用可拆卸的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。 常見的可拆卸結(jié)構(gòu)有：法蘭聯(lián)接螺紋聯(lián)接承插式聯(lián)接。 可拆卸聯(lián)接應(yīng)確保接口密封的可靠性。 法蘭聯(lián)接強(qiáng)度較好和緊密性，適用尺寸范圍寬，設(shè)備和管道應(yīng)用最普遍(pǔbiàn)。 法蘭聯(lián)接不能很快裝配與拆卸，制造成本較高。 設(shè)備法蘭與管法蘭均已制定出標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)公稱直徑和公稱壓力，可以從標(biāo)準(zhǔn)中查到，少量超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍法蘭，才需進(jìn)行設(shè)計(jì)。精品資料一、法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu)(jiégòu)與密封原理組合(zǔhé)件聯(lián)接件強(qiáng)度破壞很少見，多是密封不好而泄漏。設(shè)計(jì)中要防止介質(zhì)泄漏。精品資料法蘭密封(mìfēng)的原理 預(yù)緊力壓緊墊片。 壓緊應(yīng)力（墊片密封比壓力）到一定數(shù)值使墊片變形，密封面上微隙被填滿，形成初始密封條件。 密封比壓力主要決定于墊片材質(zhì)。 墊片材質(zhì)確定后，墊片越寬，為保證比壓力，預(yù)緊力越大，螺栓(luóshuān)和法蘭尺寸也越大，所以墊片不應(yīng)過寬，更不應(yīng)該把整個法蘭面都鋪滿墊片。精品資料 工作狀態(tài)內(nèi)壓軸向力拉伸，降低了壓緊應(yīng)力。墊片有足夠回彈，補(bǔ)償變形(biànxíng)，預(yù)緊密封比壓值不小于某一值(工作密封比壓)，保持良好密封。反之，回彈不足，則此密封失效。 密封元件在操作壓力作用下，仍然保持一定的殘余壓緊力。螺栓和法蘭須有足夠大的強(qiáng)度和剛度，不發(fā)生過大的變形(biànxíng)。精品資料二、法蘭的分類(fēnlèi)精品資料（一）整體(zhěngtǐ)法蘭１．平焊法蘭，制造容易，應(yīng)用廣泛(guǎngfàn)，但剛性較差。精品資料 法蘭附近筒壁的截面上，將產(chǎn)生附加(fùjiā)的彎曲應(yīng)力。所以平焊法蘭適用的壓力范圍較低（PN<4.0MPa）。平焊法蘭的適用范圍：精品資料２．對焊法蘭又稱高頸法蘭或長頸法蘭。頸提高剛性，厚度比筒體厚，降低根部彎曲應(yīng)力。對接焊縫，比平焊法蘭的角焊縫強(qiáng)度(qiángdù)好，對焊法蘭適用于壓力、溫度較高或設(shè)備直徑較大的場合。精品資料（二）松式法蘭法蘭與容器或管道(guǎndào)不連接，比整體式連接強(qiáng)度差。精品資料 法蘭盤可用不同(bùtónɡ)材料，用于銅制、鋁制、陶瓷、石墨及其非金屬材料的設(shè)備或管道上。 受力后無附加彎曲應(yīng)力，只適用于壓力較低場合。精品資料（三）任意(rènyì)式法蘭 整體(zhěngtǐ)性介于整體(zhěngtǐ)法蘭和松式法蘭之間，包括未焊透的焊接法蘭。圓形法蘭最常見，方形法蘭利于管子排列緊湊，橢圓形法蘭常用于閥門和小直徑的高壓管子上。精品資料三、影響法蘭密封(mìfēng)的因素 影響法蘭密封的因素主要有： 螺栓預(yù)緊力； 密封面型式； 墊片性能； 法蘭剛度(ɡānɡdù)； 操作條件。精品資料㈠螺栓(luóshuān)預(yù)緊力螺栓預(yù)緊力是影響密封一個重要因素。預(yù)緊力使墊片壓緊并實(shí)現(xiàn)初始密封。預(yù)緊力過大則墊片被壓壞或擠出。 預(yù)緊力通過(tōngguò)法蘭密封面?zhèn)鬟f給墊片，良好的密封，必須使預(yù)緊力均勻地作用于墊片。 當(dāng)需要預(yù)緊力一定時，采取增加螺栓個數(shù)、減小螺栓直徑對密封有利。精品資料1、突面（RF） 光滑平面，可車制密紋水線。結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，便于進(jìn)行防腐襯里。 接觸(jiēchù)面積大，預(yù)緊時墊片容易往兩邊擠，不易壓緊。㈡密封面 法蘭聯(lián)接(liánjiē)密封性能與密封面型式有關(guān)，密封面型式選擇，主要考慮壓力、溫度、介質(zhì)。 壓力容器和管道中常用的法蘭密封面型式和特點(diǎn)：精品資料2、凹凸(āotū)面（MFM） 凸面和凹面相配合，凹面上放置墊片，防止墊片被擠出，適用(shìyòng)于壓力較高。精品資料3、榫槽面(TG)槽中墊片不被擠動。螺栓力較小。獲得良好(liánghǎo)的密封效果。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，更換墊片較困難。榫面容易損壞。適于易燃、易爆、有毒介質(zhì)及較高壓力。壓力不大時，即使直徑較大，也能很好密封。精品資料4、全平面(píngmiàn)（FF）與環(huán)連接面（RJ）全平面密封適合于壓力較小的場合(chǎnghé)（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）。精品資料5、其他(qítā)類型密封面高壓容器和高壓管道用球面（透鏡(tòujìng)）和橢圓或八角形截面金屬墊片精品資料㈢墊片(diànpiàn)性能墊片適當(dāng)(shìdàng)變形和回彈能力是形成密封的必要條件。最常用墊片分為：非金屬、金屬、非金屬與金屬混合制的墊片精品資料非金屬墊片(diànpiàn)：橡膠石棉板、聚四氟乙烯等。柔軟(róuruǎn)耐溫度和壓力性能較金屬墊片差。只適用于常、中溫和中、低壓設(shè)備和管道的法蘭密封。精品資料金屬(jīnshǔ)與非金屬(jīnshǔ)混合制墊片： 金屬包墊片及纏繞墊片等。 金屬包墊片用薄金屬板（鍍鋅薄鋼板、0Cr18Ni9等）將非金屬包起來(qǐlái)； 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。不帶定位圈和帶定位圈。 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(yīng)的溫度與壓力范圍較高一些。精品資料金屬(jīnshǔ)墊片： 材料(cáiliào)一般并不要求強(qiáng)度高，而是要求軟韌。 常用是軟鋁、紫銅、鐵(軟鋼)、蒙耐爾合金(含Ni67％，Cu30％，Cr4～5％)鋼等。 主要用于中、高溫和中、高壓法蘭聯(lián)接密封。墊片材料的選擇： 根據(jù)溫度、壓力以及介質(zhì)腐蝕決定，同時考慮密封面形式、螺栓力的大小以及裝卸要求等。 查表10-15精品資料精品資料㈠壓力容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)(biāozhǔn)四、法蘭標(biāo)準(zhǔn)(biāozhǔn)及選用 石油、化工上用的法蘭標(biāo)準(zhǔn)有兩類，一類是壓力容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)一類是管法蘭標(biāo)準(zhǔn)精品資料1．平焊法蘭：精品資料精品資料2．對焊法蘭 長頸對焊法蘭有厚度更大的頸，剛性大。 更高壓力(yālì)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以下規(guī)格包括在長頸對焊法蘭的規(guī)定范圍之內(nèi)。兩者聯(lián)接尺寸和法蘭厚度一樣(yīyàng)。DN2000mm以下的乙型平焊法蘭可用軋制長頸對焊法蘭代替，以降低成本。精品資料 平焊與對焊法蘭都有帶襯環(huán)的與不帶襯環(huán)的兩種。 當(dāng)設(shè)備是由不銹鋼制作時，采用碳鋼法蘭加不銹鋼襯環(huán)，可以(kěyǐ)節(jié)省不銹鋼。精品資料3、公稱(gōngchēng)直徑與公稱(gōngchēng)壓力根據(jù)公稱直徑與公稱壓力由法蘭標(biāo)準(zhǔn)確定法蘭尺寸壓力容器法蘭公稱直徑同壓力容器 例如(lìrú)DN1000mm的壓力容器，應(yīng)當(dāng)配用DN1000mm的壓力容器法蘭。精品資料法蘭公稱(gōngchēng)壓力： 與最大操作壓力、操作溫度以及材料有關(guān)。 定義：以16MnR在200℃時的機(jī)械性能為基準(zhǔn)確定法蘭尺寸，在200℃時，它的最大允許操作壓力就認(rèn)為是具有該尺寸法蘭的公稱(gōngchēng)壓力。 公稱(gōngchēng)壓力PNO.6MPa法蘭，用16MnR制造的，在200℃時，最大允許操作壓力0.6MPa。 高于200℃的最大操作壓力將低于它的公稱(gōngchēng)壓力0.6MPa。 低于200℃仍按200℃確定其最高工作壓力。精品資料 材料改為Q235-A，機(jī)械性能比16MnR差，公稱壓力PN0.6MPa的法蘭，200℃操作，最大允許操作壓力也低于公稱壓力。 材料由16MnR改為15MnVR，機(jī)械性能優(yōu)于16MnR，公稱壓力PN0.6MPa的法蘭，在200℃操作時，最大允許操作壓力將高于它的公稱壓力。 只要法蘭的公稱直徑、公稱壓力確定(quèdìng)了，法蘭的尺寸也就確定(quèdìng)了。精品資料最大允許(yǔnxǔ)工作壓力的確定：精品資料為操作溫度300℃，設(shè)計(jì)壓力0.6MPa的容器(róngqì)選配法蘭。材料15MnVR按公稱壓力0.6MPa查取。材料20R按公稱壓力1.0MPa查取尺寸。課堂作業(yè)：精品資料㈡管法蘭標(biāo)準(zhǔn)(biāozhǔn)同樣公稱直徑的容器法蘭和管法蘭的尺寸不相同，不能互相代用。管法蘭的型式除平焊、對焊法蘭外，還有鑄鋼法蘭、鑄鐵法蘭、活套法蘭、螺紋法蘭等。管法蘭標(biāo)準(zhǔn)查選方法(fāngfǎ)、步驟與壓力容器法蘭同。 GB9119.7-88外，常用標(biāo)準(zhǔn)還有：化工部標(biāo)準(zhǔn)HG20592～HG20602-97；中石化標(biāo)準(zhǔn)SH3406-96等。其中化工部標(biāo)準(zhǔn)中分為歐洲體系、美洲體系等，我國常用的為歐洲體系。精品資料例11-1：塔身與封頭的法蘭。塔內(nèi)徑1000mm，操作溫度280℃，設(shè)計(jì)(shèjì)壓力0.2MPa。Q235-A。根據(jù)操作溫度、設(shè)計(jì)(shèjì)壓力和所用材料，應(yīng)按公稱壓力為0.6MPa查選尺寸。壓力不高，直徑不大，表11-2用甲型平焊法蘭、平面密封面，墊片用石棉橡膠板。法蘭的各部尺寸從附錄表9中查，聯(lián)接螺栓材料Q235-A，M20共36個。精品資料思考題：1.法蘭墊片(diànpiàn)密封的原理是什么？影響密封的因素有哪些？2.法蘭的型式有哪些？各有什么特點(diǎn)？3.法蘭密封面型式有哪些？各適用什么場合？4.常用的墊片(diànpiàn)材料有哪些？作業(yè)：P2241、2、3精品資料概述(ɡàishù)： 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穩(wěn)定。 結(jié)構(gòu)型式由容器自身的型式?jīng)Q定(juédìng)，分：臥式容器支座立式容器支座球形容器支座第二節(jié)容器支座精品資料㈠鞍式支座(zhīzuò)應(yīng)用最廣泛的臥式容器支座。 已有標(biāo)準(zhǔn)JB/T4712-92《鞍式支座》，根據(jù)容器公稱直徑和重量選用(xuǎnyòng)。 由橫向筋板、若干軸向筋板和底板焊接而成。在與設(shè)備連接處，有帶加強(qiáng)墊板和不帶加強(qiáng)墊板兩種結(jié)構(gòu)。一、臥式容器的支座臥式容器的支座有三種：鞍座、圈座、支腿精品資料鞍座包角120°或150°，安放穩(wěn)定。高度200、300、400和500mm。寬度b根據(jù)容器(róngqì)公稱直徑查出。精品資料 每種型式鞍座又分為(fēnwéi)固定式支座（代號F)：底板上開圓形螺栓孔和滑動式支座（S)：底座開長圓形螺栓孔（安裝）鞍座(ānzuò)的種類與安裝： 鞍座分為A型（輕型）和B型（重型），重型又分為BⅠ～BⅤ五種型號。A型和B型的筋板和底板、墊板等尺寸不同或數(shù)量不同。精品資料鞍座(ānzuò)與筒體端部距離A確定： 當(dāng)L/D較大，且無加強(qiáng)圈，應(yīng)盡量利用封頭對支座處筒體的加強(qiáng)作用，取A≤0.25D； 當(dāng)筒體的L/D較小，d/D較大，或有加強(qiáng)圈時，取A≤0.2L。精品資料㈡圈座采用圈座的情況：對于大直徑薄壁容器(róngqì)和真空容器(róngqì)，因其自身重量可能造成嚴(yán)重?fù)锨?；多于兩個支承的長容器(róngqì)。除常溫常壓下操作的容器(róngqì)外，至少應(yīng)有一個圈座是滑動支承的。精品資料㈢腿式支座(zhīzuò) 簡稱支腿 連接處造成嚴(yán)重的局部應(yīng)力，只適用于小型設(shè)備（DN≤1600、L≤5m）。 腿式支座的結(jié)構(gòu)型式、系列(xìliè)參數(shù)等參見標(biāo)準(zhǔn)JB/T4714-92《腿式支座》。精品資料二、立式(lìshì)容器的支座立式容器的支座主要(zhǔyào)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種，高大的塔設(shè)備則廣泛采用裙式支座。精品資料㈠耳式支座(zhīzuò)簡稱耳座：墊板、筋板和支腳板。廣泛用在反應(yīng)釜及立式換熱器等直立設(shè)備(shèbèi)上。簡單、輕便，但局部應(yīng)力較大。當(dāng)設(shè)備(shèbèi)較大或器壁較薄應(yīng)加墊板。不銹鋼制設(shè)備(shèbèi)，用碳鋼作支座，防止合金元素流失，也需加一個不銹鋼墊板。精品資料 已標(biāo)準(zhǔn)化JB/T4725-92《耳式支座》。 該標(biāo)準(zhǔn)分A型（短臂）和B型（長臂）（有保溫層或直接放在樓板(lóubǎn)上） 每類又分帶墊板與不帶墊板兩種結(jié)構(gòu)精品資料耳式支座(zhīzuò)選用的方法：（1）估算設(shè)備總重，算每個支座（按2個計(jì)算）的負(fù)荷Q值；（2）確定支座型式，從表11-5或表11-6按允許負(fù)荷Q允大于實(shí)際負(fù)荷Q，選支座。小型(xiǎoxíng)設(shè)備耳式支座，可支承在管子或型鋼制的立柱上。大型設(shè)備的支座往往擱在鋼梁或混凝土制的基礎(chǔ)上。精品資料㈡支承(zhīchénɡ)式支座 用鋼管、角鋼(jiǎogāng)、槽鋼制作，或用數(shù)塊鋼板焊成， 型式、結(jié)構(gòu)、尺寸及材料JB/T4724-92《支承式支座》。精品資料適用范圍和結(jié)構(gòu)(jiégòu)：支承(zhīchénɡ)式支座分A型和B型。形式支座號適用的公稱直徑（mm）結(jié)構(gòu)特征A1～6DN800～3000鋼板焊制，帶墊板B1～8DN800～4000鋼管焊制，帶墊板精品資料支承式支座(zhīzuò)的選用： 選用見標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，尺寸按表10-8查。 簡單輕便(qīngbiàn) 局部應(yīng)力較大，當(dāng)殼體剛度較小、殼體和支座材料差異或溫度差異較大時，或殼體需焊后熱處理，應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)板。 加強(qiáng)板的材料應(yīng)和殼體材料相同或相似。精品資料㈢裙式支座(zhīzuò)塔設(shè)備最常用裙式支座。目前(mùqián)還沒有標(biāo)準(zhǔn)。各部分尺寸均需通過計(jì)算或?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)確定。精品資料思考題：1、臥式容器和立式(lìshì)容器的支座有哪幾種？2、雙鞍座臥式容器支座位置按哪些原則確定？精品資料一、容器(róngqì)的開孔與補(bǔ)強(qiáng)容器(róngqì)為什么要開孔？工藝、安裝、檢修的要求。開孔后，為什么要補(bǔ)強(qiáng)？削弱器壁的強(qiáng)度，出現(xiàn)不連續(xù)，形成高應(yīng)力集中區(qū)。第三節(jié)容器的開孔與附件精品資料峰值應(yīng)力通常較高，達(dá)到甚至(shènzhì)超過材料屈服極限。局部應(yīng)力較大，加之材質(zhì)和制造缺陷等,為降低峰值應(yīng)力，需要對結(jié)構(gòu)開孔部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以保證容器安全運(yùn)行。開孔的形狀(xíngzhuàn)：應(yīng)力集中和開孔形狀有關(guān)，圓孔的應(yīng)力集中程度最低。精品資料㈠開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)(shèjì)與補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 在開孔附近區(qū)域增加(zēngjiā)補(bǔ)強(qiáng)金屬，提高器壁強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。 容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的形式分為整體補(bǔ)強(qiáng)和補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)1．整體補(bǔ)強(qiáng) 增加整個殼體的厚度，或用全焊透將厚壁接管或整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件與殼體相焊，降低開孔附近的應(yīng)力。 應(yīng)力集中的局部性，除非制造或結(jié)構(gòu)需要，一般不把整個容器壁加厚。精品資料2．補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng) 開孔周圍貼焊一圈鋼板(gāngbǎn)，即補(bǔ)強(qiáng)圈。 補(bǔ)強(qiáng)圈與器壁搭接，材料相同，補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸參照標(biāo)準(zhǔn)確定，或等面積補(bǔ)強(qiáng)。 為方便焊接，外面單面補(bǔ)強(qiáng)。 檢驗(yàn)緊密性，M10螺孔通入壓縮空氣。精品資料補(bǔ)強(qiáng)圈搭焊結(jié)構(gòu)(jiégòu)的使用范圍：GB150用補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)時，規(guī)定： ①鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值sb≤540MPa；

②補(bǔ)強(qiáng)圈厚度(hòudù)小于或等于1.5dn；

③殼體名義厚度(hòudù)dn≤38mm。精品資料㈡允許(yǔnxǔ)開孔的范圍 筒體及封頭開孔最大直徑不允許(yǔnxǔ)超過： （1）圓筒Di≤1500mm，開孔最大直徑d≤1/2Di，且d≤520mm；圓筒Di＞1500mm時，開孔最大直徑d≤1/3Di，且d≤1000mm；

（2）凸形封頭或球殼的開孔最大直徑d＜1/2Di。

（3）錐殼開孔最大直徑d≤1/3Di，Di為開孔中心處的錐殼內(nèi)直徑。精品資料㈢不需補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑(zhíjìng) 計(jì)算壁厚考慮了焊縫系數(shù)，鋼板規(guī)格，殼體壁厚超過實(shí)際強(qiáng)度，最大應(yīng)力(yìnglì)值降低，相當(dāng)于容器已被整體加強(qiáng)。 且容器開孔總有接管相連，其接管多于實(shí)際需要的壁厚也起補(bǔ)強(qiáng)作用。 容器材料有一定塑性儲備，允許承受不是十分過大的局部應(yīng)力(yìnglì)，所以當(dāng)孔徑不超過一定數(shù)值時，可不進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。精品資料殼體開孔滿足(mǎnzú)全部條件，可不另行補(bǔ)強(qiáng)：(1)設(shè)計(jì)壓力小于或等于2.5MPa；(2)兩相鄰開孔中心的間距(對曲面間距以弧長計(jì)算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍；(3)殼體名義壁厚大于12mm，接管公稱(gōngchēng)外徑小于或等于80mm；殼體名義壁厚小于或等于12mm，接管公稱(gōngchēng)外徑小于或等于50mm(4)接管最小壁厚滿足表11-9的要求。接管公稱外徑253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0＞540MPa，全焊透，接管腐蝕裕量1mm。

精品資料二、容器的接口(jiēkǒu)管與凸緣用于裝置測量、控制儀表(yíbiǎo)，或連接其他設(shè)備和介質(zhì)的輸送管道。㈠接口管焊接設(shè)備的接口管長度精品資料 鑄造(zhùzào)設(shè)備接管可與筒體一并鑄出。 螺紋管主要用來接溫度計(jì)、壓力表或液面計(jì)等，陰螺紋或陽螺紋。精品資料㈡凸緣(tūyuán) 接管長度必須很短時可用凸緣(tūyuán)代替(又叫突出接口)凸緣本身有加強(qiáng)作用，不需另外補(bǔ)強(qiáng)。當(dāng)螺柱折斷在螺栓孔中，取出較困難。凸緣與管道法蘭配用，聯(lián)接尺寸應(yīng)根據(jù)所選用的管法蘭來確定。精品資料三、手孔與人孔 檢查設(shè)備內(nèi)部(nèibù)空間以及安裝和拆卸內(nèi)部(nè