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1、压力容器设计 （三）,内容简介,GB150-1998钢制压力容器第9章、附录G 、附录H 一、法兰 二、焊接结构 三、密封结构,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,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。 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。,凹凸面(malefemale seal face) 凹凸
2、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。,榫槽面(tongue-groove seal face) 榫槽面是由一对相配合的榫面和槽面组成的密封面， 密封垫片较窄，易被压紧，密封性好，适用于压力较高，介质易燃、易爆、有毒的场合。但更换垫片困难，装配时应注意保护好密封榫面。,环面(ring joint) 环面是由一对相配合的环面组成的密封面，这种密封面适配金属环垫片。用于温度、压力较高或有波动，介质渗透性较强的场合。,3、标准管法兰的选用 HG/T2059220635-2009
3、, 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） HG/T20615 20635-2009 Class系列（美洲体系） 注意：两个体系间不能互相配用,(1)板式平焊法兰。板式平焊法兰的适用范围PN2.5到PN40，建议不使用在易燃易爆和高度、极度危害介质等要求严格的场合。 (2)带颈平焊法兰和承插焊法兰。与带颈对焊法兰相比，带颈平焊法兰和承插焊法兰的颈部高度低，生产采用滚轧或模锻的工艺，比带颈对焊法兰简单。法兰上增加了短颈，对提高法兰刚
4、度、改善法兰的承载能力都大有益处。在引进的石油化工装置中普遍使用带颈平焊法兰和承插焊法兰结构型式。另一方面，带颈平焊法兰和承插焊法兰采用填角焊缝结构，现场安装较方便。对施工单位可以省略焊缝拍片探伤的工序，所以，比较受欢迎。,由于带颈平焊法兰和承插焊法兰的结构特点，对其使用亦有限制。可参考GBT 208012006 压力管道规范工业管道的规定。 以下场合不得采用承插焊焊接： 1) 可能产生缝隙腐蚀或严重冲蚀的场合； 2) 要求焊接部位及管道内壁光滑过渡的场合； 3) 剧烈循环工况或 GC1 级管道的场合，且承插焊连接接头的公称直径大于 DN50。, 压力-温度额定值 不同材料的法兰在不同的温度下
5、有不同的最大许用压力。, 紧固件的使用 商品级六角头螺栓及型六角螺母只能用于PN16，非有毒、非可燃以及非剧烈循环场合，配非金属平垫片。 商品级双头螺柱及型六角螺母只能用于PN40，非有毒、非可燃以及非剧烈循环场合。 板式平焊法兰、螺纹法兰、对焊环松套法兰和平焊环松套法兰不应使用于剧烈循环工况。 板式平焊法兰建议不使用在易燃易爆和高度、极度危害介质等要求的场合。, 容器腐蚀裕量取3mm 时,对于内部联接用以及某些情况下的地脚螺栓如用碳钢则很难考虑腐蚀裕度的选取,建议采用不锈钢制螺栓。, 接管法兰密封面朝向配置： 原则上所有接管的凹面应向上。如果将容器顶部或侧面的接管法兰配置成凸面是不合理的，因
6、为这样配置使密封面容易受到损伤。而容器底部的管口应该设置成凸面结构，这样就易于垫片的安装和更换。但是与阀门连接的管法兰密封面应与阀门匹配。, 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。,按照HG20583 之5.2.3 规定，对易爆或毒性为中度危害的介质，管法兰的公称压力不小于1.0MPa；对毒性为高度或极度危害介质或强渗透性介质， 管法兰的公称压力不小于1.6MPa； 对毒性为高度或极度危害介质和类压力容器应尽量采用带颈对焊管法兰。对于真空或密封要求极为严格的连接，可以采用法兰焊唇的焊死结构。, 压力容器接管法兰选用石棉橡胶垫时应注意的问题,当介质为水，蒸汽
7、，空气，煤气，氨，碱液，惰性气体等，而工作条件为压力波动小，不经常拆卸的场合，我们经常选用石棉橡胶垫片。 石棉橡胶垫片不能用于按照真空设计的设备中，因为石棉橡胶垫片存在微小的孔隙，这样就不能保证真空度,在这种情况下应该使用橡胶圈或者缠绕垫片。缠绕垫片分为4 种基本形式：即基本型(A 型) ，带内环型(B 型) ，带外环型(C 型)和带内外环型(D 型) 。A 型适用于槽密封面，D 型适用于突面，B 型适用于凹凸面。,介质为环氧乙烷的不能用含石棉的垫片。 强渗透性介质如液氨等，不能使用泄漏率 较高的非金属垫片。,TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程中关于管法兰的规定,3.1
8、7 压力容器用管法兰 (1)钢制压力容器管法兰、垫片、紧固件的设计应当参照行业标准HG/T20592HG/T20635-2009钢制管法兰、垫片、紧固件系列标准的规定； (2)盛装液化石油气、毒性程度为极度和高度危害介质以及强渗透性中度危害介质的压力容器，其管法兰应当按照行业标准HG/T20592HG/T20635系列标准的规定，至少应用高颈对焊法兰、带加强环的金属缠绕垫片和专用级高强度螺栓组合。,4、标准容器法兰的选用 JB/T47004707-2000, 选用原则：优先选用标准法兰。 选用JB/T47004707标准法兰时，可免除计算。 JB/T4703筒体最小厚度问题：当需要与小于该厚度
9、(0)的较薄圆筒对接时，需增加法兰高度。按表3, JB/T4700第6.6.1.2条对长颈法兰当工作压力大于或等于0.8倍本标准中规定的最大许用工作压力时，法兰与圆筒的对接焊缝必须进行100%的射线或超声检测。该要求应在图样中标明。 腐蚀裕度:JB/T4702为2，JB/T4703为3。 凹凸面设备法兰密封面朝向配置的问题 立式容器的槽面或凹面应向上，卧式容器的槽面或凹面应位于筒体上。, 法兰热处理,在下列任一情况下进行正火或完全退火热处理: a、法兰断面厚度大于76mm 的碳素钢或低合金钢制法兰； b、焊制整体法兰； c、 锻制法兰。, 选用标准法兰的步骤,a、按照公称直径DN和设计压力P确
10、定法兰类型。 b 、按照PP的原则确定法兰的公称压力PN。 c、按照公称直径DN和公称压力PN，查出法兰的各部分尺寸，并标记出标准代号。,5、非标法兰设计（ GB150-1998第9章）, 螺栓法兰连接设计的内容 a. 确定垫片材料、型式及尺寸; b. 确定螺栓材料规格及数量; c. 确定法兰材料，密封面型式及结构尺寸; d. 进行应力校核(计算中C2-腐蚀余量不包括),法兰的类型 法兰可分为 松式法兰 整体法兰 任意式法兰, 密封机理, 泄漏形式, 螺栓法兰连接的密封条件,界面泄漏是螺栓法兰密封的主要失效形式。 防止界面泄漏需要满足两个密封条件： 予紧时，满足初始密封条件。 操作时，满足工作
11、密封条件。,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,平面形、O形、波形、齿形、八角形、 椭圆形等, 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。 金属垫片 常用材料：铜、铝、低碳钢、不锈钢、合金等。 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。,垫片形状,垫片类型,垫片,非金属垫片：如橡胶垫，石棉橡胶垫，聚四氟乙烯垫等，断面形状一般为平面形或O形,非金属垫片,金属垫片,金属垫片,金属非金属组合垫片,金属非金属组合垫片,金属垫片,垫片断面形式, 要有全面的观
12、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。 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。 依据标准和规范，重视实践经验。,垫片选择原则,1、预紧工况 Fa=DGby DG-垫片计算直径 b-垫片有效密封宽度 螺栓载荷Wa=Fa,2、操作工况 FP=2DGbmPC 螺栓载荷WP=F+FP = +2DGbmPC,螺栓载荷,螺栓设计,预紧工况： 操作工况： 取Am=maxAa，AP,螺栓直径,螺栓间距的限制,应力分析模型,法兰强度校核条件：,法兰连接的合理设计,法兰连接合理设计的三个关键： (1) 在垫片
13、设计时，应控制尽可能小的垫片载荷。 (2) 在螺栓配置设计中，应控制尽可能小的螺栓中心圆直径，从而构成尽可能小的法兰力矩，遵循“最小载荷准则” 。 (3) 在以上基础上，将法兰的锥颈和法兰环比例设计得当，使法兰各部分允分地发挥强度性能并保证足够的刚度，即趋于满应力状态，遵循“满应力准则”。,二、焊接结构,1、GB150-1998钢制压力容器附录J 2、HG20583-1998钢制化工容器结构设计规定 第11章焊接结构,焊接接头形式,坡口形式,GB 1501998 附录J (提示的附录),焊接结构 J1 附录中给出的接头和坡白的型式及尺寸均基于等强度原则确定。 焊缝坡口的基本形式及尺寸均需符合G
14、B/T 985.1及GB/T 985.2的规定。,J3.1 插入式接管,在下列使用条件下，接管内径边角处应倒圆，圆角半径一般取nt/4或19 mm两者中的较小值： a)承受疲劳载荷的压力容器； b)低温压力耷器； c)钢材的标准抗拉强度下限值b540 MPa的容器。,J9 夹套结构,HG20583-1998 手工焊（对接接头）,HG20583-1998 手工焊（对接厚板接头）,HG20583-1998 自动焊（对接接头）,HG20583-1998 角接焊接接头,HG20583-1998 带补强圈的角接焊接接头,HG20583-1998 非径向接管角接接头,HG20583-1998 斜接管角接接
15、头,HG20583-1998 管子或筒体与平盖的角接接头,HG20583-1998 锥体与筒体的连接接头,HG20583-1998 封头与裙座的焊接接头,坡口设计原则,1、尽量减少填充金属量。,2、保证焊透，避免产生各种焊接缺陷。,3、便于施焊，改善劳动条件。,4、减少焊接变形和残余变形量。,焊接结构设计原则,接管与壳体间的焊接接头,工艺接管与容器壳体及开孔补强圈连接的接头处拘束度大，存在较大的应力集中。加之焊缝金属通常比母材塑性低，焊缝根部及焊接热影响在疲劳载荷(如循环压力和温度、振动等)作用下易成为裂纹的起源。,从焊接施工操作讲，这类焊缝是容器上所有焊缝最难控制、也是最易产生问题的地方，这
16、是因为目前壳体上的马鞍形开孔仍大量采用气割、气刨等手工开孔方法，不易保证坡口角度及钝边尺寸；坡口表面的氧化皮较难去除，施焊接管的操作位置又往往不利于焊工控制成型等等；所以极易产生裂纹、未焊透、夹渣、未熔合等缺陷，而目前图纸上对接管与容器连接焊缝的无损检测问题又往往无明确规定，这样便削弱了焊工的责任感，致使此类焊缝质量不易保证。,从设计角度讲，一些设计人员往往只注意焊条、焊丝强度，而忽视了韧性。加之焊接冶金过程的影响，致使大量焊缝金属出现高强度、低塑性现象，焊缝及热影响区易产生开裂。另外，设计者对如何设计出保证焊接质量的接头缺乏了解，也是导致接头质量不佳的重要原因。,坡口及间隙对焊缝质量有直接影
17、响，因此应注意提高坡口尺寸的精确度。此外，坡口的清洁度十分重要，应将坡口表面的的油污、脏物、碳弧气刨产生的氧化皮、渗碳层及淬硬层清除。,疲劳断裂失效约占金属失效结构的40，ASME认为：接管的设计应考虑最大限度地降低应力集中。最安全的容器是在容器上所有部分都具有最低的总应力(一次应力及应力集中等)，而不是在一次膜应力上取最大的安全系数，而不管局部应力集中。所以，有效的降低应力集中，是设计容器与接管焊接接头时应给予足够重视的问题。,三、密封结构,GB150-1998钢制压力容器附录G,特点： 强制式密封 采用窄面金属垫片 主螺栓直径大 适用范围：t 200C Di 1000mm,平垫密封,双锥密封,1、全自紧式密封，压力和温度的波动不会影响密封可靠性。 2、取消了主螺栓，使筒体端部尺寸减小。 零件多、结构复杂。,优点,缺点,伍德密封,其它密封结构,