压力容器零部件设计---2法兰设计

合集下载

压力容器零部件设计---法兰设计

适用：低压和无毒介质。
②凹凸型
优点：便于对中，垫圈放在凹面不易挤出，密封面窄比压大。
缺点：加工量大
适用：压力稍高
③榫槽型
优点：密封面窄，不与介质接触，
缺点：拆卸难，垫圈不易清理
适用：压力更高，密封要求严
④梯形槽：
与椭圆型或八角型金属垫圈配用。
特点：槽的锥面与垫圈成线（或窄面）接触密封。
法兰的类型
1）压力容器法兰：连接筒体与封头、筒体与筒体、法兰与管板。
2）管法兰：管道之间连接。
思考：两类法兰作用相同，外形相同，能互换吗？为什么？
思考：两类法兰作用相同，外形相同，能互换吗？为什么？
答：不能。因为：压力容器法兰的公称直径通常是与其连接的筒体的
适用：温度、压力有波动，介质渗透性
密封面的选用原则
首先必须保证密封可靠，然后力求加工容易，装配方便、成本低。
垫圈（垫片）
垫圈是法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫圈的密封性能。
垫圈材料的要求：
耐介质腐蚀、不与操作介质发生化学反应，不污染产品和环境，具有良好的弹性，有一定的机械强度和适当的柔软性，在工作温度和压力下不易变质（硬化、老化、软化）。
法兰设计的重要概念
1、预紧密封比压：
预紧时(无内压），迫使垫片变形与压紧面密合，形成初始密封条件。此时在垫片单位面积上的压紧力。（也称最小压紧应力 MPa）
法兰设计的重要概念
2、工作密封比压：操
作时(有内压），压紧力减小，垫片具有足够的回弹能力，回复的变形能够补偿螺栓和密封面的变形，此时预紧密封比压下降到正常工作的最小值。（MPa）

压力容器设备法兰标准

压力容器设备法兰标准
压力容器设备是工业生产中常见的一种设备，它主要用于储存或加工各种气体、液体或固体物质。

在压力容器设备的设计和制造中，法兰是一个非常重要的部件，它不仅连接着各个部件，还承受着设备内外的压力。

因此，压力容器设备法兰的标准化对于设备的安全运行至关重要。

首先，压力容器设备法兰的标准化可以保证设备的互换性。

在工业生产中，不
同厂家生产的压力容器设备可能会在使用中需要进行更换或维修，如果每个厂家都有自己的法兰标准，那么设备之间的互换性就会受到限制。

而通过制定统一的法兰标准，可以确保不同厂家生产的设备之间的法兰是可以互换的，这样可以提高设备的灵活性和可维护性。

其次，压力容器设备法兰的标准化可以提高设备的安全性。

压力容器设备在工
作过程中承受着各种不同的压力，如果法兰设计不合理或者材质不符合要求，就会存在泄漏或者爆炸的风险。

通过制定严格的法兰标准，可以要求法兰具有足够的强度和密封性能，从而确保设备在工作中不会出现安全隐患。

此外，压力容器设备法兰的标准化还可以降低设备的制造成本。

在生产过程中，如果每个厂家都有自己的法兰标准，那么需要为每种标准制造特定的法兰，这样会增加生产成本。

而通过统一的法兰标准，可以减少生产成本，提高生产效率，从而降低设备的制造成本。

总的来说，压力容器设备法兰的标准化对于设备的安全运行、生产效率和成本
控制都具有重要意义。

因此，压力容器设备制造行业应该加强对法兰标准的研究和制定，不断提高法兰的设计和制造水平，为工业生产提供更加安全可靠的压力容器设备。

压力容器设备法兰的优化设计

２优化设计原则
显的作用，ｃ影响较小，对广Ｔ而对Ｏ则起相反的作用。只－有不断调整才能达到满应力设计的优化状态。
３设计应用
设备法兰仔在ｊ项应
力状态（冈１，设计见）红中，法兰环的厚度和锥颈
发挥，就是说为“ 应力 ” 也满状态。“ 应力” 计是一种优满设化设计，然过程繁琐，虽但设计成却可以获得具有结构紧凑、力合理、量轻、材少的优越性，受重耗呵以达到降低
生产成本的目的，明的经济效益。体现
初步确定：法兰锥颈小端厚度占＝８ｍ，端取３ｒ大ａ厚度取１５２取为６＝２ｍ。算法兰力矩Ｍｏ．６～６，２７ｒａ＝
环厚度（，降低有对
明显作用，对，响较影小，Ｏ影响史小，作对－但用效果并不肯定。而增加锥颈尺寸（，ｈ对降低Ｏ有明６、）－
由此汁算法＿项应力值为：二
＝
ｒｄ＜ｒ］２ＭＰｄ、Ｔ［，『１９ａＲｒ－
（）２
（）３
皿＇＝６ＭＰＡ￣ｆＤｉ１４ａ
解决方案
工艺，工装，旗真，诠断，越潮，维修，改造菹翳
压力容器设备法兰的设计优化
徐慧敏大庆石化工程有限公司，龙江大庆１３１黑６７４

压力容器法兰设计中常见问题的探讨

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
摘
要：压力容器广泛使用在石油化工、炼油、化肥、制药、轻工及原子能等行业中。在压力容器中，法兰
是必不可少的重要联接部件，用得最广泛的受压元件之一。压力容器法兰，于其结构的特殊性，是由我们在法兰设计中往往会遇到一些问题。就压力容器法兰设计中常见的问题作一探讨，给出一些建议并
．
，
ｌｈｎｎｔ，ｕｌａｏｅｒ．ｌｎｅｒｈｎｉｐｎａｌｏｎｃｉｇｐｒｎｐｅｓｒｅｓｌａｄｏｅｏｉｔｄｓｙｎｃｅｒｐｗｒｅｅＦａｇｓａｅｔｅｉｄｓｅｓｂｅｃｎｅｔａｓｉｒｓｕｅｖｓｅ，ｎｎｆｇｉｒｎｔ
和解决的方法，设计参考。供
关键词：力容器法兰设计；压常见问题；讨探
中图分类号：Ｂ７Ｔ４２文献标识码：Ａ
ＤｉｃｓｏｈｍｍｏｏｅｓｉｓｇｆＰｒｓｕｅＶｅｓｌＦｌｎｇｓｕｓｆｔｅＣｏｎＰｒｂｌｍｎＤｅｉｎｏｅｓｒｓｅａｅ
其应力进行校核。我们知道，兰主要是受弯曲载法荷，该载荷是由法兰力矩产生的，由此产生３个应并力：法兰锥颈端部轴向应力ｏ法兰环的径向应力ｒｒｏ和法兰环的环向应力Ｇ１０—１９（Ｂ５９８钢制压（力容器》中规定，３个应力应分别计算，这且应力校

压力容器零部件设计---封头设计

扇形区承受的压力作用组合梁的
形心C。这样，组合截面抗弯断
面模量W应满足：
W
0.08
pc Dc3
n[ ]tr
a）如果采用矩形截面筋板，其高厚比一般为5~8； b）筋板与平盖之间采用双面焊； c）平盖中心加强圆环截面的抗弯模数不小于筋板的抗弯模数。
3）拉撑结构的强度校核：
a）无孔板的支承载荷拉杆与相邻所有支撑中心连线的平分线
所围成的多边形承受的压力载荷；
b）多孔板的支承载荷，一根支撑面积内减去孔的面积上的压
力载荷。 c）拉撑最小截面积：
a
1.1W
[ ]tg
GB/T25198-2010压力容器封头几点变化
摘自 JB/T4746
END
兰的刚度校核要求
- 增加了波齿垫片设计选用参数
封头设计
封头形式
半球形封头
封头凸锥形形封封头头带半无带无折椭折折折边球边边边球（球锥锥形椭形形形（圆封封封碟形头头头）形封）头封头
平板形封头
GB150.3中关于各种封头的设计计算考虑的主要失效模式有 1、结构在内压作用下的塑性强度破坏和局部失稳； 2、结构在外压载荷作用下的失稳以及封头与筒体连接处可能
–-修改了球冠形封头、锥壳与筒体连接的加强设计方法
GB150.3对GB150-1998所作的修改和增加的内容：
2、开孔补强的设计方法 - 增加了针对筒体上法向接管开孔补强设计的
分析方法，开孔率适用范围可达0.9。 - 修改了平盖上开孔接管的补强设计方法 3、法兰设计计算方法 -增加了整体法兰和按整体法兰计算的任意法
α＜30º
30º＜α＜60º
椭圆形封头的最小厚度

浅析法兰的合理设计

浅析法兰的合理设计摘要本文提出法兰设计的原理及过程，然后对每一个过程进行剖析，从垫片的设计、螺栓的设计到法兰的合理设计，是逐步有序地进行的，从问题的提出，到最后对法兰的合理设计提出总结性的看法。

关键词法兰设计法兰尺寸螺栓垫片一、前言法兰的设计、分析方法不下十余种，但就其所依据的理论基础概括地可以分为如下三类：1.基于材料力学的简单方法。

例如巴赫法和苏联的TY8100法。

2.以弹性分析为基础的方法。

例如铁摩辛柯法、华特氏（Waters）法、默瑞—斯屈特法、龟田法。

3.以塑性分析为基础的方法。

例如德国的DIN2505 方法、AD规范方法、英国的BS1500-58法及苏联的PTM42-62法。

我国制定的GB150-2011，其法兰设计采用的就是华特氏(Waters)法。

华特氏法的影响因素较多，且随意性较大，不同的设计结果就其法兰重量来说就可以相差数倍，因此，法兰的合理设计是具有十分重要的意义的。

法兰的设计包括垫片设计、螺栓设计和法兰设计三部分，并且是依次进行的。

其中任何一步的设计失利都会直接影响以后步骤的进行，导致设计中的连续失利，而使得设计结果很不合理，造成整个法兰联接结构尺寸极不紧凑、重量大、耗材多等结果，使得制造成本大大提高，造成不必要的浪费。

法兰的合理设计必须从垫片的设计开始。

二、垫片设计垫片设计是整个法兰联接设计的基础。

垫片材料的选用以及垫片内径和宽度的选用都对法兰联接设计的结果有很大的影响。

1.垫片设计的第一个概念就是垫片的比压。

垫片的比压就是为了形成预密封条件而必须施加在垫片单位面积上的最小压紧力，常用符号y表示。

不同强度的垫片，为了达到预密封的条件所需要的压紧力是不同的，强度愈高、硬度愈大，则其y值也就越高。

不同材料的垫片其y值可参见《钢制压力容器GB150-2011》中表7-2。

垫片的有效压紧面积S=3.14DGb, 而单位面积所需要的最小压紧力为y,所以整个垫片的预压紧力Fa便可得出：Fa=3.14 DGby （式7-1）式中：Fa—预紧状态下所需要的最小垫片压紧力；（N）DG—垫片压紧力作用中心圆直径；（mm）b—垫片有效密封宽度；（mm）y—垫片比压力。

法兰设计计算 s 2012.08.18

2 0
按M0控制状态(操作或预紧)取
199500 0.3
K1h0)
0.6762 合格
J ≤1
以上应力均合格,刚度合格,法兰符合要求。
制作人：
四川成都四川亚联高科
序号数值名称
共4页强度计算书
符号单位公式计编号 : 共页算
第1页
2012.08.18 第数页值
按GB150-2011《压力容器》进行法兰设计计算 1 法兰、螺柱及垫片设计计算：
1.1 设计参数: 设计压力计算压力设计温度法兰材料 P PC t MPa MPa ℃ 按NB/T47008～10-2010锻件或其他 6.40 7.30 200.0 16Mn 150.0 178.0 2.00 按JB/T4700 中表2～表5 35CrMoA 196.0 228.0
法兰计算内直径系数法兰轴向力法兰径向力法兰环向力
Di1 f
δH δR δT
当Di≥20δ 1时, 按G28 f＜1时, 取f=1，＞1时，按G76 MPa fM0/(λδ12Di)
2 MPa (1.33δfe+1) M0/(λδf Di)
520.0 1.12370 198.94 72.71 90.50 225.00 135.82 144.72
0 0 0
1.75900 3.14600 6.05950 6.65880 0.86598 0.32937 1.12370 0.0087 808671 1432625 435753 54.00 34.50 52.25 77361750 21676017 22768092 121805859 2917272 100645877 84813942
Wa Aa F FP WP AP Am Ab

快开压力容器螺栓法兰的设计

核，是所需的法兰厚度上升为８ｍｍ。但０这是由
于在计算法兰力矩时螺栓的应力都是以螺栓材料的许用应力为依据计算的，并没有因为螺栓个数增加而减小螺栓的应力，这就导致法兰力
矩增大和厚度增大３螺栓间距的讨论
但是该公式中只有反映法兰刚度的厚度参数
ｔ法兰的宽度及法兰材料的弹性模量没有得到，反映，这显然是不合理的。事实上，法兰标准ＨＧ２５３中就有很多法兰其螺栓间距不符合０９
该公式下面就这一问题进行探讨
由该软件法兰设计模块的程序框图可知，法兰的计算是从螺栓力开始的，先计算所需要
＊洪涛，男，１６年生，硕士，讲师。武汉市，４０７。架９６３０４
栓的个数较少，因此必须采用非标准的容器法
上存在不足。阀门虽然从标准的要求上看，该各
修，使其始终保持良好状态。如果发现阀门受到较严重腐蚀、严重损坏、操作不灵活或使用年限过长等问题，必须及时更换。关于阀门使用年限，虽然没有明确的规定，
３２阀门的保养和更换．
事故阀门是１９９７年前生产安装的，已使用了较长时间。
检验单位在检验在用压力管道时，应注重
阀门的选型、制造质量、安装位置、使用情况，及时消除事故隐患。３４阀门的使用管理．
使用单位应根据现行标准规范和政府管理

容器零部件--法兰设计

操作工况阶段：工作状态内压轴向力拉伸，降低了压紧应力。垫片有足够回弹，补偿变
形，预紧密封比压值不小于某一值(工作密封比压)，则法兰保持良好密封。反之，回弹不足，则此密封失效。
密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧力。螺栓和法兰须有足够大的强度和刚度，不发生过大的变形。
精选ppt
2)、容器法兰的分类
精选ppt
(3). 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。
精选ppt
精选ppt
2.4.2、法兰标准及选用
石油、化工上用的法兰标准有两类：一是压力容器法兰标准二是管法兰标准
精选ppt
(1) 、压力容器法兰标准
最新标准是原机械工业部、化工部、劳动部、石化总公司合编《压力容器法兰》，标准号为JB4700～4707-92
例如：DN 1000mm的压力容器，应当配用DN
1000mm的压力容器法兰。
精选ppt
＊法兰公称压力：
法兰公称压力与最大操作压力、操作温度以及材料有关。因为：
定义：是以16MnR在200℃时的机械性能为基准来确定
法兰的尺寸，所以在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。
焊法兰适用于压力、温度较高或设备直径较
大的场合。
精选ppt
( 2)、松式法兰
法兰与容器或管道不连接，比整体式连接强度差
精选ppt
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
精选ppt
(3)、任意式法兰
整体性介于整体法兰和松式法兰之间。

3[1].2 法兰的设计

3.2法兰的设计法兰连接是化工容器、管通常用的一种可拆连接型式。

本节从如何满足法兰连接密封的可靠性、足够的强度等出发，简要介绍垫片、螺栓及法兰本体的设计等问题。

3.2.1 基本要求1、正确理解法兰连接的密封原理，了解影响密封的因素。

2、掌握垫片材料类型及垫片的选择，并理解垫片性能参数的物理意义。

3、掌握螺栓载荷的计算及螺栓的设计问题。

4、了解法兰的结构及其特点，并能使用法兰标准正确选用法兰。

5、掌握非标准法兰结构尺寸的确定和强度计算方法。

3.2.2 内容提要1、法兰连接通过紧固螺栓压紧垫片实现密封。

法兰密封的泄漏形式包括渗透泄漏和界面泄漏。

当法兰通过螺栓压紧垫片时，使垫片发生变形，并提供垫片与密封面的压紧力，以形成压力介质通过密封面的阻力，当这种阻力大于密封元件两侧的介质压力差时，介质即被密封住。

垫片性能、螺栓力大小、密封面型式及尺寸精度、法兰刚度及操作条件等均影响密封的可靠性。

2、法兰连接设计中首先面临垫片选择。

垫片是法兰密封中的主要元件，为形成密封，主要要求垫片具有适宜的变形和回弹能力。

垫片按材料分为非金属垫、金属垫和组合垫三种。

由于法兰密封面有平面、凹凸面、榫槽面、梯形槽等，因此与不同密封面相匹配的垫片结构也不完全相同。

设计时主要根据介质的特性、温度、压力，确定垫片的材料、结构型式及尺寸。

预紧密封比压y 和垫片系数m 是表征垫片特征的两个主要参数。

预紧密封比压y 是指预紧时迫使垫片变形与密封面接触以形成初始密封条件，垫片上所必须的单位面积上的最小压紧载荷。

垫片系数m 是指操作时达到密封不漏，垫片上所必须维持的工作密封比压8σ与介质压力p 的比值。

y 、m 的大小与垫片材料、结构等因素有关。

设计时，由y 、m 确定垫片在预紧和操作状态下的压紧力大小。

3、在法兰连接结构中，连接螺栓提供压紧力。

螺栓力既要保证预紧和操作时密封不漏，又要不致把垫片压坏。

计算螺栓预紧和操作状态所需最小载荷和螺栓最小截面积如表3-2所示。

压力容器法兰设计分析

压力容器法兰设计分析6-5-1 法兰设计概述压力容器法兰分为窄面法兰和宽面法兰两大类型。

窄面法兰是指垫片接触面位于法兰螺栓孔包围的圆周范围内的法兰联接。

宽面法兰是指垫片接触面分布于法兰螺栓中心圆内外两侧的法兰联接。

一般仅用于压力很低的场合。

窄面法兰分为内压和外压两种设计情况。

外压法兰可按内压法兰进行设计，只是法兰操作力矩的计算略有不同。

窄面法兰按组成法兰的圆筒、法兰环及锥颈三部分的整体性程度分为三种型式。

1．活套法兰：指法兰未能有效地与容器或接管(即圆筒)连接成一整体的法兰。

计算中认为圆筒不与法兰环共同承受法兰力矩的作用。

法兰力矩完全由法兰环本身来承担。

2．整体法兰：指法兰环、颈部及圆筒三者能有效地连接成一整体结构的法兰，共同承受法兰力矩的作用。

3．任意式法兰：指整体性程度介于上述两者之间的法兰。

其圆筒与法兰环虽未形成一整体结构，但能作为一个结构元件，共同承担法兰力矩的作用。

窄面法兰在计算上仅分两种方法，即活套法兰与整体法兰。

任意法兰一般应按整体法兰设计，在一定条件下可简化为按活套法兰计算。

活套法兰的计算较为简单，法兰厚度可一次算出。

整体法兰的设计须以试算法进行。

法兰联接设计分为三部分：垫片设计、螺栓设计和法兰本体设计。

1．垫片设计：这是整体联接设计的基础，应根据设计条件和使用介质，选定适当的垫片种类、材质、并确定垫片的尺寸(内径、外径)，以此计算出在预紧和操作两种状态下的压紧力。

2．螺栓设计：在选用适当的螺栓材料的基础上，根据垫片所须的压紧力分别计算螺栓面积，并以大者作为计算面积。

实际配置的螺栓面积应不小于该面积。

螺栓设计的关键是须确定一尽可能小的螺栓中心圆直径。

具体作法是通过试选合适的螺栓规格和数量来进行。

3．法兰设计：对整体法兰是须通过试算进行的。

即在假设法兰锥颈和法兰巧厚度的基础上计算祛兰力矩及各项法兰应力。

当应力与相应的许用应力相差较大时，均须调整法兰锥颈或法兰环的尺寸，然后重复计算过程，各项法兰应力小于相应的许用应力，并相接近方为合适。

H092法兰设计

ห้องสมุดไป่ตู้
3.密封面的形式与选择
平面型密封面
压紧面与垫片接触面积较大，预紧时，垫片容易被挤到压紧面两侧，不易压紧，故所需压紧力较大，密封性能较差。一般适用于压力不高．介质无毒、非易燃易爆场合。平面型压紧面一般与平垫片或缠绕式垫片配合使用
凹凸型密封面
便于对中，能防止软质垫片被挤出，而且压紧面比平面型密封面窄，较易密封。适用于公称直径Di≤800mm、公称压力PN≤1.6～6.4MPa的法兰联接。榫槽型密封面易获得良好密封效果。而且，可以少受介质的冲刷和腐蚀，安装时又便于对中而使垫片受力均匀。结构与制造都比较复杂，更换垫片也较费事。凸面部分容易碰坏，拆装时要十分小心。
垫片的选择
要满足机械强度要求，根据操作压力、操作温度及法兰材料，按照《化工设备机械基P288~P291》标准，法兰密封垫片选择非金属软垫片(GB/T 589耐油石棉橡胶板)。
5、螺栓的设计 ①在预紧状态下需要的最小螺栓载荷 Wa DGby Wa —预紧状态下需要的最小螺栓载荷，N；
DG
b
—垫片压紧力作用中心圆直径，mm； —垫片的有效密封宽度，mm；
密封面基y —垫片的比压力，MPa，由表3-12查得本宽度当b0≤6.4mm时，b=b0 ；当b0＞6.4mm时， b 6.4b0 2.53 b0 当b0≤6.4mm时，
DG ＝垫片接触面的平均直径
DG ＝垫片接触面外径－ b 2b 当b0＞6.4mm时，
(3)、管法兰的设计

根据各接管的公称直径，管法兰的选取按照网上资料及《化工设备机械基P289~P292、P451~P461》选(HG 20592-97)标准。选取的管法兰结果如下所示：

压力容器的设计—压力容器零部件

同； • ◎压力容器法兰—
·板卷筒体，与相联接筒体的公称直径相同； ·无缝钢管作筒体，与相联接无缝管的公称直径相同。
50
公称压力
公称压力——是以16Mn在200℃时的最高工作压力为依据制定的，因此当法兰材料和工作温度不同时，最大工作压
力将降低或升高。
法兰公称压力与法兰的最大操作压力和操作温度以及法兰材料三个因素有关。
公称压力 PN 法兰材质
Q235-A
0.6
16MnR
15MnVR
最大允许工作压力 (MPa)
-20~200℃ 300℃ 350℃
0.4
0.33 0.30
0.6
0.51 0.49
0.65
0.63 0.651
3、压力容器法兰的标记
52
压力容器法兰设计步骤：
（1）确定DN; （2）根据法兰材质、工作温度和最高工作压力，确
有一个圈座是滑动支承的。
77
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
难，榫易损坏。
注意：应使固定在设备上的法兰为槽面,可拆下部分的法
兰为榫面。
榫槽型压紧面
29
锥形压紧面
通常用于高压密封，其缺点是需要的尺寸精度和表面粗糙度要求高。须与透镜垫片配合,常用于高压管
道。
锥形压紧面
30
梯形槽压紧面
槽底不起密封作用，是槽的内外锥面与垫片接触成梯形, 形成密封的，与椭圆或八角
凝土制的基础上。
66
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》。