6章教案容器零部件化工机械与设备(共62张)
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—介质的粘度低，渗透性强，容易泄漏；
—介质的腐蚀性能增强； —法兰、螺栓及垫片易发生蠕变，垫片比压下降；
— 非金属垫片易发生老化，丧失塑性。
·温度压力联合作用，并且反复波动，垫片容易发生“疲劳”
失效。
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第25页，共62页。
6.1.4 法兰标准(biāozhǔn)
1.压力容器法兰标准
26
第26页，共62页。
（3）整体补强结构
若须补强的接管较多，可 采取增加壳体壁厚的办法， 也称为(chēnɡ wéi)整体补强。
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第49页，共62页。
3.不另行补强的最大开孔直径(zhíjìng)
同时满足如下要求的，可不另行不强：
（1）壳体设计压力p≤2.5MPa;
（2）两相邻孔中心距不小于两孔直径之和；
（3）接管的外径不大于89mm； （4）接管的最小壁厚满足下表要求：
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第44页，共62页。
6).鞍座(ān zuò)的位置——A的确定： A≤Do/4,且不大于0.2L。最大不大于0.25L。
L——封头赤道圆（切点）间的距离。 A——赤道圆至支座中心线间的距离。 思考：在施工图上，L,A标注在赤道圆上，可否？
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6.2.2 立式容器 支座 (róngqì)
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因素4.法兰的刚度
——法兰在外力作用下抵抗变形(biàn xíng)的能力。 刚度小——受力後变形大，垫片受力不均，易泄漏。
法兰受力：
思考：法兰将如何变形？
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第21页，共62页。
10
第10页，共62页。
6.1.3 影响法兰密封(mìfēng)的因素
因素1.螺栓预紧力—— • 大小合适。 • 垫片受力均匀。螺栓采取小直径多数量
(四的倍数）。 • 对称拧紧的方法。
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第11页，共62页。
因素(yīn sù)2.法兰密封面形式
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第12页，共62页。
3. 因素(yīn sù) 垫片性能
鞍座分为轻型（A）和重型（B）（BⅠ~BⅤ）。
固定式——F型； 活动式——S型。 标准号：JB/T4712-92 .
鞍座标记：
JB/T4712-92 鞍座 [型号][公称直径]-[F或S] 例如：DN2600的轻型鞍座标记为
JB/T4712-92 鞍座A2600-F
JB/T4712-92 鞍座A2600-S
●密封面两侧介质有压差——推动力。
从法兰密封连接过程看其密封原理：
（1）安装过程——拧紧螺栓,垫片被压紧（垫内毛细管被切 断；消除了与法兰密封面之间的空隙）。
垫片单位面积上所受的压紧力，称为垫片密封比压。
当垫片密封比压达到某一值时，便具备了初始密封条件，
此时的比压称为预紧密封比压。
4
第4页，共62页。
注意：●补强板厚度和材质一般与壳体相同； ●补强板外径一般与B值相同。
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第55页，共62页。
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第56页，共62页。
6.4 容器 附件 (róngqì)
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第58页，共62页。
6.水平 吊盖人孔 (shuǐpíng)
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第59页，共62页。
7.回转 盖快开人孔 (huízhuǎn)
6.绘草图。
螺栓M20 ,36个
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第37页，共62页。
6.2 容器 支座 (róngqì)
作用：支撑容器的重量；固定位置。 6.2.1 卧式容器支座 种类：
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第38页，共62页。
1).支座(zhī zuò)反力计算
每一支座的反力：F=mg/2
式中 mg——设备总重。
2).筒体轴向弯矩哪里较大？
M1
R
2 m
Se
膜应力 弯曲应力
“—”上部为负，“+”下部为正。
•在支座处：当A≤Rm/2时，封头有支撑作用，保持筒体 的圆形，保证了局部刚度。
2
pc Rm 2Se
M2
K1
R
2 m
Se
40
第40页，共62页。
4).筒体轴向应力(yìnglì)的验算
判据：拉应力： 拉 t
压应力： 压
t 较小者
接管外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89
最小壁厚
3.5
4.0
5.0
6.0
50
第50页，共62页。
6.3.3.等面积(miàn jī)补强的设计方法
1. 开孔有效补强范围及补强面积的计算 等面积补强——补强的金属量等于或大于开孔所削弱
的金属量。
图上看，应该考虑的截面是强度削弱较大的截面
第6页，共62页。
6.1.2.法兰分类(fēn lèi) 1.整体法兰——法兰与设备或管道不可拆卸。 1）平焊法兰——板式平焊法兰，带颈平焊法兰
7
第7页，共62页。
8
第8页，共62页。
2.松套法兰
平焊环松套板式
(bǎnshì)
翻边松套板式
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第9页，共62页。
3.螺纹法兰
——法兰与设备(shèbèi)或管道之间以螺纹连接。
型；
（5）确定螺栓、螺帽材质； （6）绘制草图。
31
第31页，共62页。
2.管法兰 管法兰标准：
1）HG20592~20635——97 «钢制管法兰、垫片、紧固件»
2）GB9112~9123 «钢制管法兰»
注：«压力容器安全技术监察(jiānchá)规程»推荐 1）。
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第32页，共62页。
HG20592-97 管法兰类型：
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第27页，共62页。
压力容器法兰的选用
(xuǎnyòng)
确定法兰连接尺寸的基本参数： ——公称压力（PN）和公称直径（DN)。 ①.公称直径的确定：
◎管法兰—与相联接管子的公称直径相同； ◎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。
28
第28页，：以16MnR在 200℃时的力学性能为基准确定法兰尺寸
系列。
即基准条件下，法兰的最大允许操作压力为该法兰的公称压
力。
法兰公称压力(yālì)的确定：
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℃ 0.4 0.6 0.65
B
B值得计算：
1）由Rm和Se计算A:
A 0.094 Rm
2）由A，依据材料线求B值；
Se
3）如A在材料线左侧，由下式计算：
B 2 AEt
41
3
第41页，共62页。
42
第42页，共62页。
材质：垫板—与筒体相同(xiānɡ tónɡ)，其它---Q235-A.F 。
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第43页，共62页。
（2）鞍座(ān zuò)标准及其标记
（2）管法兰材质为Q235-A,选用 PN=0.6MPa，问300℃时能否承受0.4MPa的工 作压力？(查得值为0.36,董大勤)
30
第30页，共62页。
压力容器法兰设计(shèjì)步骤：
（1）确定DN;
（2）根据法兰材质、工作温度和最高工作压力，确定PN；
（3）由PN,DN确定法兰形式及连接尺寸、螺栓尺寸及数量。 （4）根据介质工作温度、工作压力确定密封面及垫 片类
• 垫片密封面的塑性变形能力
——实现初始密封； • 垫片材料及结构的回弹能力
——提高工作状态下的残余密封比压。 • 耐腐蚀能力。 • 力学性能，尤其抗高温蠕变能力。
• 工作温度下的变质硬化或软化性。
13
第13页，共62页。
14
第14页，共62页。
垫片 类型： (diàn piàn)
15
第15页，共62页。
——轴（纵）向截面的面积：
51
第51页，共62页。
B=2d d=接管(jiēguǎn)内径+2C (C=C1+C2)
h 1
dSnt
或实际外伸高度的较小值；
h 2
dSnt
或实际内伸高度的较小值；
52
第52页，共62页。
等面积补强，纵截面上的投影面积要满足(mǎnzú)下式：
A1+A2+A3≥A
A1—壳体的贡献（有效壁厚减去计算壁厚部分）；
螺栓M20 ,36个 36
第36页，共62页。
4.确定密封面形式及垫片。
查表6-1，确定采用平形密封面，垫片采用耐油橡胶石棉垫。 垫片尺寸由相应(xiāngyīng)标准确定。表6-3 给出参考宽度值： 20mm。 5.确定螺栓螺帽材质。由相应标准查得。表6-6给出参考 值：螺栓螺母均为Q235-A。
a.板式 平 (bǎnshì) 焊
b.带颈对焊法兰
33
第33页，共62页。
c.带颈平焊
e.平焊环松套板式
(bǎnshì)
d.承插焊 f.翻边松套板式
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第34页，共62页。
g.螺纹(luówén)法 兰
h.法兰盖
方法兰
椭圆形法兰
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第35页，共62页。
例题为一台精流塔配一对连接塔身与封头的法兰。 塔的内径为1000mm,操作温度为280º，设计压力 (yālì)为0.2MPa。塔体材质为Q235-B。介质无腐蚀 性及其他危害。
46
第46页，共62页。
6.3 容器(róngqì)的开孔补强
6.3.1.容器开孔应力集中现象
开孔处出现应力集中，应力集中系数为：
K=σ实际/σ膜
其大小为多少？见平板开孔试验测试：
实测结果：K≈3 即应力集中点的实际应 力大约为膜应力的3倍。
47
第47页，共62页。
6.3.2.开孔补强原则(yuánzé)与补强结构
第54页，共62页。
2.开孔补强设计(shèjì)步骤： （1）确定壳体及接管的计算壁厚S和St ,C、C2以及d ；
（2）确定有效宽度B和高度h1 、h2 ；
（3）计算A1、A2、A3和A ； （4）比较Ae (=A1+A2+A3)与A ，若Ae ≥A,则无需补强，否则，
须补强。 （5）计算有效补强范围内另加补强面积A4≥A-Ae 。
第29页，共62页。
300℃ 0.33 0.51 0.63
350℃ 0.30 0.49 0.6 29
③ 确定(quèdìng)压力容器法兰PN
—JB4700-92(见书P160,161,P331)
（1）.压力容器法兰材质为20R，300 ℃时设 计压力为1.0MPa。其公称压力应该为多少？ (P160)
（2）工作(gōngzuò)条件下——介质压力和温度均升高。
——螺栓被拉伸，法兰变形，法兰密 封面相对有分离趋势。致使垫片比 压下降。
——垫片回弹，补偿或部分补偿了法 兰分离的位移。
此时的残余比压若不小于某一值（称 为工作密封比压），仍可保持良好 密封状态。否则，将发生泄漏。
5
第5页，共62页。
6
第六章 压力容器零部件设计
6.1 法兰连接(liánjiē)
5.1.1.法兰连接结构与密封原理
1.连接结构：
1
第1页，共62页。
法兰连接结构（外观(wàiguān)）
2
第2页，共62页。
法兰连接结构（剖开看）
3
第3页，共62页。
2.法兰密封(mìfēng)原 理
法兰密封面泄漏的原因：
●密封垫表面与法兰密封面之间有空隙,或截面内有毛 细管——泄漏通道。
解：1.确定DN DN=1000mm（板卷筒体）。 2.确定PN 法兰材质也采用Q235-BR,根据操作温
度（ 280°C）及设计压力（0.2MPa)，查温度/压力表 （JB4700-92),得PN=0.6(MPa) (P160)。
3.由DN和PN，查尺寸标准JB4701-92,确定连接尺
寸及螺栓的规格数量(P335)。
◎支座处(2-2截面）
弯矩为负，横截面的上 部受拉，下部受压
◎两支座中间处（1-1 截面）：
弯矩为正——横截面 上部受压，下部受拉。
筒体受压处可能出现何种破坏形式？方向如何？
39
第39页，共62页。
3).筒体的轴向应力(yìnglì)计算
• 在跨距中点：载荷——介质压力，弯矩。
1
pc Rm 2Se
A2—接管的贡献（有效壁厚减去计算壁厚部分）；
A3—焊缝金属截面积;
A—壳体上需要补强的截面积。（表6-20 P179） 53
第53页，共62页。
在补强区范围(fànwéi)内， 设 Ae =A1+A2+A3 如果Ae ≥A ,则无需补强；
如果Ae ＜A ，则需要补强。
补强面积为
A4=A- Ae
54
1.开孔补强原则： ——等面积补强。 即规定局部补强的金属截面积必须等于或大于开孔
减去的壳体截面积。
2.补强结构：
（1）补强圈结构
●材质厚度一般与壳体相同；
●补强圈要与壳体、接管很好地焊接， 以同时受力。 ●补强板上有一个M10小孔，用以检查 焊缝缺陷；名曰泄漏信号孔。
48
第48页，共62页。
（2）加强元件结构
法兰变形 1: (biàn xíng)
22
第22页，共62页。
法兰变形(biàn 2 xíng)
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第23页，共62页。
—增加法兰厚度；
—减小螺栓力与垫片力作用点间距离；
—增大法兰盘外径； —螺栓数量要足够。
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第24页，共62页。
因素(yīn sù)五.操作条件
• 压力高—介质泄漏的推动力大。 • 温度高
—介质的腐蚀性能增强； —法兰、螺栓及垫片易发生蠕变，垫片比压下降；
— 非金属垫片易发生老化，丧失塑性。
·温度压力联合作用，并且反复波动，垫片容易发生“疲劳”
失效。
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第25页，共62页。
6.1.4 法兰标准(biāozhǔn)
1.压力容器法兰标准
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第26页，共62页。
（3）整体补强结构
若须补强的接管较多，可 采取增加壳体壁厚的办法， 也称为(chēnɡ wéi)整体补强。
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第49页，共62页。
3.不另行补强的最大开孔直径(zhíjìng)
同时满足如下要求的，可不另行不强：
（1）壳体设计压力p≤2.5MPa;
（2）两相邻孔中心距不小于两孔直径之和；
（3）接管的外径不大于89mm； （4）接管的最小壁厚满足下表要求：
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第44页，共62页。
6).鞍座(ān zuò)的位置——A的确定： A≤Do/4,且不大于0.2L。最大不大于0.25L。
L——封头赤道圆（切点）间的距离。 A——赤道圆至支座中心线间的距离。 思考：在施工图上，L,A标注在赤道圆上，可否？
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第45页，共62页。
6.2.2 立式容器 支座 (róngqì)
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第16页，共62页。
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第17页，共62页。
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第18页，共62页。
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第19页，共62页。
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第20页，共62页。
因素4.法兰的刚度
——法兰在外力作用下抵抗变形(biàn xíng)的能力。 刚度小——受力後变形大，垫片受力不均，易泄漏。
法兰受力：
思考：法兰将如何变形？
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第21页，共62页。
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第10页，共62页。
6.1.3 影响法兰密封(mìfēng)的因素
因素1.螺栓预紧力—— • 大小合适。 • 垫片受力均匀。螺栓采取小直径多数量
(四的倍数）。 • 对称拧紧的方法。
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第11页，共62页。
因素(yīn sù)2.法兰密封面形式
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第12页，共62页。
3. 因素(yīn sù) 垫片性能
鞍座分为轻型（A）和重型（B）（BⅠ~BⅤ）。
固定式——F型； 活动式——S型。 标准号：JB/T4712-92 .
鞍座标记：
JB/T4712-92 鞍座 [型号][公称直径]-[F或S] 例如：DN2600的轻型鞍座标记为
JB/T4712-92 鞍座A2600-F
JB/T4712-92 鞍座A2600-S
●密封面两侧介质有压差——推动力。
从法兰密封连接过程看其密封原理：
（1）安装过程——拧紧螺栓,垫片被压紧（垫内毛细管被切 断；消除了与法兰密封面之间的空隙）。
垫片单位面积上所受的压紧力，称为垫片密封比压。
当垫片密封比压达到某一值时，便具备了初始密封条件，
此时的比压称为预紧密封比压。
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注意：●补强板厚度和材质一般与壳体相同； ●补强板外径一般与B值相同。
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第55页，共62页。
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6.4 容器 附件 (róngqì)
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第57页，共62页。
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6.水平 吊盖人孔 (shuǐpíng)
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7.回转 盖快开人孔 (huízhuǎn)
6.绘草图。
螺栓M20 ,36个
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6.2 容器 支座 (róngqì)
作用：支撑容器的重量；固定位置。 6.2.1 卧式容器支座 种类：
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第38页，共62页。
1).支座(zhī zuò)反力计算
每一支座的反力：F=mg/2
式中 mg——设备总重。
2).筒体轴向弯矩哪里较大？
M1
R
2 m
Se
膜应力 弯曲应力
“—”上部为负，“+”下部为正。
•在支座处：当A≤Rm/2时，封头有支撑作用，保持筒体 的圆形，保证了局部刚度。
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pc Rm 2Se
M2
K1
R
2 m
Se
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4).筒体轴向应力(yìnglì)的验算
判据：拉应力： 拉 t
压应力： 压
t 较小者
接管外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89
最小壁厚
3.5
4.0
5.0
6.0
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6.3.3.等面积(miàn jī)补强的设计方法
1. 开孔有效补强范围及补强面积的计算 等面积补强——补强的金属量等于或大于开孔所削弱
的金属量。
图上看，应该考虑的截面是强度削弱较大的截面
第6页，共62页。
6.1.2.法兰分类(fēn lèi) 1.整体法兰——法兰与设备或管道不可拆卸。 1）平焊法兰——板式平焊法兰，带颈平焊法兰
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2.松套法兰
平焊环松套板式
(bǎnshì)
翻边松套板式
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3.螺纹法兰
——法兰与设备(shèbèi)或管道之间以螺纹连接。
型；
（5）确定螺栓、螺帽材质； （6）绘制草图。
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2.管法兰 管法兰标准：
1）HG20592~20635——97 «钢制管法兰、垫片、紧固件»
2）GB9112~9123 «钢制管法兰»
注：«压力容器安全技术监察(jiānchá)规程»推荐 1）。
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HG20592-97 管法兰类型：
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压力容器法兰的选用
(xuǎnyòng)
确定法兰连接尺寸的基本参数： ——公称压力（PN）和公称直径（DN)。 ①.公称直径的确定：
◎管法兰—与相联接管子的公称直径相同； ◎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。
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第28页，：以16MnR在 200℃时的力学性能为基准确定法兰尺寸
系列。
即基准条件下，法兰的最大允许操作压力为该法兰的公称压
力。
法兰公称压力(yālì)的确定：
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℃ 0.4 0.6 0.65
B
B值得计算：
1）由Rm和Se计算A:
A 0.094 Rm
2）由A，依据材料线求B值；
Se
3）如A在材料线左侧，由下式计算：
B 2 AEt
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3
第41页，共62页。
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第42页，共62页。
材质：垫板—与筒体相同(xiānɡ tónɡ)，其它---Q235-A.F 。
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第43页，共62页。
（2）鞍座(ān zuò)标准及其标记
（2）管法兰材质为Q235-A,选用 PN=0.6MPa，问300℃时能否承受0.4MPa的工 作压力？(查得值为0.36,董大勤)
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第30页，共62页。
压力容器法兰设计(shèjì)步骤：
（1）确定DN;
（2）根据法兰材质、工作温度和最高工作压力，确定PN；
（3）由PN,DN确定法兰形式及连接尺寸、螺栓尺寸及数量。 （4）根据介质工作温度、工作压力确定密封面及垫 片类
• 垫片密封面的塑性变形能力
——实现初始密封； • 垫片材料及结构的回弹能力
——提高工作状态下的残余密封比压。 • 耐腐蚀能力。 • 力学性能，尤其抗高温蠕变能力。
• 工作温度下的变质硬化或软化性。
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第14页，共62页。
垫片 类型： (diàn piàn)
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第15页，共62页。
——轴（纵）向截面的面积：
51
第51页，共62页。
B=2d d=接管(jiēguǎn)内径+2C (C=C1+C2)
h 1
dSnt
或实际外伸高度的较小值；
h 2
dSnt
或实际内伸高度的较小值；
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第52页，共62页。
等面积补强，纵截面上的投影面积要满足(mǎnzú)下式：
A1+A2+A3≥A
A1—壳体的贡献（有效壁厚减去计算壁厚部分）；
螺栓M20 ,36个 36
第36页，共62页。
4.确定密封面形式及垫片。
查表6-1，确定采用平形密封面，垫片采用耐油橡胶石棉垫。 垫片尺寸由相应(xiāngyīng)标准确定。表6-3 给出参考宽度值： 20mm。 5.确定螺栓螺帽材质。由相应标准查得。表6-6给出参考 值：螺栓螺母均为Q235-A。
a.板式 平 (bǎnshì) 焊
b.带颈对焊法兰
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第33页，共62页。
c.带颈平焊
e.平焊环松套板式
(bǎnshì)
d.承插焊 f.翻边松套板式
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g.螺纹(luówén)法 兰
h.法兰盖
方法兰
椭圆形法兰
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例题为一台精流塔配一对连接塔身与封头的法兰。 塔的内径为1000mm,操作温度为280º，设计压力 (yālì)为0.2MPa。塔体材质为Q235-B。介质无腐蚀 性及其他危害。
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6.3 容器(róngqì)的开孔补强
6.3.1.容器开孔应力集中现象
开孔处出现应力集中，应力集中系数为：
K=σ实际/σ膜
其大小为多少？见平板开孔试验测试：
实测结果：K≈3 即应力集中点的实际应 力大约为膜应力的3倍。
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6.3.2.开孔补强原则(yuánzé)与补强结构
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2.开孔补强设计(shèjì)步骤： （1）确定壳体及接管的计算壁厚S和St ,C、C2以及d ；
（2）确定有效宽度B和高度h1 、h2 ；
（3）计算A1、A2、A3和A ； （4）比较Ae (=A1+A2+A3)与A ，若Ae ≥A,则无需补强，否则，
须补强。 （5）计算有效补强范围内另加补强面积A4≥A-Ae 。
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300℃ 0.33 0.51 0.63
350℃ 0.30 0.49 0.6 29
③ 确定(quèdìng)压力容器法兰PN
—JB4700-92(见书P160,161,P331)
（1）.压力容器法兰材质为20R，300 ℃时设 计压力为1.0MPa。其公称压力应该为多少？ (P160)
（2）工作(gōngzuò)条件下——介质压力和温度均升高。
——螺栓被拉伸，法兰变形，法兰密 封面相对有分离趋势。致使垫片比 压下降。
——垫片回弹，补偿或部分补偿了法 兰分离的位移。
此时的残余比压若不小于某一值（称 为工作密封比压），仍可保持良好 密封状态。否则，将发生泄漏。
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第六章 压力容器零部件设计
6.1 法兰连接(liánjiē)
5.1.1.法兰连接结构与密封原理
1.连接结构：
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法兰连接结构（外观(wàiguān)）
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法兰连接结构（剖开看）
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2.法兰密封(mìfēng)原 理
法兰密封面泄漏的原因：
●密封垫表面与法兰密封面之间有空隙,或截面内有毛 细管——泄漏通道。
解：1.确定DN DN=1000mm（板卷筒体）。 2.确定PN 法兰材质也采用Q235-BR,根据操作温
度（ 280°C）及设计压力（0.2MPa)，查温度/压力表 （JB4700-92),得PN=0.6(MPa) (P160)。
3.由DN和PN，查尺寸标准JB4701-92,确定连接尺
寸及螺栓的规格数量(P335)。
◎支座处(2-2截面）
弯矩为负，横截面的上 部受拉，下部受压
◎两支座中间处（1-1 截面）：
弯矩为正——横截面 上部受压，下部受拉。
筒体受压处可能出现何种破坏形式？方向如何？
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3).筒体的轴向应力(yìnglì)计算
• 在跨距中点：载荷——介质压力，弯矩。
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pc Rm 2Se
A2—接管的贡献（有效壁厚减去计算壁厚部分）；
A3—焊缝金属截面积;
A—壳体上需要补强的截面积。（表6-20 P179） 53
第53页，共62页。
在补强区范围(fànwéi)内， 设 Ae =A1+A2+A3 如果Ae ≥A ,则无需补强；
如果Ae ＜A ，则需要补强。
补强面积为
A4=A- Ae
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1.开孔补强原则： ——等面积补强。 即规定局部补强的金属截面积必须等于或大于开孔
减去的壳体截面积。
2.补强结构：
（1）补强圈结构
●材质厚度一般与壳体相同；
●补强圈要与壳体、接管很好地焊接， 以同时受力。 ●补强板上有一个M10小孔，用以检查 焊缝缺陷；名曰泄漏信号孔。
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（2）加强元件结构
法兰变形 1: (biàn xíng)
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法兰变形(biàn 2 xíng)
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—增加法兰厚度；
—减小螺栓力与垫片力作用点间距离；
—增大法兰盘外径； —螺栓数量要足够。
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因素(yīn sù)五.操作条件
• 压力高—介质泄漏的推动力大。 • 温度高