压力容器上的标准件与附件- 青岛科技大学机电工程学院

第14章压力容器上的标准件与附件
本章应掌握内容：
1、掌握法兰连接的密封原理。

2、熟悉法兰的种类与相关标准，密封面的形式及适用场合
3、了解垫片、螺栓的类型及表示方法
4、掌握人孔、手孔、视镜和液面计的作用及选取标准。

5、掌握支座的使用场合及如何选取。

第一节法兰连接（flange）
在各种容器和管道中，由于生产工艺的要求，或考虑制造、运输、安装、检修的方便，常采用可拆的结构。

常见的可拆结构有法兰连接、螺纹连接和插套连接。

由于法兰连接有较好的强度和紧密性，而且使用尺寸范围较广，在设备和管道上都能应用，所以法兰连接用的最普遍。

法兰连接的缺点是不能很快地装配与拆开，而且制造成本较高。

1、压力容器的法兰连接
（1）法兰连接的密封原理
法兰连接是由一对法兰、数个螺栓和一个垫片（圈）所组成（图10—1）。

法兰在螺栓预紧力的作用下，把处于法兰压紧面之间的垫圈压紧，当垫圈单位面积上所受到的压紧力达到某一值时，借助于垫圈的变形，把法兰密封表面上的凹凸不平处填满[图10—2（b）],这样就为阻止介质泄漏形成了初始密封条件。

这时在垫圈单位面积上的压紧力称为垫圈的预紧密封比压。

当设备或管道升压以后[图10—2（c）]，螺栓受到进一步的拉伸，法兰密封面沿着彼此分离的方向移动，密封面与垫圈之间的压紧力因而有所下降，下降的数值取决于螺栓法兰的刚性以及垫圈的回弹能力。

当这一比压下降到某一临界值以下时，介质将发生泄漏。

通常将这一临界比压值称为工作密封比压，它的含义是，一个已经形成了密封条件的法兰连接（即垫圈已被压缩到预紧密封比压），在通入压力介质后，为不使介质泄漏，在密封面与垫圈之间所必须保留下来的最低比压。

要保证法兰密封，就必须使法兰密封面上实际存在的比压，预紧时不低于垫圈的预紧密封比压，工作时应高于工作密封比压。

图1 法兰连接图2 强制密封中的垫圈变形
（2）法兰密封面的型式
法兰的密封面型式直接决定着法兰的密封性能，密封面的形式的型式主要有以下几种。

①平面型密封面：密封面是一个突出的光滑平面，如图3（a）与（b），其中（b）型式带有三角形断面的沟槽。

适用于公称压力P≤2.5Mpa，广泛应用于P≤0.6Mpa。

压紧面的宽度：压力容器法兰：20～60mm，管法兰：10～20mm。

②凹凸形密封面由一个凸面和一个凹面组成，如图（c）所示。

在凹型面内放置垫片，其优点是便于对中，能够防止软质垫片的挤出，而且比平行面窄，容易压紧，PN≤6.4 Mpa。

③榫槽密封面：如图（d）所示，榫槽法兰由一个榫面和一个槽面组成，垫片放在槽内，由于压紧面积小，垫片又受到槽的阻挡，不会从周边挤出，容易获得较好的密封效果。

④锥形密封面：如图（e）所示，属于线接触的弹性密封。

当拧紧螺栓时，金属透镜垫与圆锥面接触形成一条很窄的弹性线；因此，施加不大的螺栓力就会产生很好的密封效果。

通常用于高压管件密封，PN=100Mpa或更高。

⑤梯形密封面：如图（f）所示，利用槽的内外锥面与垫片接触而形成密封，槽底不起密封作用。

压紧面与槽中心成成30°角。

若采用椭圆形或八角形截面的金属垫配用时，亦为线接触弹性密封，有一定径向自紧作用。

适用于高压容器及高压管等的密封，P=7～70Mpa。

图3 法兰密封面形式示意图
（3）法兰连接受力分析
◆预紧时法兰的受力如（a）所示。

◆工作时法兰的受力如（b）所示。

图4 法兰受力示意图
◆法兰在外力偶矩作用下的变形如下图所示。

图5 法兰的变形与内力
M的作用下发生的[图10—4（d），剪再看法兰盘，它的变形是在外力偶m和内力矩0
力Q影响忽略]。

这种变形实际就是中心开孔的圆形平板在环向均布力偶作用下所发生的弯
曲变形，它和第七章中所讨论的平板弯曲类似，在法兰盘内产生的也是两个方向的弯曲应力，即环向弯曲应力和径向弯曲应力r σ。

它们在法兰的强度计算中也是需要控制的。

通过分析得出如下的几点结论：
（1）密封垫片是整个法兰连接（包括法兰、垫片、螺柱、螺母）的基础。

垫片的材质、结构和尺寸是影响螺栓力和法兰力矩大小的主要因素之一。

它决定了所需配置螺柱及螺母的要求，也影响到法兰形式及其所需的强度尺寸。

所以法兰标准中各个零件的结构尺寸和材质确定都不是孤立的。

在使用法兰标准时应注意一点。

（2）增加与法兰盘连接处器壁（或管壁）的壁厚，不但会减小法兰加给器壁的弯曲应力，而且增厚的器壁会反过来增大法兰盘的刚度、减小法兰盘中的弯曲应力。

正是个缘故，所以法兰的形式，除了有直接与器壁焊接的甲型平焊法兰外，还有带有加厚短节的乙型平焊法兰和带有高颈的对焊法兰（见表10—1的简图）。

这后两种形式的法兰，由于法兰的整体刚度增加，故可用于更高的工作压力。

（3）对法兰强度起主要作用的三个应力都是弯曲应力，而弯曲应力的大小又与受弯构件的厚度平方成反比，所以决定法兰强度大小的关键尺寸是法兰盘的厚度。

对于带颈的法兰，增加颈的厚度对提高法兰强度会有比增加法兰盘厚度更好的效果。

（4）在螺栓力T 一定的条件下，法兰螺孔中心圆与密封垫片中径之间的距离越小，法兰所承受的外力偶矩越小。

在所需螺栓总截面一定，并留有上紧螺母所必需间距的前提下，在确定螺栓直径与数目时，应以螺孔中心圆直径尽可能小为原则。

所以盲目增大法兰外径是没有意义的。

（4）压力容器法兰标准
作为工业生产中广泛使用的连接方法。

当前，国内外均已将法兰标准化。

我国实施的法兰标准：
JB4701－2000 甲型平焊法兰；
JB4702－2000 乙型平焊法兰；
JB4703－2000 长颈对焊法兰；
JB/T84－94 凹凸面对焊环板式松套钢制法兰；
JB/T85－94 翻边板式松套钢制法兰。

法兰标准中所含内容：⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧技术条件）
（垫片型式与材质）（法兰尺寸）（密封面型式）
（结构类型）（公称压力）
（公称直径）（ 7 6 5 4 3PN 2DN 1 ①公称直径DN
管道法兰：其公称直径与相配的管子直径相一致。

管子的公称直径不是管子的内径
或外径，是与管子内径相近的一个圆整数值。

例如：DN100，具体尺寸为：φ108×3.5，φ108×4，φ108×4.5，（摘：GB8163－87，热轧钢管）
.化工容器及设备法兰：其公称直径为设备内径。

DN 300～4000mm ，小直径设备常用无缝钢管制造。

② 公称压力 法兰标准中所列的能够承受的公称压力PN ，是以法兰材质为16MnR 时计算
而得，操作温度为：200℃。

GB150－98钢制压力容器规定中明确规定：选用的优于16MnR 的钢材，不允许用于比规定压力的再高压力。

例如：选用PN5.0MPa，DN100，榫槽面对焊管法兰。

当选材为：15MnR [σ]t=200 ℃＝180MPa
16MnR [σ]t=200 ℃＝173MPa
不允许提高压力。

例如：P=5.1MPa等。

使用低于16MnR的材料。

例如Q235－A，允许的最高工作压力则必须低于公称压力。

为此法兰标准专门编制法兰的最大许用压力和公称压力之间关系的表格，使用时可以查阅。

③法兰类型
◆甲型平焊法兰
甲型平焊法兰就是一个截面基本为矩形的圆环，这个圆环通常称为法兰盘，它直接与容器的筒体或封头焊接。

根据前述的法兰受力分析可知，这种法兰在上紧和工作时均会作用给容器器壁一定的附加弯矩。

法兰盘自身的刚度也较小，所以适用于压力等级较低和筒体直径较小的范围内。

◆乙型平焊法兰
乙型平焊法兰与甲型相比是除法兰盘外增加了一个厚度常常是大于筒体壁厚的短节。

有了这个短节，既可增加整个法兰的刚度，又可使容器器壁避免承受附加弯矩。

因此这种法兰是适用于较大直径和较高压力的条件下。

从表10—1不难发现乙型平焊法兰所覆盖的公称直径与公称压力的范围正好与甲型平焊法兰相衔接。

◆长颈对焊法兰
长颈对焊法兰是用根部增厚的颈取代了乙型平焊法兰中的短节，从而更有效地增大了法兰的整体刚度，由于去掉了乙型法兰中法兰盘与短节的焊缝，所以也消除了可能发生的焊接变形及可能存在的焊接残余应力。

而这种法兰可以轧制成专门供弯制法兰用的型钢，从而有利于降低法兰的成本。

从表10—1可见，长颈对焊法兰所覆盖的DN、PN范围最广。

④法兰的尺寸
⏹连接尺寸：法兰外径D、螺栓中心圆直径D1、螺栓孔直径d、螺栓孔数n
⏹压紧面尺寸：压紧面宽度、榫槽宽度等，由密封设计给定
图6 法兰尺寸示意图
在利用法兰尺寸系列表确定法兰的尺寸时，只需要知道法兰的公称直径和公称压力，二者一旦确定，则尺寸就是唯一的，而和实际的温度以及材料是没有关系的。

（1）根据容器的公称直径（即其内径）DN和设计压力p，参照表10-1初步确定法
兰的结构类型；
（2）根据容器的设计压力p ，设计温度t 及准备采用的法兰材料，按表10—9或表10—10确定所选法兰的公称压力PN ；
（3）根据所确定的法兰的PN 和DN 返回查看表10—1，以便检验原来根据设计压力p 所初步确定的法兰类型是否包含有已确定的PN 与DN 。

一般来说，只要容器的设计压力p 与确定的法兰公称压力PN 相差不大年，不会出现需变更法兰类型或变更法兰材料的问题。

（4）根据所确定的PN 和DN ，从表10—2至表 10—8中选出相应的尺寸表，即可确定选法兰尺寸。

例题10—1 为一台精馏塔塔节选配法兰。

该塔内径1n 1000mm,4mm,D δ==操作温度280C o
，设计压力0.2MPa p =，法兰材料可用20R ，也可用16MnR ，试分别确定使用这两种材料时，法兰的类型和尺寸。

解：（a ）确定法兰类型 根据1000mm,0.2MPa DN p ==（估计PN 不会超过0.6MPa ），按表10—1可知应选甲型平焊法兰。

（b ）确定法兰的公称压力 根据0.2MPa,280o p t C ==，查表10—10法兰材料若用20R ，当取0.25MPa PN =时，300C o 的[]0.15MPa p =，满足不了0.2MPa p =的需要，所以法兰的PN 应提高一个等级，定0.6MPa PN =。

法兰材料若用16MnR ，定0.25MPa PN =时，300C o
的[]0.21MPa p =，能满足0.2MPa p =的需要，所以法兰材料为16MnR 时，法兰PN 定为0.25MPa ；
（c ）确定法兰结构尺寸 根据确定1000mm,0.6MPa DN PN ==，查表可确定用20R 材料制造时的法兰尺寸。

根据确定的1000mm,0.25MPa DN PN ==，查表可确定用16MnR 制造法兰时法兰的尺寸。

这两个法兰尺寸标注在图7所示的零件图上。

图7 例题1 法兰尺寸示意图
示例1 公称压力1.6MPa ，公称直径800mm 的衬环榫槽密封面乙型平焊法兰的榫面法兰，且考虑腐蚀裕量为3mm （即应增加短节厚度2mm ，1δ改为18mm ）。

标记：法兰JB C-T 800-1.60 47022000,T
-并在图样明细表备注中注明118mm δ=。

2、管法兰连接
同样公称直径的容器法兰和管法兰的尺寸不相同，不能互相代用。

管法兰的型式除平焊、对焊法兰外，还有铸钢法兰、铸铁法兰、活套法兰、螺纹法
兰等。

管法兰标准查选方法、步骤与压力容器法兰同。

管法兰标准除了B9119.7-88外，常用标准还有：化工部标准HG20592～HG20602-97；
中石化标准SH3406-96等。

其中化工部标准中分为欧洲体系、美洲体系等，我国常用的为欧洲体系。

（1）管法兰的类型（结合图8，让学生了解管法兰的类型及其与压力容器法兰的区别）
图8 管法兰尺寸类型
（2）管法兰的密封面型式
图9 管法兰的密封面型式
（3）管法兰的标记方法
示例1：工程直径150mm，工程压力0.6MPa，配用公制管的突面板式平焊法兰，法兰材料为Q235B
-，其标记为
HG 20592 法兰P L150-0.6R F Q
示例2：公称直径100mm，公称压力为2.5MPa，配用公制管的凹面带颈对焊法兰，材料16Mn，钢管壁厚为6mm，其标记为：
HG 20592 法兰WN100-2.5 FM S=6mm 16Mn
第二节检查孔
为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀，以及安装拆卸设备的内部装置，压力容器均应开检查孔。

包括：人孔、手孔和螺纹管塞孔。

1、容器上开设人孔、手孔的规定
（1）最少数量与最小尺寸
i 1000
D≤
1000
（2）不开设检查孔的条件
（1）筒体内径小于等于300mm的压力容器。

（2）压力容器上设有可以拆卸的封头、盖板或其他能够开关的盖子，而且它们的尺寸要小于表11—1之规定。

（3）无腐蚀或轻微腐蚀，无需作内部检查和清理的压力容器。

（4）制冷装置用压力容器。

（5）换热器。

2、人孔的结构与类型
人孔由筒节、法兰、盖板和手柄等组成。

人孔的形状有圆形和椭圆形，椭圆形人孔短轴与筒身轴线平行。

圆形人孔直径400mm～600mm，容器压力不高或有特殊需要时，直径可以大一些。

椭圆形人孔(或称长圆形人孔)的最小尺寸为400mm×300mm。

人孔与手孔结构类似，这里主要讨论人孔结构。

图11—1是一种常用的孔盖可以翻转启闭的人孔结构。

从图可见，一个人孔，除了它的尺寸较小外，实际上就是一台小型的压力容器，它既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片，紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。

从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖所处的位置，将人孔分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔。

（1）回转盖人孔
图10 回转盖人孔
（2）垂直吊盖人孔
（3）水平吊盖人孔
图12 水平吊盖人孔
3、手孔
手孔直径150mm～250mm，标准手孔公称直径有DN150和DN250两种。

手孔结构：容器上接一短管，其上盖一盲板。

第三节容器的支座
1、设置容器支座的作用
（1）支承容器的设备重量；
（2）固定设备于工艺设计位置；
（3）支承操作引起的振动；
（4）承受地震载荷和风载荷。

2、容器支座类型
（1）立式容器支座，（2）卧式容器支座，（3）球形容器支座。

3、卧式容器的支座
卧式容器的支座有鞍座、圈座和支腿，如图13所示。

小型设备采用支腿，而因为自身的重量可能造成严重挠曲的薄壁容器可采用圈座。

采用圈座的情况：
✓对于大直径薄壁容器和真空容器，因其自身重量可能造成严重挠曲；
✓多于两个支承的长容器。

图13 卧式容器的支座类型
在以上的三种类型中，其中鞍座是应用最广泛的卧式容器支座，以下将主要讨论鞍座。

（1）鞍座有焊制和弯制两种
图14 鞍式支座示意图
（2）支座位置的确定原则：当容器放置于鞍座上，鞍座的约束反力将几种作用于容器的局部器壁上，引起复杂而且相当大的局部应力。

◆鞍座中心线至圆筒体端部的距离A小0.2L。

其中，L为圆筒体长度(两封头切线间距离)，A为鞍座中心线至圆筒体端部的距离。

◆当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。

因此，在满足A<0.2L
时，尽量使A<0.5Ri(Ri为筒体内半径)。

（3）卧式容器由于温度和载荷变化等原因使容器产生了轴向移动，如果支座都是固定式的，由于自由伸缩受阻使容器器壁中可能引起过大的附加应力，所以双鞍座式中的一个鞍座为固定支座，另一个为活动支座。

（4）筒体的应力计算与校核
对于卧式容器除了考虑由操作压力引起的薄膜应力外，还要考虑容器质量导致筒体横截面上的纵向弯矩和剪力。

跨中截面和支座截面是容器可能发生失效的危险截面。

为此必须进行强度或稳定性校核。

（5）增大鞍座的包角可以使筒体中的应力降低，但使鞍座变得笨重，过分的减小包角，使容器容易从鞍座上倾倒，所以一般θ=120～150度。

鞍座宽度b的大小，一边决定于设备给与支座的载荷大小，另一边要考虑支座处筒体内周向应力不超过允许值。

4、立式容器的支座
立式设备支座主要有悬挂式支座（耳式支座）、支承式支座和裙式支座三种。

①悬挂式支座如图15所示，主要有底板、筋板和垫板组成，广泛应用于反应釜和立式换热器上，优点是简单、轻便，但易产生较大的局部应力。

悬挂式支座标准分为A型和B型。

图15 耳式支座结构示意图
◆小型设备的耳式支座可以支承在管子或者型钢制作的立柱上；
青岛科技大学机电工程学院装控系化工设备机械基础讲稿第14章
大型设备的支座则需要紧固在钢梁或者混凝土基础上。

②支承式支座用钢板焊制的支承式支脚和支座，或者是钢管做成。

③裙式支座，对于大型的设备，例如塔式设备，均采用裙式支座。

目前还没有裙座标准，各部分尺寸均需通过计算或实践经验确定。

【思考题】
1、温度和压力对法兰的选取有何影响？
2、容器法兰和管道法兰的主要区别是什么？
3、压力容器法兰的型式有哪些？各有什么特点？
4、在什么情况下应设置人孔、手孔？
5、支座有几种类型？
6、法兰垫片密封的原理是什么？影响密封的因素有哪些？
7、法兰密封面型式有哪些？各适用什么场合？
11。