压力容器零部件

1. 整体法兰：法兰与设备或管道不可拆地 固定在一起。
常见的整体法兰型式有两种： （1）平焊法兰 如图4-5(a),(b)所示。 这种法
兰制造容易，应用广泛，但刚性差。
适用的压力范围较低(PN≤4 MPa).
（2）对焊法兰
又叫高颈法兰 或长颈法兰 ，如图4-5(c）所 示。由于长颈的存在提高了法兰刚性，同时 由于颈的根部厚度比器壁厚，所以也降低了 这里的弯曲应力。
第四章 压力容器零部件
常见的可拆卸结构 有 法兰连接， 螺纹连接 承插式连接。
第一节 法兰连接
一、法兰连接结构与 密封原理
法兰连接结构是 一个组合件，一般是 由连接件、被连接件、 密封件组成。
如图所示．法兰密封 由法兰1一被连接件， 垫片2一密封元件， 螺栓、螺母，3--连接 件组成。
在生产实际中，压力容器常见的法兰密 封失效很少是由于连接件或被连接件的强度 破坏所引起的，较多的却是因为密封不好而 泄漏。
采用减小螺栓直径，增加螺栓个数的办法对
密封是有利的。
2. 压紧面（密封面）
压紧面（密封面）直接与垫片接触，它既
传递螺栓力使垫片变形，同时也是垫片的表面
约束。因而，压紧面的形状和表面光洁度应与
垫片相配合。
压紧面的平直度和压紧面与法兰中心轴线
垂直、同心，是保证垫片均匀压紧的前提。
减小压紧面与垫片的接触面积，可以有效
地降低预紧力，但若减得过小，则易压坏垫片。
法兰压紧面的形式
1、平面型压紧面 2、凹凸型压紧面 3、榫槽型压紧面 4、锥形压紧面 5、梯形压紧面
（1）平面型压紧面
这种压紧面的表面是一个光滑的平面， 或在其上车有数条三角形断面的沟槽〔图45(a),(b)]。这种压紧面结构简单.加工方便， 且便于进行防腐衬里．平面压紧面法兰适用 的压力范围是PN<2. 5MPa，在PN>0. 6MPa 的情况下，应用最为广泛，但是、这种压紧 面垫片接触面积较大，预紧时垫片容易往两 边挤，不易压紧，密封性能较差，当介质有 毒或易燃易爆时，不能采用平面压紧面。
该标准的法兰类型和密封面型式见图6-19 和图6-20。法兰类型、密封面型式、密封面 代号及适用的公称压力与公称直径范围见表
6-10,
现以突面板式平焊钢制管法兰（HGJ 45-91)为例说 明管法兰标准的选用方法。
同压力容器法兰一样，首先根据计算压力（即最高
无冲击工作压力）、法兰材质和工作温度查附录十五表
分为一般法兰和衬环法兰两类，一般法兰的 代号为“法兰”，衬环法兰的代号为“法兰 C”,
法兰标准的标记方法是：
标记示例： 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中的榫面法兰。法兰C-S 800-1.6 JB 4702-92
2. 管法兰标准
目前我国化工与石油化工使用的钢管尺寸系列
片，由于它本身存在着大量的毛细管，渗漏是难免
的。当在垫圈材料中添加某些填充剂（如橡胶等），
或与不透性材科组合成型时，这种渗漏即可减小或
避免．后者，压紧面密封失效的主要形式。它与压
紧面的结构有关，但主要由密封组合件各部分的性
能和它们之间的变形关系所决定。
将法兰与垫片接触面处的微观尺寸放大， 可以看到二者的表面都是凹凸不平的，如图 4-2(a）所示。把法兰螺栓的螺母拧紧，螺 栓力通过法兰压紧面作用在垫片上，当垫片
F1
Fp
F1
p
F1
Fp F1
(a)
(b)
(c)
二、法兰的结构与分类
按法兰接触面分为以下两类： （1）窄面法兰：法兰与垫片的整个接触面积都位
于螺栓孔包围的圆周范围内。 （2）宽面法兰：法兰与垫片的整个接触面积位于
法兰螺栓中心圆的内外两侧
按法兰与设备或管道的连接方式可分为： 整体法兰、 活套法兰、 螺纹法兰。
有两套，一套是国际上通用的，也是国内石油化工
引进装置中广泛使用的钢管尺寸系列，俗称“美制
管”；另一套钢管尺寸系列是国内五十年代至今化
工与其他工业部门仍然广泛使用的钢管外径尺寸系
列，俗称“公制管”
由于管法兰与钢管直接连接，所以上述两套钢 管尺寸系列就有相应的两套法兰标准与之相配。这
两套管法兰标准的情况见表4-7,
（2）凹凸型压紧面
这种压紧面是由一个凸面和一个凹面相 配合组成〔图4-5（c）〕，在凹面上放置垫 片，其优点是便于对中，能够防止垫片被挤 出，故可适用于压力较高的场合、在现行标 准中，可用于公称直径DN<800mm，
PN≤6.4MPa，随着直径增大，公称压力降低。
（3）榫槽型压紧面
这种压紧面是由一个榫和一个槽所组成的 〔图4-5(d)],垫片置于槽中，不会被挤流动。垫 片可以较窄,因而压紧垫片所需的螺栓力也就相 应较小。即使用于压力较高之处，螺栓尺寸也 不致过大．因而,它比以上两种压紧面均易获得 良好的密封效果。这种压紧面的缺点是结构与 制造比较复杂，更换挤在槽中的垫片比较困难， 此外，榫面部分容易损坏。这种密封面适于易 燃、易爆、有毒的介质以及较高压力的场合。
（4）锥形压紧
锥形压紧面是和球面金属垫片（亦称透 镜垫片）配合而成，锥角200(图4-6),通常用 于高压管件密封，可用到100 MPa ,甚至更大。 其缺点是需要的尺寸精度和表面光洁度高， 直径大时加工困难。
（5）梯形槽压紧面
梯形槽压紧面是利用槽的内外锥面与垫 片接触而形成密封的，槽底不起密封作用 （图4-7）。这种压紧面一般与槽的中心线 呈230，与椭圆形或八角形截面的金属垫圈 配合。密封可靠，加工比透镜垫片容易，它 适用于高压容器和高压管道，使用压力一般 为7 Mpa-70 Mpa。
型法兰参照上述方法从HGJ44-76-91标准中选取。
标记示例： 公称直径为1600mm，公称压力为0.6 MPa的
突面板式平焊钢制管法兰：
HGJ 45-91法兰1600-0.6
1、螺栓预紧力 2、压紧面（密封面） 3、垫片性能 4、法兰刚度 5、操作条件
1. 螺栓预紧力
螺栓预紧力必须使垫片压紧并实现初
始密封条件，同时，螺栓预紧力也不能过大，
否则将会使垫片被压坏或挤出。
提高螺栓预紧力，可以增加垫片的密
封能力。要达到良好的密封，必须使螺栓预
紧力均匀地作用与垫片。
当密封所需要的螺栓预紧力一定时，
(a)
(b)
(c成密封的重要元件，适当的垫 片变形和回弹能力是形成密封的必要条件。 垫片的变形包括弹性变形和塑性变形，仅有 弹性变形才具有回弹能力。垫片回弹能力是 表示在施加介质压力时，垫片能否适应法兰 面的分离，它可以用来衡量密封性能的好坏。 回弹能力大者，有可能适应操作压力和温度 的波动，密封性能好。
5．操作条件
操作条件即压力、温度和介质的物理、 化学性质。单纯的压力或介质因素对泄漏的 影响并不是主要的，只有和温度联合作用时， 问题才显得严重．
四、法兰标准及选用
石油、化工上用的法兰标准有两个 一:压力容器法兰标准， 二:管法兰标准。
1. 压力容器法兰标准
压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰两类。
34，确定管法兰的公称压力；然后根据公称压力、公称
直径和介质条件按表6-10确定法兰类型和密封面型式；
根据公称压力、工作温度，由附录十五表35确定法兰、
垫片和紧固件（螺栓、螺柱）的匹配；最后根据公称压
力和公称直径由附录十五表36查得法兰各部尺寸及螺栓、
螺柱规格，并将法兰各部尺寸标注在图6-21上。其他类
对焊法兰适宜应用于压力温度较高和设备 直径较大的场合。
2. 活套法兰
活套法兰的特点是法兰和设备或管道
不直接联成一体，而是把法兰盘套在设备或
管道的外面。法兰适宜应用于压力较低的场
合。
3. 螺纹法兰
法兰与管壁通过螺纹进行连接。二者
之间既有连接，又不完全形成一个整体。螺
纹法兰多用于高压管道。
三、影响法兰密封的因素
垫片的变形和回弹能力与垫片的材料和 结构有关．适合制作垫片的材料，一般应耐 介应腐蚀、不污染操作介质；具有良好的变 形性能和回弹能力；要有一定的机械强度和 适当的柔软性；在工作温度下不易变质硬化 或软化。
4. 法兰刚度
在实际生产中，由于法兰刚度不足而产 生过大的翘曲变形（图4-13)，往往是导致密 封失效的原因。刚性大的法兰变形小，并可 使分散分布的螺栓力均匀地传递给垫片，故 可以提高密封性能。
防止流体泄漏的基本原理是在连接口处 增加流体流动的阻力。当压力介质通过密封 口的阻力降大于密封口两侧的介质压力差时， 介质就被密封住了。这种阻力的增加是依靠 密封面上的密封比压来实现的。
一般说来，密封口泄漏有两个途径：一是垫
片泄漏，二是压紧面泄漏。前者由垫片的材质和型
式所决定。对于渗透性材料（如石棉等）制做的垫
（1）平焊法兰
平焊法兰分成甲、乙两种形式．甲型平焊法兰
与乙型平焊法兰相比，区别在于乙型法兰有一个壁
厚不小于16mm的圆筒形短节，因而，使乙型平焊
法兰的刚性比甲型平焊法兰好。同时甲型的焊缝开
V型坡口，乙型的捍缝开U型坡口，从这点来看乙 型也比甲型具有较高的强度和刚度。
（2）对焊法兰
对焊法兰由于具有厚度更大的颈，进一 步增大了法兰盘的刚度，故规定用于更高的 压力PN0.6~6.4MPa和直径DN300~2000mm的 范围。适用的温度范围为0~450℃。
单位面积上所受的压紧力达到某一值时，垫
片本身被压实，压紧面上由机械加工形成的 微隙被填满，如图4-2(b）所示，这就为阻 止介质泄漏形成了初始密封条件。形成初始
密封条件时在垫片单位面积上受到的压紧力， 称为预紧密封比压。
当通入介质压力时，如图4-2(c),螺栓被拉伸， 法兰压紧面沿着彼此分离的方向移动，垫片 的压缩量减少，预紧密封比压下降。如果垫 片具有足够的回弹能力，使压缩变形的回复 能补偿螺栓和压紧面的变形，而使预紧密封 比压值至少降到不小于某一值（这个比压值 称为工作密封比压），若密封比压下降到工 作密封比压以下．甚至密封口重新出现缝隙， 则此密封即失效。