压力容器设计审核人员培训

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
1、尽量采用对接接头 2、尽量采用全焊透结构 3、尽量减小焊缝处的应力集中 4、便于进行无损检验
压力容器设计审核人员培训
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
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
垫片选择原则
① 要有全面的观念，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。
⑹ 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。
⑺ 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。
⑻ 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。
⑴ 选用原则：优先选用标准法兰。
⑵ 选用JB/T4700～4707标准法兰时，可免除计算。 ⑶ JB/T4703筒体最小厚度问题：当需要与小于该厚 度(δ0)的较薄圆筒对接时，需增加法兰高度。按表3
⑷ 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。 ⑸ 腐蚀裕度:JB/T4702为2㎜，JB/T4703为3㎜。 ⑹ 凹凸面设备法兰密封面朝向配置的问题
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
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。
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
3.17 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/T20592～HG/T20635-2009《钢制 管法兰、垫片、紧固件》系列标准的规定；
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。
⑺ 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。
⑻ 选用标准法兰的步骤
a、按照公称直径DN和设计压力P确定法兰类型。 b 、按照P≤［P］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
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GB／T 20801—2006 《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。
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
影响密封的因素
螺栓预紧力 垫片性能
压紧面形式 和加工质 量
操作条件 法兰刚度
垫片形状
垫片
平面形、O形、波形、齿形、八角形、 椭圆形等
垫片类型
① 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。 ② 金属垫片 常用材料：铜、铝、低碳钢、不锈钢、合金等。 ③ 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。
螺栓材料
螺栓是法兰密封连接中的重要元件，对其基本要 求是强度要高、韧性要好。
① 螺母更换比螺栓容易，且螺母价廉，所以要 求螺栓材料的强度比螺母高。
② 为避免螺栓和螺母咬死或胶合，要求螺栓材 料的硬度比螺母高HB30以上。
③ 对于t≤-20℃的螺栓，要求选用低合金钢，并 进行夏比V形缺口低温冲击试验。
⑷．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/T20592～20635-2009
⑴ 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）
(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/T20592～HG/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/T4700～4707-2000
螺栓直径
预紧工况：
Aa
Wa [ ]b
操作工况：
AP
WP
[
]
t b
取Am=max＜Aa，AP＞
ຫໍສະໝຸດ Baidu
d0
4 Am
n
螺栓间距的限制
L (3.5 ~ 4)dB
螺栓最大间距：Lm a x
2d B
6 f
(m 0.5)
dB 螺栓公称直径
f 法兰有效厚度
螺栓最小间距按GB150 199（8 表9 - 3）
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。
⑶．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。
整体法兰
任意式法兰
松式法兰
整体法兰
图2-51法兰的种类
任意式法兰
⑵ 密封机理
⑶ 泄漏形式
⑷ 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
⑶ 压力-温度额定值 不同材料的法兰在不同的温度下有不同的最大许用压力。
⑷ 紧固件的使用
商品级六角头螺栓及Ⅰ型六角螺母只能用于 PN≤16，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Ⅰ型六角螺母只能用于 PN≤40，非有毒、非可燃以及非剧烈循环场合。
⑸ 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。
⑵ 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。
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 150—1998 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 GB/T 985.1及GB/T 985.2的规定。
法兰密封面型式常用有突平面、凹凸面、榫槽面和环 面四种。 ⑴．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。
⑵．凹凸面(male．female seal face) 凹凸面是由一对相配合的凹面和凸面组成的密封面，
部分尺寸，并标记出标准代号。
5、非标法兰设计（ GB150-1998第9章）
⑴ 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
② 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。
③ 依据标准和规范，重视实践经验。
螺栓设计
螺栓载荷
1、预紧工况
Fa=πDGby 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=2πDGbmPC 螺栓载荷WP==F4+FDPG2 PC +2πDGbmPC
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δnt/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σb>540 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）
应力分析模型
法兰强度校核条件： H min12..55[[]]ttfn
R []tf
T []tf
H
R
2
[]tf
H
T
2
[]tf
H 轴向应力 R 径向应力 T 环向应力 []tf 设计温度下法兰的许应用力
[]tn 设计温度下圆筒材料许的用应力
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”。
⑽ 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，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。
⑼ 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Ⅲ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。