压力容器设计-法兰与补强

环形内腔可增 环形内腔可增 加垫片弹性和 自紧作用， 自紧作用，补 偿温度波动对 密封的影响。 密封的影响。
特点
1、透镜垫和锥形密封面线接触，密封容易。 、透镜垫和锥形密封面线接触，密封容易。 2、管道可小范围偏转，自位性好。 、管道可小范围偏转，自位性好。 3、松式法兰，管道所受附加力矩小。 、松式法兰，管道所受附加力矩小。
垫片选择原则 要有全面的观念，综合考虑温度、压力、介质、 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， 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。 封的主要因素，也是选择垫片的主要依据。 在保证密封的前提下，尽量选用结构简单、 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。 便宜、便于安装和更换的垫片。 依据标准和规范，重视实践经验。 ③ 依据标准和规范，重视实践经验。 垫片选用表（ 垫片选用表（表4-10） ）
特点： 特点：
●
强制式密封 采用窄面金属垫片 主螺栓直径大
●
●
适用范围： 适用范围：t ≤200C Di ≤1000mm
平垫密封
优点： 优点： 螺纹套筒代替主螺栓， 螺纹套筒代替主螺栓， 承载能力大，装拆方便。 承载能力大，装拆方便。
● ●
预紧螺栓直径小 缺点： 缺点： 螺纹套筒可能锈蚀 而拆卸困难。 而拆卸困难。 （螺纹套筒可用 主螺栓代替） 主螺栓代替） 适用范围： 适用范围： 大直径、 大直径、高压力
压紧面形式
垫片形状
垫片
椭圆形等
平面形、 形 波形、齿形、八角形、 平面形、O形、波形、齿形、八角形、 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、 常用材料 ： 石棉橡胶板 、 橡胶板 、 聚四氟乙烯 、 合成纤维、石墨等。 合成纤维、石墨等。 ② 金属垫片 常用材料： 低碳钢、不锈钢、合金等。 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； 包括：金属包垫片；缠绕式垫片；带骨架的非金属 垫片等。 垫片等。
操作工况： 操作工况： AP ≥ WP t
[σ ]b
取Am=max＜Aa，AP＞ ＜
4 Am d0 = nπ
螺栓间距的限制
) L = (3 .5 ~ 4 ) d B ) 螺栓最大间距： Lmax = 2 d B + d B 螺栓公称直径 6δ f ( m + 0 .5 )
δ f 法兰有效厚度
A = 0.5dδ p
（二）补强金属面积
壳体 接管 焊缝
A1 = ( B d )(δ e δ ) 2δ et (δ e δ )(1 f r ) A2 = 2h1 (δ et δ t ) f r + 2h2 (δ et C2 ) f r
1 2 单条焊缝：A3 = 2 × × h0 2 A4 = A ( A1 + A2 + A3 )
螺栓最小间距（表 4 - 12）
螺栓材料 螺栓是法兰密封连接中的重要元件， 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。 求是强度要高、韧性要好。 螺母更换比螺栓容易，且螺母价廉， 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。 求螺栓材料的强度比螺母高。 为避免螺栓和螺母咬死或胶合， 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。 以上。 料的硬度比螺母高 以上 对于t≤-20℃的螺栓，要求选用低合金钢，并 ③ 对于 ℃的螺栓，要求选用低合金钢， 进行夏比V形缺口低温冲击试验 形缺口低温冲击试验。 进行夏比 形缺口低温冲击试验。
欧洲体系 法兰公称压力等级 美洲体系 * 两个体系间不能互相配用
法兰强度计算方法简介
弹性分析 — 弹性失效设计准则 (*) 塑性分析 — 塑性失效设计准则 Timoshenko 法 弹性分析设计计算方法 Waters 法 (*)
应力分析模型
法兰强度校核条件： 法兰强度校核条件： σ H
法兰类型
容器法兰 按使用场合 管道法兰
松式法兰 按结构形式整体法兰 任意式法兰
容器法兰标准 《压力容器法兰》 JB4700~4707-2000《压力容器法兰》 法兰标准 钢制管法兰标准 HG20592~20635-1997 《钢制管法兰、垫片、紧固件》 钢制管法兰、垫片、紧固件》 GB9112~9125 JB/T 74~90
注意
* 一对相配的法兰必须选用同一标准 法兰公称直径（ ） 法兰公称直径（DN） —与法兰相配的筒体、封头或管子的公称直径。 与法兰相配的筒体、 与法兰相配的筒体 封头或管子的公称直径。 法兰公称压力（ ） 法兰公称压力（PN） —指定材料的法兰在指定温度下的最大工作压力。 指定材料的法兰在指定温度下的最大工作压力。 指定材料的法兰在指定温度下的最大工作压力
1 .5[σ ] tf ≤ min 2.5[σ ] tn
f
σ R ≤ [σ ]
σ T ≤ [σ ]
t f
σ H +σ R
2 σ H + σT t ≤ [σ ] f 2
≤ [σ ]tf
高压密封结构
高压密封的基本要求 1、工作可靠，在正常压力和温度波动范围 、工作可靠， 内均能保证密封。 内均能保证密封。 2、结构简单紧凑，装拆、维修方便。 、结构简单紧凑，装拆、维修方便。 3、密封元件能耐介质腐蚀且价格便宜。 、密封元件能耐介质腐蚀且价格便宜。 高压密封的基本特点 1、金属密封元件 、 2、窄面或线接触密封 、 3、自紧或半自紧密封 、
优点 1、全自紧式密封，压力和温度的波动不会影响密封可靠性。 、全自紧式密封，压力和温度的波动不会影响密封可靠性。 2、取消了主螺栓，使筒体端部尺寸减小。 、取消了主螺栓，使筒体端部尺寸减小。 缺点 零件多、结构复杂。 零件多、结构复杂。
伍德密封
C形环密封 形环密封 O形环密封 形环密封
其它密封结构
螺栓设计
螺栓载荷
1、预紧工况 、 Fa=πDGby DG---垫片计算直径 垫片计算直径 b---垫片有效密封宽度 垫片有效密封宽度 螺栓载荷Wa=Fa 螺栓载荷
2、操作工况 、 FP=2πDGbmPC 螺栓载荷W 螺栓载荷 P=F+FP 2 = π DG PC +2πDGbmPC
4
螺栓直径
Wa 预紧工况： 预紧工况： Aa ≥ [σ ] b
卡扎里密封
双锥密封
双锥密封
g的大小 的大小 锥环刚度 锥环尺寸 预紧力的大小
双锥密封特点 1、结构简单，装拆方便、密封可靠。 、结构简单，装拆方便、密封可靠。 2、半自紧密封，主螺栓直径较小。 、半自紧密封，主螺栓直径较小。 3、压力和温度波动时也能保证良好密封。 、压力和温度波动时也能保证良好密封。 适用范围： 适用范围：P=6.4~35MPa t =0~400C Di =400~2000mm
pc Ri (即M = 1) t 2[σ ] φ 0.5 pc
在此范围以外开孔时， 按碟形封头壁厚式计算 按碟形封头壁厚式计算。 在此范围以外开孔时，δ按碟形封头壁厚式计算。
2、操作工况---工作密封条件 、操作工况 工作密封条件 操作密封比压----操作时 为保证密封， 操作时， 操作密封比压 操作时，为保证密封，垫片单位面积上必须 维持的压紧力，通常取m倍的计算压力 倍的计算压力（ 维持的压紧力，通常取 倍的计算压力（mPC）。
保证密封的条件
预紧时，法兰密封 预紧时， 面上的比压不低于 预紧密封比压y 预紧密封比压
工作时， 工作时，法兰密封面 上的比压不低于操作 密封比压， 密封比压，即m倍的 倍的 介质计算压力
影响密封的因素
螺栓预紧力 垫片性能 操作条件 法兰刚度 压紧面形式 压紧面形 式 和加工质 量
螺栓法兰连接设计
密封性设计 压紧面、垫片、螺栓） （压紧面、垫片、螺栓） 法兰标准简介 法兰强度计算方法简介
δet δt
△ C
di+2C
δe
δ
C1+2C2
δnt
（一）开孔削弱的面积
内压圆筒或球壳
A = dδ + 2δδ et (1 f r )
外压圆筒或球壳
[σ ] tb 其中： f r = [σ ]tn
A = 0.5[dδ + 2δδ et (1 f r )]
平盖（开孔直径d≤0.5Di时） 平盖（开孔直径d≤0.5D
′
2、操作载荷分析
（1）内压对平盖的轴向力 ）
（2）径向扩张力的轴向分力 ）
h h
（3）回弹力的轴向分力 ）
h
五、开孔和开孔补强设计
开孔接管部位的应力集中 ★强度削弱 ★不连续应力 ★局部应力 ★焊接缺陷和残余应力
允许不另行补强的最大开孔直径
开孔最大直径的限制
有效补强范围
B
补强圈厚度T 补强圈厚度
补强圈面积
接管方位
椭圆形封头 当开孔位于以封头中心为中心80%封头内直径 封头内直径 当开孔位于以封头中心为中心 的范围内时: 的范围内时 K1 pc Di δ= 2[σ ]t φ 0.5 pc 在此范围以外开孔时， 按椭圆封头壁厚式计算 按椭圆封头壁厚式计算。 在此范围以外开孔时，δ按椭圆封头壁厚式计算。 蝶形封头 当开孔位于封头球面部分内时: 当开孔位于封头球面部分内时 δ =
四、密封装置设计
螺栓法兰连接结构 及密封设计 高压密封结构
螺栓法兰 连接结构
密封机理
泄漏形式
螺栓法兰连接的密封条件
1、预紧工况---初始密封条件 、预紧工况 初始密封条件 垫片比压力（ ） 在预紧工况下 在预紧工况下， 垫片比压力（y）----在预紧工况下，形成初始密封条件时垫 片单位面积上所受的最小压紧力。 片单位面积上所受的最小压紧力。 要求预紧工况下，垫片单位面积上的压紧力不小于y， 要求预紧工况下，垫片单位面积上的压紧力不小于 ，否则 介质会发生泄漏。 介质会发生泄漏。
高压管道密封
提高高压密封性能的措施 1、改善密封接触表面 、 2、改进垫片结构 、 3、采用焊接密封元件 、
螺栓载荷计算
平垫密封
螺栓法兰密封设计计算
双锥密封
1、预紧载荷分析
（1）压紧垫片所需螺栓力 ）
代入几何关系： 代入几何关系：
（2）消除径向间隙 所需螺栓力 ）消除径向间隙g所需螺栓力
Wa = W1 + W1 ≈ W1