壓力容器審核人員培訓第五部分

1、1壓力容器壓力容器設計審批人培訓設計審批人培訓（五）（五） 濟南石油化工設計院濟南石油化工設計院 黃黃 泓泓 電話二一二年十一月2內容簡介GB150.3-2011壓力容器壓力容器 第第3部分：設計部分：設計第第7章、附錄章、附錄C 、附錄、附錄D一、法蘭二、密封結構三、焊接結構四、關于低溫壓力容器的基本設計要求3一、法蘭概述： 螺栓法蘭連接是由一對法蘭、若干個螺栓、螺母和一個墊片組成，其連接方式如圖 :41、法蘭類型常用的管法蘭型式：板式平焊法蘭、帶頸平焊法蘭、帶頸對焊法蘭52、法蘭密封面型式 法蘭密封面型式常用有突平面、凹凸面、榫槽面和

2、環(huán)面四種。突平面(raised seal face) 突平面(平面)是由相對突起的一對平面組成的密封面 ，此密封面結構簡單，制造方便，但密封性能相對較差，用于較低壓力場合。 6凹凸面(malefemale seal face) 凹凸面是由一對相配合的凹面和凸面組成的密封面，此密封面便于安裝時墊片對中，墊片不會被擠出密封面，密封性能優(yōu)于平面。適用于壓力較高或介質為易燃、易爆、有毒的場合。7榫槽面(tongue-groove seal face) 榫槽面是由一對相配合的榫面和槽面組成的密封面， 密封墊片較窄，易被壓緊，密封性好，適用于壓力較高，介質易燃、易爆、有毒的場合。但更換墊片困難，裝配時應注

3、意保護好密封榫面。 8環(huán)面(ring joint) 環(huán)面是由一對相配合的環(huán)面組成的密封面，這種密封面適配金屬環(huán)墊片。用于溫度、壓力較高或有波動，介質滲透性較強的場合。93、標準管法蘭的選用 HG/T2059220635-2009 HG/T20592 20614-2009 PN系列（歐洲體系）A、B兩個系列A系列為國際通用系列（俗稱英制管）B系列為國內沿用系列（俗稱公制管）采用B系列的管法蘭應在公稱直徑DN的數(shù)值后標注（B） HG/T20615 20635-2009 Class系列（美洲體系）注意：兩個體系間不能互相配用兩個體系間不能互相配用10(1)板式平焊法蘭。板式平焊法蘭的適用范圍PN2.

4、5到PN40，建議不使用在易燃易爆和高度、極度危害介質等要求嚴格的場合。 (2)帶頸平焊法蘭和承插焊法蘭。與帶頸對焊法蘭相比，帶頸平焊法蘭和承插焊法蘭的頸部高度低，生產(chǎn)采用滾軋或模鍛的工藝，比帶頸對焊法蘭簡單。法蘭上增加了短頸，對提高法蘭剛度、改善法蘭的承載能力都大有益處。在引進的石油化工裝置中普遍使用帶頸平焊法蘭和承插焊法蘭結構型式。另一方面，帶頸平焊法蘭和承插焊法蘭采用填角焊縫結構，現(xiàn)場安裝較方便。對施工單位可以省略焊縫拍片探傷的工序，所以，比較受歡迎。 11 由于帶頸平焊法蘭和承插焊法蘭的結構特點，對其使用亦有限制。可參考GBT 208012006 壓力管道規(guī)范工業(yè)管道的規(guī)定。以下場合不

5、得采用承插焊焊接：1) 可能產(chǎn)生縫隙腐蝕或嚴重沖蝕的場合；2) 要求焊接部位及管道內壁光滑過渡的場合；3) 劇烈循環(huán)工況或 GC1 級管道的場合，且承插焊連接接頭的公稱直徑大于 DN50。12 壓力-溫度額定值 不同材料的法蘭在不同的溫度下有不同的最大許用壓力。 13 緊固件的使用 商品級六角頭螺栓及型六角螺母只能用于PN16，非有毒、非可燃以及非劇烈循環(huán)場合，配非金屬平墊片。 商品級雙頭螺柱及型六角螺母只能用于PN40，非有毒、非可燃以及非劇烈循環(huán)場合。 板式平焊法蘭、螺紋法蘭、對焊環(huán)松套法蘭和平焊環(huán)松套法蘭不應使用于劇烈循環(huán)工況。 板式平焊法蘭建議不使用在易燃易爆和高度、極度危害介質等要求

6、的場合。14 容器腐蝕裕量取3mm 時,對于內部聯(lián)接用以及某些情況下的地腳螺栓如用碳鋼則很難考慮腐蝕裕度的選取,建議采用不銹鋼制螺栓。 接管法蘭密封面朝向配置： 原則上所有接管的凹面應向上。如果將容器頂部或側面的接管法蘭配置成凸面是不合理的，因為這樣配置使密封面容易受到損傷。而容器底部的管口應該設置成凸面結構，這樣就易于墊片的安裝和更換。但是與閥門連接的管法蘭密封面應與閥門匹配。15 選擇壓力容器接管法蘭的壓力等級或密封面形式時，應考慮介質的毒性或易燃易爆性。 按照HG/T20583-2011 之7.2.3 規(guī)定，容器內為易燃、易爆介質或毒性為中度危害和輕度危害的介質，管法蘭的公稱壓力選用應不

7、低于1.6MPa；對毒性為高度或極度危害介質或強滲透性介質， 管法蘭的公稱壓力不小于2.0MPa； 容器內介質毒性為極度危害或高度危害介質或強滲透性介質的中度危害和液化石油氣時，接管的法蘭應采用帶頸對焊管法蘭。 低溫容器、高溫容器、疲勞容器以及類壓力容器的接管法蘭宜采用帶頸對焊管法蘭。 高溫、高壓、不允許泄漏、拆卸次數(shù)少的場合的法蘭連接形式，宜采用法蘭焊唇的焊死結構。16 壓力容器接管法蘭選用石棉橡膠墊時應注意的問題 當介質為水，蒸汽，空氣，煤氣，氨，堿液，惰性氣體等，而工作條件為壓力波動小，不經(jīng)常拆卸的場合，我們經(jīng)常選用石棉橡膠墊片。 石棉橡膠墊片不能用于按照真空設計的設備中，因為石棉橡膠墊

8、片存在微小的孔隙，這樣就不能保證真空度,在這種情況下應該使用橡膠圈或者纏繞墊片。纏繞墊片分為4 種基本形式：即基本型(A 型) ，帶內環(huán)型(B 型) ，帶外環(huán)型(C 型)和帶內外環(huán)型(D 型) 。A 型適用于槽密封面，D 型適用于突面，B 型適用于凹凸面。17 介質為環(huán)氧乙烷的不能用含石棉的墊片。 強滲透性介質如液氨等，不能使用泄漏率較高的非金屬墊片。18TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程術監(jiān)察規(guī)程中關于管法蘭的規(guī)定中關于管法蘭的規(guī)定3.17 3.17 壓力容器用管法蘭壓力容器用管法蘭(1)(1)鋼制壓力容器管法蘭、墊片、緊固件的設計應當鋼制壓力容器

9、管法蘭、墊片、緊固件的設計應當參照行業(yè)標準參照行業(yè)標準HG/T20592HG/T20592HG/T20635-2009HG/T20635-2009鋼制鋼制管法蘭、墊片、緊固件管法蘭、墊片、緊固件系列標準的規(guī)定；系列標準的規(guī)定；(2)(2)盛裝液化石油氣、毒性程度為極度和高度危害介盛裝液化石油氣、毒性程度為極度和高度危害介質以及強滲透性中度危害介質的壓力容器，其管質以及強滲透性中度危害介質的壓力容器，其管法蘭應當按照行業(yè)標準法蘭應當按照行業(yè)標準HG/T20592HG/T20592HG/T20635HG/T20635系系列標準的規(guī)定，至少應用高頸對焊法蘭、帶加強列標準的規(guī)定，至少應用高頸對焊法蘭、

10、帶加強環(huán)的金屬纏繞墊片和專用級高強度螺栓組合。環(huán)的金屬纏繞墊片和專用級高強度螺栓組合。194、標準容器法蘭的選用 JB/T47004707-200020 選用原則：優(yōu)先選用標準法蘭。 選用JB/T47004707標準法蘭時，可免除計算。 JB/T4703筒體最小厚度問題：當需要與小于該厚度(0)的較薄圓筒對接時，需增加法蘭高度。按表32122 JB/T4700第6.6.1.2條對長頸法蘭當工作壓力大于或等于0.8倍本標準中規(guī)定的最大許用工作壓力時，法蘭與圓筒的對接焊縫必須進行100%的射線或超聲檢測。該要求應在圖樣中標明。 腐蝕裕度:JB/T4702為2，JB/T4703為3。 凹凸面設備法蘭

11、密封面朝向配置的問題 立式容器的槽面或凹面應向上，臥式容器的槽面或凹面應位于筒體上。23 法蘭熱處理 碳素鋼或低合金鋼制法蘭在下列任一情況下進行正火熱處理: a、法蘭斷面厚度大于50mm ； b、鍛制法蘭。 用碳素鋼或低合金鋼板材或型材制造的法蘭環(huán)對接接頭、焊制整體法蘭，應經(jīng)焊后熱處理。24 選用標準法蘭的步驟a、按照公稱直徑DN和設計壓力P確定法蘭類型。b 、按照PP的原則確定法蘭的公稱壓力PN。c、按照公稱直徑DN和公稱壓力PN，查出法蘭的各部分尺寸，并標記出標準代號。255、非標法蘭設計（ GB150.3-2011第7章） 螺栓法蘭連接設計的內容a.確定墊片材料、型式及尺寸;b.確定螺栓

12、材料、規(guī)格及數(shù)量;c.確定法蘭材料、密封面型式及結構尺寸; d.進行應力校核， 計算中所有尺寸均不包括腐蝕 余量；e. 對承受內壓的窄面整體法蘭和按整體法蘭計算的窄面任意式法蘭進行剛度校核。26法蘭的類型法蘭的類型 法蘭可分為法蘭可分為 松式法蘭松式法蘭 整體法蘭整體法蘭 任意式法蘭任意式法蘭松式法蘭整體法蘭任意式法蘭圖2-51法蘭的種類27 密封機理密封機理28 泄漏形式泄漏形式29 螺栓法蘭連接的密封條件螺栓法蘭連接的密封條件 界面泄漏是螺栓法蘭密封的主要失效形式。界面泄漏是螺栓法蘭密封的主要失效形式。防止界面泄漏需要滿足兩個密封條件：防止界面泄漏需要滿足兩個密封條件：予緊時，滿足初始密封

13、條件。予緊時，滿足初始密封條件。操作時，滿足工作密封條件。操作時，滿足工作密封條件。 30保證密封的條件保證密封的條件預緊時，法蘭密封預緊時，法蘭密封面上的比壓不低于面上的比壓不低于預緊密封比壓預緊密封比壓y工作時，法蘭密封面工作時，法蘭密封面上的比壓不低于操作上的比壓不低于操作密封比壓，即密封比壓，即m倍的倍的介質計算壓力介質計算壓力 31影響密封的因素影響密封的因素螺栓預緊力螺栓預緊力 法蘭剛度法蘭剛度 壓緊面形式壓緊面形式和加工質和加工質 量量 墊片性能墊片性能 操作條件操作條件32 平面形、平面形、O形、波形、齒形、八角形、形、波形、齒形、八角形、 橢圓形等橢圓形等 非金屬墊片非金屬墊

14、片 常用材料：石棉橡膠板、橡膠板、聚四氟乙烯、常用材料：石棉橡膠板、橡膠板、聚四氟乙烯、合成纖維、石墨等。合成纖維、石墨等。 金屬墊片金屬墊片 常用材料：銅、鋁、低碳鋼、不銹鋼、合金等。常用材料：銅、鋁、低碳鋼、不銹鋼、合金等。 組合式墊片組合式墊片包括：金屬包墊片；纏繞式墊片；帶骨架的非金屬包括：金屬包墊片；纏繞式墊片；帶骨架的非金屬墊片等。墊片等。 墊片形狀墊片形狀墊片類型墊片類型墊片墊片33 非金屬墊片：非金屬墊片：如橡膠墊，石棉橡膠墊，聚四氟如橡膠墊，石棉橡膠墊，聚四氟乙烯墊等，斷面形狀一般為平面形或乙烯墊等，斷面形狀一般為平面形或O形形34非金屬墊片非金屬墊片35金屬墊片金屬墊片36

15、金屬墊片金屬墊片37金屬非金屬組合墊片金屬非金屬組合墊片38金屬非金屬組合墊片金屬非金屬組合墊片39金屬墊片金屬墊片40墊片斷面形式墊片斷面形式41 要有全面的觀念，綜合考慮溫度、壓力、介質、要有全面的觀念，綜合考慮溫度、壓力、介質、壓緊面形式等方面要求，其中溫度和壓力是影響密壓緊面形式等方面要求，其中溫度和壓力是影響密封的主要因素，也是選擇墊片的主要依據(jù)。封的主要因素，也是選擇墊片的主要依據(jù)。墊片選擇原則墊片選擇原則 依據(jù)標準和規(guī)范，重視實踐經(jīng)驗。依據(jù)標準和規(guī)范，重視實踐經(jīng)驗。 在保證密封的前提下，盡量選用結構簡單、價在保證密封的前提下，盡量選用結構簡單、價格便宜、便于安裝和更換的墊片。格便

16、宜、便于安裝和更換的墊片。421、預緊工況、預緊工況 Fa=DGby DG-墊片計算直徑墊片計算直徑 b-墊片有效密封寬度墊片有效密封寬度 螺栓載荷螺栓載荷Wa=Fa2、操作工況、操作工況 FP=2DGbmPC 螺栓載荷螺栓載荷WP=F+FP = +2DGbmPC CGPD24螺栓載荷螺栓載荷螺栓設計螺栓設計43預緊工況：預緊工況：操作工況：操作工況：取取Am=maxAa，AP baaWAtbPPWAnAdm40螺栓直徑螺栓直徑44）（表螺栓最小間距按法蘭有效厚度螺栓公稱直徑螺栓最大間距：3-720113 .150)5 . 0(62)45 . 3(maxGBdmdLdLfBfBB螺栓間距的限制

17、螺栓間距的限制螺栓的公稱直徑應不小于M12，當公稱直徑大于M48 時，應采用細牙螺紋。45螺栓是法蘭密封連接中的重要元件，對其基本要螺栓是法蘭密封連接中的重要元件，對其基本要求是強度要高、韌性要好。求是強度要高、韌性要好。 螺母更換比螺栓容易，且螺母價廉，所以要螺母更換比螺栓容易，且螺母價廉，所以要求螺栓材料的強度比螺母高。求螺栓材料的強度比螺母高。 為避免螺栓和螺母咬死或膠合，要求螺栓材為避免螺栓和螺母咬死或膠合，要求螺栓材料的硬度比螺母高料的硬度比螺母高HB30以上。以上。 對于對于t-20的螺栓，要求選用低合金鋼，并的螺栓，要求選用低合金鋼，并進行夏比進行夏比V形缺口低溫沖擊試驗。形缺口

18、低溫沖擊試驗。 螺栓材料螺栓材料46應力分析模型應力分析模型4748法蘭強度校核條件：法蘭強度校核條件： tntfH5.25.1minH軸向應力 tf設計溫度下法蘭的許用應力n t設計溫度下圓筒材料的許用應力49tfRtfTR 徑向應力T環(huán)向應力 tf設計溫度下法蘭的許用應力50tfRH2tfTH2H軸向應力R徑向應力T環(huán)向應力 tf設計溫度下法蘭的許用應力517.5.3.5 法蘭剛度校核 當法蘭在相同的操作條件下有成功的使用經(jīng)驗時，可以免除剛度校核。否則： 對整體法蘭和按整體法蘭計算的任意法蘭，剛度指數(shù)按（7-23）計算：114.5212ooOIhKEMVJ52式中：K1剛度系數(shù)，取0.3E

19、法蘭材料的彈性模量，Mpa;當法蘭設計力矩Mo為預緊控制時，E取常溫下的彈性模量，當法蘭設計力矩Mo為操作控制時，E取設計溫度下的彈性模量，其他系數(shù)同7.5.3.153法蘭連接的合理設計 法蘭連接合理設計的三個關鍵： (1) 在墊片設計時，應控制盡可能小的墊片載荷。 (2) 在螺栓配置設計中，應控制盡可能小的螺栓中心圓直徑，從而構成盡可能小的法蘭力矩，遵循“最小載荷準則” 。 (3) 在以上基礎上，將法蘭的錐頸和法蘭環(huán)比例設計得當，使法蘭各部分允分地發(fā)揮強度性能并保證足夠的剛度，即趨于滿應力狀態(tài)，遵循“滿應力準則”。5455二、密封結構GB150.3-2011壓力容器 第3部分 設計附錄C 本

20、附錄規(guī)定了圓筒形壓力容器用金屬平墊密封、雙錐密封、伍德密封、卡扎里密封、八角墊和橢圓墊密封、卡箍緊固結構的設計方法。各密封結構型式的適用范圍見下表：56特點：特點： 強制式密封強制式密封 采用窄面金屬墊片采用窄面金屬墊片 主螺栓直徑大主螺栓直徑大適用范圍：適用范圍：t 200C Di 1000mm平墊密封平墊密封57雙錐密封雙錐密封581、結構簡單，裝拆方便、密封可靠。、結構簡單，裝拆方便、密封可靠。2、半自緊密封，主螺栓直徑較小。、半自緊密封，主螺栓直徑較小。3、壓力和溫度波動時也能保證良好密封。、壓力和溫度波動時也能保證良好密封。適用范圍：適用范圍：P=6.435MPa t =0400C

21、Di =4003200mm雙錐密封雙錐密封雙錐密封特點雙錐密封特點591、全自緊式密封，壓力和溫度的波動不會影響密封可靠性。、全自緊式密封，壓力和溫度的波動不會影響密封可靠性。 2、取消了主螺栓，使筒體端部尺寸減小。、取消了主螺栓，使筒體端部尺寸減小。 零件多、結構復雜。零件多、結構復雜。優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點伍德密封伍德密封60其它密封結構其它密封結構61三、焊接結構1、GB150.3-2011壓力容器 第3部分：設計附錄D （資料性附錄）2、HG/T20583-2011鋼制化工容器結構設計規(guī)定 第18章 焊接結構62焊接接頭形式焊接接頭形式63坡口形式坡口形式64656667686970GB 1

22、50.32011 附錄D (提示的附錄)焊接結構 焊接接頭和坡口的形式及尺寸均基于等強度原則確定。 本附錄僅給出一些常用焊接接頭結構，供設計及制造時參考選用，焊縫坡口的基本形式及尺寸僅為推薦內容，本附錄中各類焊接接頭的施焊工藝必須按NB/T47014（ JB /T4708 ）評定合適后采用。71在保證焊接質量的前提下，焊接接頭設計應遵循以下原則：a）焊縫填充金屬盡量少；b）焊接工作量應盡量少，且操作方便；c）合理選擇坡口角度、鈍邊高、根部間隙等結構尺寸，使之有利于坡口加工及焊透，以減少各種缺陷產(chǎn)生的可能；d）有利于焊接防護；e）合理選擇焊材，至少應保證對接焊接接頭的抗拉強度不低于母材標準規(guī)定的

23、下限值；f）焊縫外形應盡量連續(xù)、圓滑，減少應力集中。72D.2 A、B類焊接接頭結構D.2 .1常見A、B類對接接頭 A、B類對接接頭，當兩側鋼材厚度相等時，可采用圖D.1的連接形式。 B類對接接頭，當兩側鋼材厚度不等時，可單面或雙面削薄厚板邊緣，或采用堆焊方法將薄板邊緣焊成斜面，具體見GB150.4的相關規(guī)定。73圖D.1（續(xù)）74圖D.1（續(xù)）75D.3.1 插入式接管 在下列使用條件下，接管內徑邊角處應倒圓，圓角半徑一般取nt/4或19 mm兩者中的較小值： a)承受疲勞載荷的壓力容器； b)低溫壓力耷器； c)鋼材的標準抗拉強度下限值Rm540 MPa的容器。 d) 圖樣注明有應力腐蝕

24、的容器。76 D.10 夾套封閉件結構圖D.2377圖D.23787980圖D.2581HG/T20583-2011 手工焊（對接接頭）82HG/T20583-2011手工焊（對接厚板接頭）83HG/T20583-2011 自動焊（對接接頭）84HG/T20583-2011 角接焊接接頭85HG/T20583-2011 帶補強圈的角接焊接接頭86HG/T20583-2011 非徑向接管角接接頭87HG/T20583-2011 斜接管角接接頭88HG/T20583-2011 管子或筒體與平蓋的角接接頭89HG/T20583-2011 錐體與筒體的連接接頭90HG/T20583-2011 封頭與裙

25、座的焊接接頭91坡口設計原則坡口設計原則1、盡量減少填充金屬量。、盡量減少填充金屬量。2、保證焊透，避免產(chǎn)生各種焊接缺陷。、保證焊透，避免產(chǎn)生各種焊接缺陷。3、便于施焊，改善勞動條件。、便于施焊，改善勞動條件。4、減少焊接變形和殘余變形量。、減少焊接變形和殘余變形量。921、盡量采用對接接頭、盡量采用對接接頭2、盡量采用全焊透結構、盡量采用全焊透結構 3、盡量減小焊縫處的應力集中、盡量減小焊縫處的應力集中 4、便于進行無損檢驗、便于進行無損檢驗 焊接結構設計原則焊接結構設計原則93接管與殼體間的焊接接頭 工藝接管與容器殼體及開孔補強圈連接的接頭處拘束度大，存在較大的應力集中。加之焊縫金屬通常比

26、母材塑性低，焊縫根部及焊接熱影響在疲勞載荷(如循環(huán)壓力和溫度、振動等)作用下易成為裂紋的起源。 94 從焊接施工操作講，這類焊縫是容器上所有焊縫最難控制、也是最易產(chǎn)生問題的地方，這是因為目前殼體上的馬鞍形開孔仍大量采用氣割、氣刨等手工開孔方法，不易保證坡口角度及鈍邊尺寸；坡口表面的氧化皮較難去除，施焊接管的操作位置又往往不利于焊工控制成型等等；所以極易產(chǎn)生裂紋、未焊透、夾渣、未熔合等缺陷，而目前圖紙上對接管與容器連接焊縫的無損檢測問題又往往無明確規(guī)定，這樣便削弱了焊工的責任感，致使此類焊縫質量不易保證。 95 從設計角度講，一些設計人員往往只注意焊條、焊絲強度，而忽視了韌性。加之焊接冶金過程的

27、影響，致使大量焊縫金屬出現(xiàn)高強度、低塑性現(xiàn)象，焊縫及熱影響區(qū)易產(chǎn)生開裂。另外，設計者對如何設計出保證焊接質量的接頭缺乏了解，也是導致接頭質量不佳的重要原因。96 坡口及間隙對焊縫質量有直接影響，因此應注意提高坡口尺寸的精確度。此外，坡口的清潔度十分重要，應將坡口表面的的油污、臟物、碳弧氣刨產(chǎn)生的氧化皮、滲碳層及淬硬層清除。97 疲勞斷裂失效約占金屬失效結構的40，ASME認為：接管的設計應考慮最大限度地降低應力集中。最安全的容器是在容器上所有部分都具有最低的總應力(一次應力及應力集中等)，而不是在一次膜應力上取最大的安全系數(shù)，而不管局部應力集中。所以，有效的降低應力集中，是設計容器與接管焊接接頭時應給予足夠重視的問題。 98固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程的要求的要求3.14 3.14 焊接接頭焊接接頭 3.14.1 3.14.1 殼體接頭設計殼體接頭設計 焊制壓力容器筒體的縱向接頭、筒節(jié)與焊制壓力容器筒體的縱向接頭、筒節(jié)與筒節(jié)（封頭）連接的環(huán)向接頭、封頭的拼接接筒節(jié)（封頭）連接的環(huán)向接頭、封頭的拼接接頭，以及球殼板間的焊接接頭