中低壓容器設計課件

1、1第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭潘家禎華東理工大學機械與動力工程學院2 設備的殼體可以采用鑄造、鍛造或焊接成一個整體，但大多數(shù)化工設備是做成可拆的幾個部件，然后把它們連接起來。這一方面是設備的工藝操作需要開各種孔，并使之與工藝管道或其他附件相連接；另一方面也是為了便于設備制造、安裝和檢修?；ぴO備中的可拆連接應當滿足下列基本要求： 第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭3l能保證在操作溫度和操作壓力下的緊密不漏；l有足夠的強度，不因可拆連接的存在而削弱了整個結構的強度，并保證本身能抵抗所有外力的作用；l能迅速地并多次裝卸；l成本低廉。第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭

2、可拆連接的型式很多，如螺紋連接、承插式連接、釬焊連接和法蘭連接等。法蘭連接的強度和緊密性比較好，裝拆也較方便，因而在大多數(shù)場合比其他型式的可拆連接顯得優(yōu)越，從而獲得了廣泛的應用。 4法蘭連接由一對法蘭、墊片和螺栓組成，借助螺栓把兩部分設備連接在一起，并壓緊墊片使連接處緊密不漏 。在壓力容器應力分析中，法蘭具有特殊性，不僅法蘭本身是一個承受外載荷的結構部件，而且法蘭連同螺栓和墊片成為承受初始預緊力的裝配結構(螺栓法蘭連接系統(tǒng))，它們的失效表現(xiàn)為泄漏，要解決法蘭連接的問題，需要對整個系統(tǒng)的特性進行分析。第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭法蘭連接的基本問題是在各種操作條件下，設備內(nèi)的介質不會

3、通過法蘭接頭向外或向內(nèi)(在真空或減壓條件下)發(fā)生泄漏，即是法蘭接頭緊密性問題。 5本節(jié)主要介紹法蘭設計計算方法，包括以下兩個基本問題：1法蘭選用 法蘭選用主要包括法蘭標準及其應用；法蘭、墊片和螺栓的選用。2法蘭設計(1)密封設計 按照操作條件，選取法蘭型式、壓緊面形狀、墊片型式，計算在安裝工況和操作工況下，螺栓必需的預緊載荷和操作載荷，以達到設計的密封要求。(2)強度計算 即初定法蘭的結構尺寸，根據(jù)(1)計算得到螺栓載荷，對法蘭進行上述兩種工況下的受力分析和應力校核，以確定法蘭的厚度等尺寸。第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭6法蘭的設計必須考慮兩個不同的問題：l 法蘭連接結構中的各個部

4、件必須有足夠的強度和剛度。l 連接本身必須保證密封。結構強度的問題比較簡單，但法蘭連接的密封性遠比強度復雜，更富有近似性和經(jīng)驗性。法蘭的計算方法仍以彈性強度分析或塑性極限分析為基礎，借控制法蘭中的名義應力保證法蘭的剛度和強度。第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭7(一)法蘭的類型和標準 法蘭可分為： 松式法蘭 整體法蘭 任意式法蘭第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭8(一)法蘭的類型和標準 國家標準（GB911129131-88）鋼制管法蘭管法蘭（HG50015028-58）壓力容器法蘭標準（JB11571164-82）第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭9第二章 中低壓容器

5、的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭法蘭壓緊面的形式墊片斷面的形式10第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭流體在墊片處的泄漏以兩種形式出現(xiàn)，即“滲透泄漏”和“界面泄漏”， 墊片密封機理滲透泄漏是流體通過墊片材料本體毛細管的泄漏，故除了介質壓力、溫度、黏度、分子結構等流體狀態(tài)性質外，主要與墊片的結構與材質有關。界面泄漏是流體從墊片與法蘭接觸界面泄漏，泄漏大小主要與界面間隙尺寸有關。 墊片反力螺栓載荷流體靜壓力的軸向力作用在法蘭環(huán)內(nèi)外周邊上的均布力W1組成的力偶11第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭預緊螺栓時，螺栓力通過法蘭壓緊面作用到墊片上，使墊片發(fā)生彈性或塑性變形，以填滿法蘭壓緊面上的不平間

6、隙，從而阻止流體泄漏。墊片密封機理初始壓緊力的大小受墊片材料和結構形式以及壓緊面加工粗糙度的影響。壓緊力過小，墊片壓不緊不能阻漏；壓緊力過大，往往使墊片擠出或損壞。當設備操作時，由于內(nèi)壓升起，在容器或管道端部軸向力的作用下，螺栓被拉長，法蘭壓緊面趨向分開，墊片產(chǎn)生部分回彈，這時壓緊面上壓緊力下降，如果墊片與壓緊面之間沒有殘留足夠的壓緊力，就不能封住流體，即密封失效。 12第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭墊片性能參數(shù)13第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭法蘭連接緊密不漏的兩個條件：l 預緊時，螺栓力在壓緊面與墊片之間建立起不低于y值的比壓力。l工作時，螺栓力應能夠抵抗內(nèi)壓作用，

7、在墊片表面維持m倍內(nèi)壓的比壓力。密封計算 1. 螺栓載荷計算預緊工況：螺栓拉力Wa應等于壓緊墊片所需的最小載荷。ybDWGaWa: 螺栓的最小預緊載荷，N；b：墊片有效密封寬度；DG：墊片平均直徑，取墊片反作用力處的直徑；y：墊片的比壓力，MPa。預緊工況y：墊片的比壓力；m：墊片系數(shù)；14第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭密封計算 1. 螺栓載荷計算注意：用以計算接觸面積的墊片寬度不是墊片的實際寬度，而是它的一部分，稱為密封基本寬度b0。，其大小與壓緊面形狀有關。在b0的寬度范圍內(nèi)單位壓緊載荷y視作均勻分布。當墊圈較寬時，由于螺栓載荷和內(nèi)壓的作用使法蘭發(fā)生偏轉，因此墊片外側比內(nèi)側壓得

8、緊一些，為此實際計算中墊片寬度要比b0小一些，稱為有效密封寬度b。； 時， 當00mm 6.4bbb； . 時， 當0005324 . 6mm 6.4bbbb ；墊片接觸面的平均直徑 時， 當G0mm 6.4Db ；墊片接觸面外徑 時， 當bDb2-mm 6.4G0b：墊片有效密封寬度；b0：基本密封寬度;墊片平均直徑15第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭密封計算 1. 螺栓載荷計算16第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭密封計算 1. 螺栓載荷計算操作工況在操作工況時，螺栓載荷W，應等于抵抗內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向使法蘭連接分開的載荷和維持密封墊片表面必需的壓緊載荷之和，即：cGc2Gp

9、24mpDbpDW式中 Wp操作工況下的螺栓載荷，N； m墊片系數(shù)，無因次； pc計算壓力，MPa。 等式右邊后一項中，由于原始定義m時是取2倍墊片有效接觸面積上的壓緊載荷等于計算壓力m倍，故計算時m需乘以2。17第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭密封計算 2. 螺栓尺寸與數(shù)目上述Wa和Wp是在兩種不同工況下的螺栓載荷，確定螺栓截面尺寸時應分別求出兩種工況下螺栓的總面積，擇其大者為所需螺栓總截面積，以確定實際選用螺栓直徑與個數(shù)。在預緊工況時，按常溫計算，由強度條件得： sb常溫下螺栓材料的許用應力，MPa。 2baamm, sWA 在操作工況時，按螺栓設計溫度計算，則為： 2tbppm

10、m, sWA sbt設計溫度下螺栓材料的許用應力，MPa。 操作工況預緊工況螺栓所需的總截面積Am取上述兩種工況下較大值。在選定螺栓數(shù)目n后，即可按下式得到螺栓直徑dB： nAd785. 0mB18第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭密封計算 3螺栓設計載荷 法蘭設計中需要確定螺栓設計載荷。在預緊工況，由于實際的螺栓尺寸可能大于上述計算值，在擰緊螺栓時有可能造成實際螺栓載荷超出式 所給出的數(shù)值，所以確定預緊工況螺栓設計載荷時，螺栓總截面積取Am與實際選用的螺栓總截面積Ab的算術平均值。即 而操作工況螺栓設計載荷仍按式 計算，即WWp。 ybDWGa N2bbm ,sAAWcGc2Gp24

11、mpDbpDW預緊工況操作工況19 法蘭的強度計算 Waters法的假設：l所有組成法蘭接頭的部件的材料是均勻的，在設計載荷條件下保持彈性；l所有施加于法蘭上的載荷(螺栓載荷W，墊片反力P3和流體靜壓力的軸向力歸結為一對作用在法蘭環(huán)內(nèi)外周邊上的均布的力偶；l忽略螺栓的影響，假設問題是軸對稱的；l不計螺栓孔的影響；l假設殼體和錐頸為薄殼結構；l殼體理論分析中，以法蘭和錐頸的內(nèi)孔表面為中性面；l當法蘭環(huán)撓曲時，殼體與錐頸大端(下圖中A點)的徑向位移為零；l法蘭環(huán)中面因所施加的力偶而引起的伸長可忽略不計；l內(nèi)壓以及由內(nèi)壓引起的各部分相鄰邊緣處產(chǎn)生的應力與法蘭環(huán)力偶產(chǎn)生的彎曲應力相比，可忽略不計；l法

12、蘭的位移很小，疊加原理可以應用。第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭20圖2-53 water的法蘭力學分析按照上述解法，十分繁瑣，難以使用，所以Waters分析了法蘭中的應力后，確定控制法蘭強度的三個主要應力為：l 法蘭環(huán)內(nèi)圓柱面上與錐頸連接處的最大徑向應力，l切向應力，l及錐頸兩端外表面的軸向彎曲應力。l當斜度較大時，出現(xiàn)在小端，反之位于大端。第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭szszst經(jīng)過一系列推演與簡化，給出了一組曲線，以便利用這些圖表決定最大法蘭應力。 軸向彎曲應力212. 法蘭設計方法 1. 法蘭力矩的計算：法蘭的外力矩是由如下作用于法蘭的外力產(chǎn)生： (1) 內(nèi)壓作

13、用在內(nèi)徑截面上的軸向力P1 第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭式中：pc計算內(nèi)壓，MPa； Di法蘭內(nèi)直徑，mm。 , N4c2i1pDP(2) 內(nèi)壓作用在法蘭端面上的軸向力P2： , N4c2i2G2pDDP式中，DG墊片反力作用位置的直徑，mm。 (3) 墊片反力P3，等于螺栓設計載荷與內(nèi)壓產(chǎn)生的總軸向力之差，即 , N213PPWP式中，w取預緊或操作時的螺栓總載荷。 P1P2P322圖2-53 water的法蘭力學分析第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭這些力的作用位置不同，其力臂視整體法蘭和活套法蘭、松式法蘭取法不同。對于整體法蘭或按整體法蘭計算的任意式法蘭： 1GbG

14、b3212112225.0gDDRDDllgRlgRl1GbGb3212112225.0gDDRDDllgRlgRl1GbGb3212112225.0gDDRDDllgRlgRl1GbGb3212112225.0gDDRDDllgRlgRl23圖2-53 water的法蘭力學分析第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭對于除活套法蘭外的松式法蘭或按松式法蘭計算的任意式法蘭： 222312Gb3ib1lllDDlDDl222312Gb3ib1lllDDlDDl222312Gb3ib1lllDDlDDl24第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭于是，法蘭力矩為： 333222111,lPMl

15、PMlPM , WPPPP321C0, 0 , 故， 因 預緊時3333aMMWllP ：總力矩為 N2bbm ,sAAW3332211321PMMMMWllPlPlP ：，總力矩為操作時計算法蘭應力時，取以下兩者中較大值為計算外力矩： mmNmmNftfapssMMMM式中，sf sft分別為常溫和設計溫度下的許用應力，MPa。 25第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭(2)法蘭應力的計算： (i) 錐頸上與法蘭連接處的軸向彎曲應力： 各個符號的含義見書上p91。 MPa121DgfMZs(ii) 法蘭環(huán)上的徑向應力： MPat133. 112eDMtZs(iii) 法蘭環(huán)上的切向應力

16、： -MPaZYr12ssDtMZM：法蘭計算力矩Nmmf：法蘭頸部應力校準系數(shù)：系數(shù)131dtTtemmhFe1 ,0e ：系數(shù)d1 ：系數(shù)2001ghVUd F，V ：無因次系數(shù)，查圖2-53，54T，U，Y，Z ：無因次系數(shù)，查圖2-5526圖2-53 water的法蘭力學分析第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭(2)法蘭應力的計算： MPa121DgfMZsp91 M：法蘭的計算力矩；f：法蘭頸部應力校準系數(shù)，即法蘭頸部小端應力與大端應力之比，f1，表示最大軸向應力在小端；f1表示最大軸向應力在大端。取f =1，不需對f 進行修正。軸向彎曲應力27圖2-53 water的法蘭力學分析第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭(3)法蘭的強度校核：F值 p92 V值 28圖2-53 water的法蘭力學分析第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第四節(jié) 法蘭(3)法蘭的強度校核：同時滿足下列條件： p92 從上述法蘭的應力分析中可知，三個方向的應力計算公式中都包含與法蘭幾何尺寸有關的參數(shù)，因此除直接采用標準法