壓力容器的設(shè)計(jì)壓力容器零部件(法蘭)

1、第四章第四章 壓力容器零部件壓力容器零部件教學(xué)重點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)： 各零部件標(biāo)準(zhǔn)的選用。各零部件標(biāo)準(zhǔn)的選用。教學(xué)難點(diǎn)：教學(xué)難點(diǎn)： 標(biāo)準(zhǔn)法蘭的選用。標(biāo)準(zhǔn)法蘭的選用。被連接件被連接件 連接件連接件 密封元件密封元件 法蘭聯(lián)接法蘭聯(lián)接螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)1-螺栓螺栓 2-墊片墊片 3-法蘭法蘭312第一節(jié)第一節(jié) 容器法蘭與管法蘭容器法蘭與管法蘭一、法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu)與密封原理一、法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu)與密封原理 1、密封組成、密封組成連接結(jié)構(gòu)：法蘭連接結(jié)構(gòu)（外觀）法蘭連接結(jié)構(gòu)（剖開看）泄漏途徑泄漏途徑 密封原理密封原理壓緊面泄漏壓緊面泄漏 墊片滲漏墊片滲漏 當(dāng)壓力介質(zhì)通過(guò)密封口當(dāng)壓力介質(zhì)通過(guò)密封口的阻力降大

2、于密封口兩的阻力降大于密封口兩側(cè)的介質(zhì)壓力降時(shí)，介側(cè)的介質(zhì)壓力降時(shí)，介質(zhì)就被密封住質(zhì)就被密封住3122、工作原理、工作原理 螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)1-螺栓螺栓 2-墊片墊片 3-法蘭法蘭通過(guò)墊片材料本體毛細(xì)通過(guò)墊片材料本體毛細(xì)管的滲透泄漏?？赏ㄟ^(guò)管的滲透泄漏?？赏ㄟ^(guò)對(duì)滲透性墊片材料添加對(duì)滲透性墊片材料添加某些填充劑進(jìn)行改良，某些填充劑進(jìn)行改良，或與不透性材料組合成或與不透性材料組合成型來(lái)避免型來(lái)避免“墊片滲漏墊片滲漏”。沿著墊片與壓緊面之沿著墊片與壓緊面之間的泄漏，泄漏量大間的泄漏，泄漏量大小主要與界面間隙尺小主要與界面間隙尺寸有關(guān)。寸有關(guān)?！皦壕o面泄壓緊面泄漏漏”是密封失效的主是密

3、封失效的主要途徑。要途徑。墊片滲漏墊片滲漏壓緊面泄漏壓緊面泄漏泄漏泄漏壓緊面泄漏壓緊面泄漏墊片滲漏墊片滲漏 泄漏形式泄漏形式螺栓法蘭連接的整個(gè)工作過(guò)程：螺栓法蘭連接的整個(gè)工作過(guò)程：圖圖6-3（a）尚未預(yù)緊工況、尚未預(yù)緊工況、 （b）預(yù)緊工況、預(yù)緊工況、 （c）操作工況操作工況（a）尚未預(yù)緊工況）尚未預(yù)緊工況 將上、下法蘭壓緊面和墊片的將上、下法蘭壓緊面和墊片的 接觸處的微觀尺寸放大，表面接觸處的微觀尺寸放大，表面 是凹凸不平的，這就是流體泄是凹凸不平的，這就是流體泄 漏的通道。漏的通道。（a）尚未預(yù)緊工況尚未預(yù)緊工況密封機(jī)理圖密封機(jī)理圖（b）預(yù)緊工況（無(wú)內(nèi)壓）預(yù)緊工況（無(wú)內(nèi)壓） 擰緊螺栓，螺栓

4、力通過(guò)法蘭壓擰緊螺栓，螺栓力通過(guò)法蘭壓緊面作用到墊片上。墊片產(chǎn)生彈性緊面作用到墊片上。墊片產(chǎn)生彈性或屈服變形，填滿凹凸不平處，堵或屈服變形，填滿凹凸不平處，堵塞泄漏通道，形成初始密封條件。塞泄漏通道，形成初始密封條件。 形成初始密封條件時(shí)墊片單位面積形成初始密封條件時(shí)墊片單位面積上所需的最小壓緊力，稱為上所需的最小壓緊力，稱為“” ” ，單位為，單位為MPaMPa。在預(yù)緊工。在預(yù)緊工況下，如墊片單位面積上所受的壓況下，如墊片單位面積上所受的壓緊力小于比壓力緊力小于比壓力y y，介質(zhì)即發(fā)生泄漏。，介質(zhì)即發(fā)生泄漏。引入概念引入概念1“預(yù)緊比壓預(yù)緊比壓y”（b）預(yù)緊工況預(yù)緊工況密封機(jī)理圖密封機(jī)理圖y

5、值僅與墊片材料、值僅與墊片材料、結(jié)構(gòu)與厚度有關(guān)。結(jié)構(gòu)與厚度有關(guān)。通入介質(zhì)通入介質(zhì)壓力上升壓力上升密封比壓下降密封比壓下降導(dǎo)致導(dǎo)致墊片彈性壓縮變形部分產(chǎn)生回彈，使壓墊片彈性壓縮變形部分產(chǎn)生回彈，使壓緊面上的密封比壓力仍能維持緊面上的密封比壓力仍能維持以以保持密封性能。保持密封性能。為保證在操作狀態(tài)時(shí)法蘭的密封性為保證在操作狀態(tài)時(shí)法蘭的密封性能而必須施加在墊片上的壓應(yīng)力，能而必須施加在墊片上的壓應(yīng)力，稱為稱為。操作密封比壓往往用介質(zhì)計(jì)算壓力操作密封比壓往往用介質(zhì)計(jì)算壓力的的m倍表示，倍表示， m稱為稱為“墊片系數(shù)墊片系數(shù)”。引入概念引入概念2“操作密封比壓操作密封比壓”（c）操作工況操作工況（c）

6、操作工況操作工況 密封機(jī)理圖密封機(jī)理圖二、法蘭的結(jié)構(gòu)與分類二、法蘭的結(jié)構(gòu)與分類1、按法蘭接觸面分、按法蘭接觸面分 窄面法蘭與寬面法蘭窄面法蘭與寬面法蘭整體法蘭整體法蘭將法蘭與殼體鍛或鑄成一體或全焊透，典型的整體法蘭有一將法蘭與殼體鍛或鑄成一體或全焊透，典型的整體法蘭有一個(gè)錐形的頸脖，故又稱高（長(zhǎng)）頸法蘭。法蘭受力后會(huì)使容個(gè)錐形的頸脖，故又稱高（長(zhǎng)）頸法蘭。法蘭受力后會(huì)使容器產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。器產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。2、按法蘭與設(shè)備或管道的聯(lián)接方式劃分、按法蘭與設(shè)備或管道的聯(lián)接方式劃分圖圖6-5 整體法蘭整體法蘭整體法蘭整體法蘭整體法蘭整體法蘭松套法蘭（活套法蘭）松套法蘭（活套法蘭）法蘭不直接固定在

7、殼體上或雖然固定而不能保證法蘭法蘭不直接固定在殼體上或雖然固定而不能保證法蘭與殼體作為一個(gè)整體承受螺栓載荷的結(jié)構(gòu)。與殼體作為一個(gè)整體承受螺栓載荷的結(jié)構(gòu)。 松套法蘭松套法蘭松套法蘭松套法蘭螺紋法蘭螺紋法蘭 法蘭和管壁通過(guò)螺紋進(jìn)行連接，法蘭對(duì)管壁產(chǎn)生的附法蘭和管壁通過(guò)螺紋進(jìn)行連接，法蘭對(duì)管壁產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小。常用于高壓管道。加應(yīng)力較小。常用于高壓管道。螺紋法蘭螺紋法蘭圓形、方形和橢圓形3、按法蘭形狀分、按法蘭形狀分不同形狀的法蘭不同形狀的法蘭三、影響法蘭密封的因素三、影響法蘭密封的因素預(yù)緊力應(yīng)均勻地作用到墊片上，可采取減小螺栓直徑、預(yù)緊力應(yīng)均勻地作用到墊片上，可采取減小螺栓直徑、增加螺栓個(gè)數(shù)等措

8、施來(lái)提高密封性能。增加螺栓個(gè)數(shù)等措施來(lái)提高密封性能。預(yù)緊力不宜太大，否則使墊片整體屈服喪失回彈能力，預(yù)緊力不宜太大，否則使墊片整體屈服喪失回彈能力，甚至將墊片擠出或壓壞。甚至將墊片擠出或壓壞。適當(dāng)提高預(yù)緊力可增加墊片的密封能力，即在正常工況適當(dāng)提高預(yù)緊力可增加墊片的密封能力，即在正常工況下保留較大的接觸面比壓力。下保留較大的接觸面比壓力。預(yù)緊力使墊片壓緊實(shí)現(xiàn)初始密封。預(yù)緊力使墊片壓緊實(shí)現(xiàn)初始密封。1、螺栓預(yù)緊力、螺栓預(yù)緊力主要根據(jù)工藝條件、密封口徑以及準(zhǔn)備采用的主要根據(jù)工藝條件、密封口徑以及準(zhǔn)備采用的墊片等進(jìn)行（常用墊片等進(jìn)行（常用5 5種）選擇種）選擇u形狀和粗糙度應(yīng)與墊片相匹配形狀和粗糙度

9、應(yīng)與墊片相匹配;u使用金屬墊片時(shí)其壓緊面的質(zhì)量要求比使用非金屬墊片時(shí)高；使用金屬墊片時(shí)其壓緊面的質(zhì)量要求比使用非金屬墊片時(shí)高；u壓緊面表面不允許有刀痕和劃痕；壓緊面表面不允許有刀痕和劃痕；u應(yīng)能均勻地壓緊墊片，保證平面度和垂直度。應(yīng)能均勻地壓緊墊片，保證平面度和垂直度。壓緊面的質(zhì)量要求壓緊面的質(zhì)量要求 壓緊面的型式壓緊面的型式2、壓緊面（密封面）、壓緊面（密封面）平面型壓緊面平面型壓緊面 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便。缺點(diǎn)：是接觸面積大，需要的預(yù)緊比壓大，螺栓承載大，故缺點(diǎn)：是接觸面積大，需要的預(yù)緊比壓大，螺栓承載大，故法蘭等零件要求高、笨重，墊片易擠出，密封性能較差。使

10、法蘭等零件要求高、笨重，墊片易擠出，密封性能較差。使用壓力用壓力P2.5MPa，有毒、易燃、易爆介質(zhì)中不能使用。有毒、易燃、易爆介質(zhì)中不能使用。凹凸型壓緊面凹凸型壓緊面 由一個(gè)凹面和一個(gè)凸由一個(gè)凹面和一個(gè)凸面配合組成。墊片放面配合組成。墊片放凹面中。凹面中。優(yōu)點(diǎn)：便于對(duì)中，能優(yōu)點(diǎn)：便于對(duì)中，能防墊片擠出。防墊片擠出?？捎迷诳捎迷赑6.4MPa，DN800mm榫槽型壓緊面榫槽型壓緊面 一榫一槽密封面組成，優(yōu)點(diǎn)一榫一槽密封面組成，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)中性好，密封預(yù)緊壓力是對(duì)中性好，密封預(yù)緊壓力小，墊片不易擠出，不受介小，墊片不易擠出，不受介質(zhì)沖刷，用于易燃易爆密封質(zhì)沖刷，用于易燃易爆密封要求高處。缺點(diǎn)是更換較

11、困要求高處。缺點(diǎn)是更換較困難，榫易損壞。難，榫易損壞。注意：應(yīng)使固定在設(shè)備上的注意：應(yīng)使固定在設(shè)備上的法蘭為槽面法蘭為槽面, ,可拆下部分的法可拆下部分的法蘭為榫面。蘭為榫面。錐形壓緊面錐形壓緊面 通常用于高壓密封，通常用于高壓密封，其缺點(diǎn)是需要的尺寸其缺點(diǎn)是需要的尺寸精度和表面粗糙度要精度和表面粗糙度要求高。須與透鏡墊片求高。須與透鏡墊片配合配合, ,常用于高壓管道常用于高壓管道。 梯形槽壓緊面梯形槽壓緊面 槽底不起密封作用，是槽底不起密封作用，是槽的內(nèi)外錐面與墊片接槽的內(nèi)外錐面與墊片接觸成梯形觸成梯形, ,形成密封的，形成密封的，與橢圓或八角形截面的與橢圓或八角形截面的金屬墊圈配合。金屬墊

12、圈配合。 墊片密封面的塑性變形能力 實(shí)現(xiàn)初始密封； 墊片材料及結(jié)構(gòu)的回彈能力 提高工作狀態(tài)下的殘余密封比壓。 耐腐蝕能力。 力學(xué)性能，尤其抗高溫蠕變能力。 工作溫度下的變質(zhì)硬化或軟化性。3、墊片性能、墊片性能墊片類型：墊片類型：法蘭在外力作用下抵抗變形的能力。剛度小受力後變形大，墊片受力不均，易泄漏。法蘭受力法蘭受力：思考：法蘭將如何變形？4、法蘭剛度、法蘭剛度法蘭變形法蘭變形1:法蘭變形法蘭變形2密封失效的主密封失效的主要原因之一要原因之一提高法蘭剛度的措施：提高法蘭剛度的措施：增加法蘭厚度增加法蘭厚度；減小螺栓力作用的力臂減小螺栓力作用的力臂( (即縮小即縮小中心圓直徑中心圓直徑) )；增

13、大法蘭盤外徑增大法蘭盤外徑；螺栓數(shù)量要足螺栓數(shù)量要足夠夠。剛度不足：過(guò)大的翹曲變形剛度不足：過(guò)大的翹曲變形在壓力、介質(zhì)和溫度的聯(lián)合作用下，尤其是波動(dòng)在壓力、介質(zhì)和溫度的聯(lián)合作用下，尤其是波動(dòng)的高溫下，會(huì)嚴(yán)重影響密封性能，甚至使密封因的高溫下，會(huì)嚴(yán)重影響密封性能，甚至使密封因疲勞而完全失效。疲勞而完全失效。操作條件操作條件指壓力、溫度及介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)密封性能指壓力、溫度及介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)密封性能的影響的影響。 特特 點(diǎn)點(diǎn)高溫下，介質(zhì)粘度小，滲透性大，易泄漏；介質(zhì)高溫下，介質(zhì)粘度小，滲透性大，易泄漏；介質(zhì)對(duì)墊片和法蘭的腐蝕作用加劇，增加了泄漏的可對(duì)墊片和法蘭的腐蝕作用加劇，增加了泄漏的可

14、能性；法蘭、螺栓和墊片均會(huì)產(chǎn)生較大的高溫蠕能性；法蘭、螺栓和墊片均會(huì)產(chǎn)生較大的高溫蠕變與應(yīng)力松弛，使密封失效；某些非金屬墊片還變與應(yīng)力松弛，使密封失效；某些非金屬墊片還會(huì)加速老化、變質(zhì)，甚至燒毀。會(huì)加速老化、變質(zhì)，甚至燒毀。 原原 因因5、操作條件、操作條件四、法蘭標(biāo)準(zhǔn)及選用四、法蘭標(biāo)準(zhǔn)及選用 平焊法蘭平焊法蘭 對(duì)焊法蘭對(duì)焊法蘭 甲型甲型 壓力容器壓力容器法法 蘭蘭乙型乙型 1、壓力容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)、壓力容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)平焊法蘭平焊法蘭 焊縫形式：甲型為焊縫形式：甲型為V型坡口，乙型為型坡口，乙型為U型坡口，型坡口，因此乙型更易焊透，故其強(qiáng)度和剛度更高。因此乙型更易焊透，故其強(qiáng)度和剛度更高。比較比較

15、乙型法蘭帶有一個(gè)短筒體，因此剛性較甲型法蘭乙型法蘭帶有一個(gè)短筒體，因此剛性較甲型法蘭好，可用于壓力較高，直徑較大的場(chǎng)合；好，可用于壓力較高，直徑較大的場(chǎng)合；平焊法蘭平焊法蘭 特點(diǎn)特點(diǎn) 由于有長(zhǎng)頸，并由于有長(zhǎng)頸，并采用對(duì)焊，故剛采用對(duì)焊，故剛性更好，用于壓性更好，用于壓力更高處力更高處. . 對(duì)焊法蘭對(duì)焊法蘭 平焊與對(duì)焊平焊與對(duì)焊法蘭都有帶法蘭都有帶襯環(huán)與不帶襯環(huán)與不帶襯環(huán)兩種。襯環(huán)兩種。 注意問(wèn)題注意問(wèn)題 密封面都有密封面都有平面型、凹平面型、凹凸型、榫槽凸型、榫槽型三種。型三種。 帶襯環(huán)的甲型平焊法蘭帶襯環(huán)的甲型平焊法蘭選擇法蘭的主要參數(shù)選擇法蘭的主要參數(shù)公稱壓力（公稱壓力（PN）公稱直徑（

16、公稱直徑（DN）2、如何選用壓力容器法蘭、如何選用壓力容器法蘭公稱直徑公稱直徑 公稱直徑的確定： 管法蘭與相聯(lián)接管子的公稱直徑相同； 壓力容器法蘭 板卷筒體，與相聯(lián)接筒體的公稱直徑相同； 無(wú)縫鋼管作筒體，與相聯(lián)接無(wú)縫管的公稱直徑相同。公稱壓力公稱壓力 法蘭公稱壓力與法蘭的最大操作壓力和操作溫度法蘭公稱壓力與法蘭的最大操作壓力和操作溫度以及法蘭材料三個(gè)因素有關(guān)。以及法蘭材料三個(gè)因素有關(guān)。公稱壓力公稱壓力是以是以16Mn在在200時(shí)的最高工作壓時(shí)的最高工作壓力為依據(jù)制定的，因此當(dāng)法蘭材料和工作溫度不力為依據(jù)制定的，因此當(dāng)法蘭材料和工作溫度不同時(shí)，最大工作壓力將降低或升高。同時(shí)，最大工作壓力將降低或

17、升高。公稱壓力 PN 法蘭材質(zhì) 最大允許工作壓力 (MPa)-20200 300350 0.6 Q235-A 0.4 0.33 0.30 16MnR 0.6 0.51 0.49 15MnVR 0.65 0.63 0.63、壓力容器法蘭的標(biāo)記、壓力容器法蘭的標(biāo)記壓力容器法蘭設(shè)計(jì)步驟：壓力容器法蘭設(shè)計(jì)步驟：（1）確定DN;（2）根據(jù)法蘭材質(zhì)、工作溫度和最高工作壓力法蘭材質(zhì)、工作溫度和最高工作壓力，確定PN；（3）由PN,DN確定法蘭形式及連接尺寸、螺栓尺寸及數(shù)量。（4）根據(jù)介質(zhì)工作溫度、工作壓力確定密封面及墊 片類型；（5）確定螺栓、螺帽材質(zhì)；（6）繪制草圖。2.管法蘭管法蘭管法蘭標(biāo)準(zhǔn)管法蘭標(biāo)準(zhǔn)：

18、1）HG205922063597 鋼制管法蘭、墊片、緊固件2）GB91129123 鋼制管法蘭注：壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程推薦1）。a.板式平焊(PL)HG20592-97 管法蘭類型：管法蘭類型：c.帶頸對(duì)焊法蘭(WN)b.帶頸平焊(SO)e.承插焊(SW)h.平焊環(huán)松套板式f.翻邊松套板式f.螺紋法蘭方法蘭橢圓形法蘭i.法蘭蓋例題為一臺(tái)精流塔配一對(duì)連接塔身與封頭的法蘭。為一臺(tái)精流塔配一對(duì)連接塔身與封頭的法蘭。塔的內(nèi)徑為塔的內(nèi)徑為1000mm,操作溫度為操作溫度為280，設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)壓力為為0.2MPa。塔體材質(zhì)為塔體材質(zhì)為Q235-B。介質(zhì)無(wú)腐蝕性。介質(zhì)無(wú)腐蝕性及其他危害。及其他危害。解：1.確定