壓力容器設(shè)計(jì)

《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》第四章14.1 概述安全性（可靠性）與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，在充分保證安全的前提下，盡可能做到經(jīng)濟(jì)。4.1.1 設(shè)計(jì)要求4、壓力容器設(shè)計(jì)圖樣、技術(shù)條件、強(qiáng)度計(jì)算書，必要時(shí)還包括設(shè)計(jì)說明書、安裝使用說明書、應(yīng)力分析報(bào)告等。4.1.2 設(shè)計(jì)文件強(qiáng)度計(jì)算書的內(nèi)容：設(shè)計(jì)文件、所用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、材料與腐蝕裕量、計(jì)算厚度與名義厚度、計(jì)算應(yīng)力2技術(shù)圖樣（紙）的內(nèi)容：總圖和零件圖總圖上應(yīng)注明下列內(nèi)容：壓力容器名稱、類別設(shè)計(jì)條件使用年限主要受力零件的材料及有關(guān)要求主要特性參數(shù)(容積、換熱面積等)制造要求熱處理要求防腐蝕要求無損檢測(cè)要求耐壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)要求安全附件規(guī)格銘牌的安裝位置包裝和運(yùn)輸要求現(xiàn)場(chǎng)組焊和安裝要求34.1.3 設(shè)計(jì)條件由設(shè)計(jì)任務(wù)書提供的原始數(shù)據(jù)和工藝要求，設(shè)計(jì)條件常用設(shè)計(jì)條件圖表示。設(shè)計(jì)條件圖主要包括：設(shè)備簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)要求接管表設(shè)備簡(jiǎn)圖示意性地畫出：主要內(nèi)件形狀、部分結(jié)構(gòu)尺寸、接管位置、支座形式4介質(zhì)學(xué)名或分子式；主要成分；相對(duì)密度；危害性工作壓力；工作溫度；環(huán)境溫度壓力和溫度工作介質(zhì)操作方式與要求連續(xù)操作還是間歇操作；壓力、溫度是穩(wěn)定還是波動(dòng)；壓力、溫度的波動(dòng)范圍和波動(dòng)頻率；每年的開車、停車次數(shù)設(shè)計(jì)要求主要包括：容積、材料、腐蝕速率、設(shè)計(jì)壽命、是否帶安全附件、是否保溫其它第4章壓力容器設(shè)計(jì)5換熱器條件圖還應(yīng)注明換熱管規(guī)格、長(zhǎng)度、根數(shù)及排列方式、換熱面積與程數(shù)等塔型（板式塔或填料塔）塔板數(shù)量及間距基本風(fēng)壓地震設(shè)計(jì)烈度場(chǎng)地的地質(zhì)條件塔設(shè)備條件圖還應(yīng)注明攪拌器條件圖還應(yīng)注明攪拌漿葉形式轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向軸功率等64.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則4.2.1 壓力容器失效壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和時(shí)間內(nèi)（正常使用），因尺寸、形狀或材料性能發(fā)生改變而產(chǎn)生泄漏、過度變形或斷裂的現(xiàn)象（正常損壞），稱為壓力容器失效。壓力容器失效形式a.強(qiáng)度失效韌性斷裂——斷裂應(yīng)力接近材料強(qiáng)度極限，斷口壁厚減薄，整體鼓脹脆性斷裂——斷裂應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料強(qiáng)度極限，斷口平齊、無整體鼓脹疲勞斷裂——應(yīng)變應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料強(qiáng)度極限，一般先漏后斷裂蠕變斷裂——高溫下的理論應(yīng)力低于材料強(qiáng)度極限、壁厚減薄，整體鼓脹腐蝕斷裂——腐蝕下的理論應(yīng)力低于材料強(qiáng)度極限，壁厚減薄。第4章壓力容器設(shè)計(jì)7b.剛度失效c.失穩(wěn)失效d.泄漏失效——接頭處的密封失效失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則a.失效判據(jù)——判別是否失效的依據(jù)。b.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——根據(jù)給定的設(shè)計(jì)條件（工作狀態(tài)），確定一定的安全（不失效）程度，限制壓力容器的應(yīng)力、應(yīng)變等不能超過材料所能承受的應(yīng)力、應(yīng)變等的標(biāo)準(zhǔn)原則84.2.2 強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則只要達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，壓力容器就失效。σeqi≤

[σ]t式中：σeqi——根據(jù)壓力容器載荷的大小和性質(zhì)，由力學(xué)分析算出的壓力容器的正應(yīng)力，稱為計(jì)算應(yīng)力[σ]t——在設(shè)計(jì)溫度t下，壓力容器材料的屈服強(qiáng)度，由試驗(yàn)獲得，從材料手冊(cè)中查出，稱為許用應(yīng)力彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則適用于沿壁厚方向各處應(yīng)力相等的構(gòu)件，如內(nèi)壓薄壁圓筒。9壓力容器工作時(shí)的應(yīng)力為復(fù)雜應(yīng)力，而壓力容器通常采用韌性材料制造。根據(jù)復(fù)雜應(yīng)力強(qiáng)度理論，第一、二強(qiáng)度理論適于脆性材料，第三、四強(qiáng)度理論適于韌性材料，故第三、四強(qiáng)度理論適于壓力容器設(shè)計(jì)。因此彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可分別表達(dá)為σeqi=σ1－σ3≤

[σ]t式中：σ1>σ2>σ3σeqi=σ1≤

[σ]t第三強(qiáng)度理論，又稱為最大切應(yīng)力準(zhǔn)則第四強(qiáng)度理論，又稱為形狀改變比能準(zhǔn)則以前常用的簡(jiǎn)單算式，目前仍在廣泛沿用。第一強(qiáng)度理論，又稱為最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則10塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則只有壁厚方向各處的應(yīng)力都達(dá)到屈服強(qiáng)度（全屈服），壓力容器才失效對(duì)于厚壁壓力容器，當(dāng)內(nèi)壁處屈服時(shí)，外壁處仍為彈性狀態(tài)甚至不受力，若按彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，得到的壁厚值會(huì)很大，造成浪費(fèi)。塑性失效設(shè)計(jì)則適于厚壁壓力容器設(shè)計(jì)。塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以容器承受的介質(zhì)的壓力表示：p——設(shè)計(jì)壓力，由設(shè)計(jì)條件給定的工作壓力乘以系數(shù)算出pso——全屈服壓力，為壓力容器材料在需要的壁厚上全部達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)所對(duì)應(yīng)力的介質(zhì)的壓力nso——全屈服安全系數(shù)式中：11爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則只要達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度，壓力容器在介質(zhì)壓力作用下就爆破失效壓力容器常用韌性材料制造，其斷裂強(qiáng)度一般大于屈服強(qiáng)度，再考慮應(yīng)變硬化現(xiàn)象和較大的壁厚，斷裂強(qiáng)度要大于全屈服強(qiáng)度。按爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的厚壁壓力容器的壁厚，比按塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則較薄，更經(jīng)濟(jì)。p——設(shè)計(jì)壓力，意義同前pb——爆破壓力，為壓力容器材料達(dá)到斷裂強(qiáng)度發(fā)生爆破時(shí)所對(duì)應(yīng)的介質(zhì)壓力nb——爆破安全系數(shù)式中：12彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則疲勞失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則蠕變失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則脆性斷裂失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則剛度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則穩(wěn)定失效（失穩(wěn)）設(shè)計(jì)準(zhǔn)則泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則134.3 常規(guī)設(shè)計(jì)4.3.1 概述設(shè)計(jì)思想按彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中的最大拉應(yīng)力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——內(nèi)壓容器按穩(wěn)定失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——外壓容器采用多種修正系數(shù)——產(chǎn)生邊緣應(yīng)力的局部彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)于薄壁圓筒：經(jīng)向（軸向）應(yīng)力環(huán)向應(yīng)力，σθ=2σφ，σθ為最大主應(yīng)力σ1D——圓筒中面直徑δ——計(jì)算壁厚，是設(shè)計(jì)計(jì)算要得到的參量，前面t（壁厚）是實(shí)際厚度式中：14由σeqi=σ1≤

[σ]t得由徑比得：中徑由得：壁厚15將D、δ代入 式得：取等號(hào)得徑比k為：由得：左式稱為計(jì)算應(yīng)力或應(yīng)力強(qiáng)度σeqi，取等號(hào)以上σeqi式、k式及δ式合稱為中徑公式，適于內(nèi)壓薄壁容器16表中：最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則、最大切應(yīng)力準(zhǔn)則、形狀改變比能準(zhǔn)則三行中各式均為內(nèi)壓厚壁圓筒的公式，由表2-1（教材47頁(yè)）算出17圖中縱軸：令表4-1中的[σ]t=σs，相應(yīng)的p=psi

(psi

為內(nèi)壁初始屈服壓力)psi

/σs

的意義是代表圓筒在彈性承載內(nèi)的介質(zhì)壓力，相同的材料σs相同，psi

越大，說明彈性承載內(nèi)的介質(zhì)壓力也越大，顯然psi

/σs

就越大。k越大，在內(nèi)徑一定或外徑一定的情況下，表示壁厚越大該圖可簡(jiǎn)單理解為壁厚與介質(zhì)壓力的關(guān)系圖中橫軸：18圖4－1說明：（1）與實(shí)測(cè)的方塊曲線比較，形狀改變比能準(zhǔn)則最精確（2）在壁厚較小時(shí)，按各種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則算出的介質(zhì)壓力的差別也較小，但是在壁厚較大時(shí)，這種差別將很大。（3）在同一介質(zhì)壓力下，按最大切應(yīng)力準(zhǔn)則算出的壁厚最厚，按中徑公式算出的壁厚最薄19單層圓筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（2）對(duì)于厚壁焊接結(jié)構(gòu)，焊縫處易出缺陷、強(qiáng)度較弱（3）對(duì)于厚壁鍛造結(jié)構(gòu)，各向異性明顯，韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高（4）加工困難，需專用設(shè)備4.3.2 圓筒設(shè)計(jì)4.3.2.1結(jié)構(gòu)20多層圓筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：層板包扎圓筒：先用12~25mm鋼板卷焊成內(nèi)筒節(jié)（只有縱焊縫）、焊縫經(jīng)100%射線探傷或超聲波探傷，磨平。再用4~12mm鋼板卷成與內(nèi)筒節(jié)等長(zhǎng)的半圓筒（180°）或瓦片（<180°）。將兩個(gè)半圓筒或多個(gè)瓦片（層板）包在內(nèi)筒節(jié)上，用鋼絲繩扎緊，在接縫處點(diǎn)焊固定在內(nèi)筒節(jié)上，然后松開鋼絲繩，焊接層板縱焊縫，磨平。仿照此法逐層包扎，使達(dá)到設(shè)計(jì)要求的總壁厚。內(nèi)筒與各層板的縱焊縫應(yīng)錯(cuò)開75°，各外筒上預(yù)先鉆出安全孔，它能使層間氣體受熱后排出，也能在內(nèi)筒泄漏時(shí)排出介質(zhì)以報(bào)警。將多層筒節(jié)的兩端車出環(huán)焊縫坡口，用以焊接封頭、法蘭或?qū)悠渌鄬油补?jié)。21層板包扎圓筒的主要優(yōu)缺點(diǎn)：（1）制造工藝簡(jiǎn)單，不需要大型復(fù)雜的加工設(shè)備，因而目前應(yīng)用廣泛。（2）鋼絲繩的扎緊力和縱焊縫冷時(shí)的收縮力使各層外筒對(duì)內(nèi)筒產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)筒受內(nèi)壓時(shí)，其最大應(yīng)力值較低。（3）層板間隙具有阻止缺陷和裂紋向厚度方向擴(kuò)展的能力。（4）可根據(jù)介質(zhì)的腐蝕特性選擇內(nèi)筒材料，外筒材料不受此限制。（5）制造工序多、周期長(zhǎng)、效率低、鋼板利用率約為60%，比單層圓筒低。（6）環(huán)焊縫坡口切削工作量大，環(huán)焊縫深、焊接縫深、焊接操作難、焊接殘余應(yīng)力大，焊縫質(zhì)量較難保證。（7）深環(huán)焊縫不能采用簡(jiǎn)單的超聲探測(cè)，只能采用復(fù)雜的射線探測(cè)。22熱套圓筒用25~50mm鋼板卷焊成直徑不同的筒節(jié)，車削內(nèi)、外表面，使它們有過盈量，然后逐個(gè)熱套在一起，構(gòu)成整體的厚壁筒節(jié)。冷卻收縮后，各外筒對(duì)內(nèi)筒產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。整體筒節(jié)的兩端車削坡口，焊接封頭或?qū)噶硪煌补?jié)等與層板包扎圓筒一樣。對(duì)于大直徑圓筒，無法車削內(nèi)、外表面，這時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制卷焊精度，不留過盈量，以便于熱套組裝。為了提高各層筒節(jié)的接觸面積，需采用整體熱處理。熱套圓筒的端面加工與層板包扎圓筒相同。熱套圓筒的主要優(yōu)缺點(diǎn)：1、采用厚鋼板，一般不超過5層，故生產(chǎn)周期短、工時(shí)省。2、其它優(yōu)缺點(diǎn)與層板包扎圓筒相同。23繞板圓筒與層板包扎圓筒相似，先卷焊成內(nèi)筒，檢測(cè)焊縫，將內(nèi)、外表面及端面加工。然后用寬度與內(nèi)筒等長(zhǎng)的3~5mm薄鋼板連續(xù)纏繞在圓筒上，一直纏到所需厚度為止，纏繞時(shí)保持一定的預(yù)緊力。繞板的起端和內(nèi)筒相焊，末端和外層繞板相焊。為使起端和末端平滑，起端需磨成楔型端頭，末端需對(duì)接楔型端頭——先將末端和楔型端頭點(diǎn)焊固定，再焊對(duì)接焊縫。最外層像層板包扎圓筒那樣包裹半圓筒或瓦片，然后焊好縱焊縫。繞板圓筒的端面加工與層板包扎圓筒相同。繞板圓筒的主要優(yōu)缺點(diǎn)：1、材料利用率高，可達(dá)90%以上。2、連續(xù)纏繞，生產(chǎn)周期短，繞板工作量約為層板包扎工作量的1/20。3、機(jī)械化程度高，適于大批量生產(chǎn)，適于直徑大、長(zhǎng)度短的圓筒。4、鋼板卷制后往往中間厚、兩邊薄，纏繞多層后筒節(jié)兩端層間有間 隙，降低端部強(qiáng)度。5、其它缺點(diǎn)同層板包扎圓筒。2425整體層板包扎式幾個(gè)內(nèi)筒的筒節(jié)對(duì)焊，兩端再與法蘭或封頭對(duì)焊，然后整體用層板包扎、焊接。這與層板包扎式的主要區(qū)別是沒有了深環(huán)焊縫，各層環(huán)焊縫相互錯(cuò)開，因此強(qiáng)度大大提高。26繞帶圓筒繞帶圓筒的內(nèi)筒、封頭及法蘭等焊制成一個(gè)整體，這與整體層板包扎圓筒一樣。a.型槽鋼帶式——國(guó)內(nèi)已不再采用b.扁平鋼帶式——傾角錯(cuò)繞扁平鋼帶式用4~16mm厚、80~160mm寬的扁平鋼帶纏繞，多條扁平鋼的起端與內(nèi)筒端部焊牢，按多頭螺紋呈螺旋狀（傾角）纏繞，各條鋼帶的末端與內(nèi)筒的另一端焊牢。相鄰兩層鋼帶的螺旋方向應(yīng)相反（錯(cuò)繞）。鋼帶層數(shù)一般取偶數(shù)，以避免筒壁產(chǎn)生附加扭矩。27扁平鋼帶式繞帶圓筒的主要優(yōu)缺點(diǎn)：（1）帶層與帶間的間隙構(gòu)成自然通氣網(wǎng)，內(nèi)筒泄漏時(shí)可滲出介質(zhì)報(bào)警。（2）繞帶的升角（螺旋角的余角）β=26°～31°，β對(duì)圓筒承受軸向、環(huán)向應(yīng)力的分配非常敏感，需精確設(shè)計(jì)。2829強(qiáng)度設(shè)計(jì)——確定壁厚δ4.3.3.2內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度設(shè)計(jì)單層圓筒設(shè)計(jì)式：適于δ/D≤0.1即k≤1.2的薄壁容器該式由（4-12）式 而來式中：δ——計(jì)算壁厚，mmpc——計(jì)算壓力，MPaDi——圓筒內(nèi)徑，稱為公稱直徑，mm[σ]t——在設(shè)計(jì)溫度t下材料的許用應(yīng)力，MPa，查表φ——焊縫系數(shù)，φ≤1.0，查表，[σ]tφ的意義是考慮焊縫強(qiáng)度一般小于母材強(qiáng)度，故許用應(yīng)力降低。30校核式：適于δ/D≤1.0，即k≤1.2的薄壁容器該式由設(shè)計(jì)式而來：，將式中δ換成δe，pc換成[pw]即成c1——鋼板或鋼管的壁厚負(fù)偏差，mm，取正值，實(shí)際中可能c1=0c2——腐蝕裕量，mm，取正值，實(shí)際中可能c2=0式中：式中：[pw]——最大允許工作內(nèi)壓，MPaδe——有效壁厚，mmδe=δn

－cc——壁厚附加量，mmc=c1+c231δn——名義壁厚，mm，δn=δd+c1+Δ，δn應(yīng)標(biāo)注在設(shè)計(jì)圖樣上式中：δd——設(shè)計(jì)壁厚，mm，δd=δ+c2，δ、c2意義如前Δ——鋼板或鋼管壁厚向上圓整到鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的圓整值，一般Δ<1，有時(shí)Δ<2聯(lián)立：δe=δn-c

δn=δd+c1+Δ

δd=δ+c2 c=c1+c2得：δe=δ+Δ，或δe=δn-c32附：最小壁厚δmin：用設(shè)計(jì)式算出的計(jì)算壁厚δ有時(shí)很小，過小的壁厚剛度很小，無法吊裝，因此要限制壁厚不能過小，即要求大于最小壁厚。δmin=3mm——碳素鋼或低合金鋼（不包括腐蝕裕量c2)2mm——高合金鋼（不包括腐蝕裕量）加工減薄量c3：小直徑的圓筒在卷制加工時(shí)壁厚會(huì)減薄，因此有時(shí)要計(jì)入c3，c3由查表確定。33單層厚壁圓筒 徑比k≤1.5，即pc≤0.4[σ]tφ時(shí)，以上設(shè)計(jì)式和校核式仍然適用。pc>0.4[σ]tφ時(shí)，應(yīng)采用塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：δ=Ri(k－1)=Ri(ea－1)式中：nso——全屈服安全系數(shù)，nso=2.0~2.2pc——計(jì)算壓力（書上為設(shè)計(jì)壓力p不對(duì)）爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：δ=Ri(eb－1)式中：nb——爆破安全系數(shù)，nb=2.5~3.034多層厚壁圓筒如前所述，各層外筒對(duì)內(nèi)筒產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，使圓筒在內(nèi)壓作用下沿壁厚方向的應(yīng)力趨于均勻。但是由于預(yù)壓應(yīng)力的大小不好控制，故設(shè)計(jì)時(shí)往往偏于安全不預(yù)考慮，只有超高壓時(shí)才考慮。設(shè)計(jì)式：校核式：適于k≤1.5，即pc≤0.4[σ]tφ的多層厚壁圓筒式中Σ——組合許用應(yīng)力，MPa，式中：δi、δo——依次為內(nèi)筒名義厚度、多層外筒總厚度，mm[δi]t、[σo]t——依次為設(shè)計(jì)溫度下內(nèi)筒和多層外筒的材料的許用應(yīng)力，MPaφi、φo——依次為內(nèi)筒和外筒的焊縫系數(shù)，φi、φo≤1δn——內(nèi)、外筒合計(jì)名義厚度，δn=δ+c+Δ35熱效應(yīng)的影響：如前所述，在高溫下工作的容器會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。但是高溫容器通常采用保溫措施和控制加熱與冷卻速度，因此熱應(yīng)力相對(duì)很小。故常規(guī)設(shè)計(jì)不考慮熱應(yīng)力。4.3.2.3設(shè)計(jì)參數(shù)的確定設(shè)計(jì)壓力p容器工作時(shí)，由于操作參數(shù)（如溫度、給、排料量等）的波動(dòng)，其內(nèi)部壓力也相應(yīng)波動(dòng)，即使操作參數(shù)不變，由于介質(zhì)的流態(tài)和形態(tài)不同，容器內(nèi)不同部位的壓力也不相同。與容器強(qiáng)度有關(guān)的是最高工作壓力。由于壓力表通常裝在容器的頂部，因此規(guī)定在正常操作情況下，容器頂部可能出現(xiàn)的最高工作壓力稱為工作壓力、以pw表示。第4章壓力容器設(shè)計(jì)36用于計(jì)算、確定容器壁厚的壓力，對(duì)于氣體介質(zhì)，pc=p，對(duì)于液體介質(zhì)，pc=p+pH,pH為液體靜壓力設(shè)計(jì)壓力p用于設(shè)計(jì)壓力容器的壓力，規(guī)定p≤pw。設(shè)計(jì)壓力應(yīng)標(biāo)注在壓力容器的銘牌上。裝有安全閥的壓力容器，安全閥的開啟壓力不得高于設(shè)計(jì)壓力p裝有爆破片的壓力容器，爆破片的爆破壓力不得高于設(shè)計(jì)壓力p計(jì)算壓力pc設(shè)計(jì)溫度t在正常操作條件下，容器內(nèi)物料的溫度工作溫度tw容器的金屬元件在壁厚上的平均溫度用于設(shè)計(jì)壓力容器的溫度，規(guī)定：

t≥tj——當(dāng)tj>0℃

t≤tj——當(dāng)tj<0℃設(shè)計(jì)溫度應(yīng)標(biāo)注在壓力容器的銘牌上。金屬溫度tj設(shè)計(jì)溫度t37壓力與溫度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，相互關(guān)聯(lián)。當(dāng)壓力容器具有不同的操作工況時(shí)，應(yīng)按最苛刻的工況確定設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度，而不能按各種工況分別確定最苛刻的設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度。厚度及厚度附加量38c2≥1mm——碳素鋼或低合金鋼均勻腐蝕c2=0——不銹鋼或無（輕）腐蝕介質(zhì)c2=無意義——對(duì)于非均勻腐蝕，應(yīng)選擇防腐蝕材料注：對(duì)于20R、16MnR、16MnDR等鋼板，若板厚大于5mm，c1=0腐蝕裕量c2：39焊縫系數(shù)φ0.80局部0.85局部0.9100%單面焊對(duì)接接頭(沿焊縫根部全長(zhǎng)有緊貼基本金屬的墊板)1.0100%雙面焊對(duì)接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全熔透對(duì)接接頭φ值無損檢測(cè)比例焊接接頭形式φ值無損檢測(cè)比例焊接接頭形式表4－3 鋼制壓力容器的焊接接頭系數(shù)φ值40許用應(yīng)力[σ]t——設(shè)計(jì)溫度t下的許用應(yīng)力注：①本表對(duì)螺栓材料不適用41在表4-4中：σb、σs、σ0.2——依次為常溫下材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和條件屈服強(qiáng)度——中、高碳鋼受拉伸產(chǎn)生0.2%塑性變形量時(shí)的應(yīng)力，MPaσst、σDt、σnt

——依次為設(shè)計(jì)溫度t下材料的屈服強(qiáng)度、條件屈服強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，MPa各分母——分別為與分子相應(yīng)的安全系數(shù)說明：以上各強(qiáng)度值是用一定直徑的材料試棒經(jīng)試驗(yàn)得到的，當(dāng)容器壁厚大于試棒直徑時(shí)，各強(qiáng)度值應(yīng)適當(dāng)減小，大的越多，減小的也應(yīng)越多。安全系數(shù)的意義：保證受載元件的強(qiáng)度有足夠的安全儲(chǔ)備量，起保險(xiǎn)作用。安全系數(shù)的影響因素：應(yīng)力計(jì)算的精確性，材料性能的均勻性，載荷的確切程度，制造質(zhì)量和精確性，質(zhì)量檢驗(yàn)水平，使用管理水平。42立式內(nèi)壓圓筒的內(nèi)徑Di=1000mm，高度H=3000mm，盛裝液體介質(zhì)，介質(zhì)密度ρ=1000kg/m3，設(shè)計(jì)壓力p=0.4MPa，設(shè)計(jì)溫度t=70℃，材料為16MnR，焊縫系數(shù)φ=0.85，腐蝕裕量c2=2mm，許用應(yīng)力[σ]t=170MPa（板厚為6~16mm時(shí)），或[σ]t=163MPa（板厚為16~36mm時(shí)）。試求該圓筒的壁厚。解：（1）確定計(jì)算壓力：液體靜壓力：例4－1pc=p+pH=0.4+0.03=0.43MPa43(2)確定壁厚：假設(shè)δ=6~16mm，則許用應(yīng)力[σ]t=170MPa 計(jì)算壁厚： 設(shè)計(jì)壁厚：δd=δ+c2=1.49+2=3.49mm16Mn鋼板負(fù)偏差c1=0，則： 名義壁厚：δn=δd+c1+Δ=3.49+0+0.51=4mm低合金鋼板不包括腐蝕裕量的最小壁厚δmin=3mm，則：

δn=δmin+c2=3+2=5mm標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格中沒有5mm厚的鋼板，故確定：

δn=6mm(3)檢查：δn=6mm時(shí)，[σ]t沒有變化，說明前面假設(shè)成功，若不成功，例如確定的δn=18，則[σ]t=163MPa，應(yīng)按此重新計(jì)算。444.3.2.4外壓圓筒設(shè)計(jì)由殼體穩(wěn)定性分析可知，為計(jì)算筒體的許用外壓力，首先必須假設(shè)圓筒的名義厚度δn，計(jì)算有效厚度δe，求出臨界長(zhǎng)度Lcr，將圓筒的外壓計(jì)算長(zhǎng)度L與Lcr進(jìn)行比較，判斷圓筒屬于長(zhǎng)圓筒還是短圓筒；然后根據(jù)圓筒類型，選用相應(yīng)公式計(jì)算臨界壓力pcr；再選取合適的穩(wěn)定性安全系數(shù)m，計(jì)算許用外壓 ，比較設(shè)計(jì)壓力p和[p]的大小。若p小于等于[p]且較為接近，則假設(shè)的名義厚度δn符合要求；否則應(yīng)重新假設(shè)δn，重復(fù)以上步驟，直到滿足要求為止。上述過程即為用解析法求取外壓容器許用壓力的設(shè)計(jì)步驟，是一個(gè)反復(fù)試算的過程，因而比較繁瑣。為避免解析法設(shè)計(jì)的不足，各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范均推薦采用圖算法。45464748495051525354工程設(shè)計(jì)方法工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)Do／δe值大?。畬⑼鈮簣A筒劃分為厚壁圓筒和薄壁圓筒。薄壁圓筒的外壓計(jì)算僅考慮失穩(wěn)問題，而厚壁圓筒則要同時(shí)考慮失穩(wěn)和強(qiáng)度失效。關(guān)于厚壁圓筒和薄壁圓筒的界限，GB150按D0/δe=20作為界限進(jìn)行劃分，即D0/δe<20時(shí)為厚壁圓筒，D0/δe≥20時(shí)為薄壁圓筒；而ASMEⅧ-1和日本等國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)則以D0/δe=10為界限。下面按GB150的規(guī)定介紹外壓圓筒的圖算法設(shè)計(jì)步驟。55565758外壓圓筒設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定a.設(shè)計(jì)壓力p同時(shí)承受內(nèi)、外壓的容器：p=p外－p內(nèi)=Δp>0裝有真空泄放閥的真空容器：未裝真空泄放閥的真空容器：p=0.1MPa帶夾套的容器：p=(p外)max–(p內(nèi))minb.穩(wěn)定性安全系數(shù)mm的意義——修正下列缺陷對(duì)容器穩(wěn)定性的降低：幾何形狀和尺寸偏差，材料性能不均勻性等m的取值——m=3.0（圓筒）

m=14.52（球殼）59c.計(jì)算長(zhǎng)度L60計(jì)算長(zhǎng)度L——圓筒外部或內(nèi)部在軸向的兩相鄰剛性構(gòu)件之間的最大距離，mm剛性構(gòu)件——足以對(duì)圓筒失穩(wěn)產(chǎn)生制約作用的構(gòu)件，如封頭、法蘭和加強(qiáng)圈等。圖a、圖f：橢圓封頭或碟形封頭的直邊段和1/3曲邊段應(yīng)計(jì)入L圖b：無折邊錐形封頭在焊縫處有足夠的慣性矩，不易失穩(wěn)，L至焊縫為止。若錐形封頭帶折邊，直邊段應(yīng)計(jì)入L圖c：兩端的圓筒本身可能失穩(wěn)，不能制約中間錐形節(jié)段失穩(wěn)，L應(yīng)為兩個(gè)加強(qiáng)圈的距離。圖d：帶夾套的圓筒，L的一端計(jì)入橢圓封頭的直邊段和1/3曲邊段，另一端的夾套端頭。圖e：帶加強(qiáng)圈的圓筒，L應(yīng)為兩個(gè)加強(qiáng)圈的距離61加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算a.加強(qiáng)圈的間距加強(qiáng)圈的間距應(yīng)使長(zhǎng)圓筒轉(zhuǎn)化成短圓筒，否則無實(shí)際作用?？梢姰?dāng)E、D0、m、pc一定時(shí)，減小加強(qiáng)圈間距，可減小壁厚δeb.加強(qiáng)圈的截面尺寸加強(qiáng)圈的受力情況：1個(gè)加強(qiáng)圈及其兩側(cè)的一段圓筒稱為組合段。62組合段長(zhǎng)度稱為有效長(zhǎng)度，見圖中Ls/2+Ls/2=Ls。外壓載荷是由長(zhǎng)度為L(zhǎng)s的組合段承擔(dān)。為避免失穩(wěn)，組合段的慣性矩不能小于所需要的某個(gè)值，稱為穩(wěn)定慣性矩I：63D0、δe——圓筒的外徑與有效壁厚，mm，已知量；Ls——兩個(gè)相鄰加強(qiáng)圈的間距，mm，按Ls≤Lmax確定；As——單個(gè)加強(qiáng)圈的截面積，mm2，未知量；A——系數(shù)，其意義同前，未知量，A不能由圖4-6直接查到，因?yàn)長(zhǎng)/D0中的L此時(shí)不是圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度，而是組合段的計(jì)算長(zhǎng)度——是未知量。為此引用系數(shù)B：式中：64pc——計(jì)算壓力，MPa，已知量；D0、δe、Ls——意義同前，已知量；As——意義同前，未知量。為算出B值，須按型鋼規(guī)格系列選擇其中一種作為初選加強(qiáng)圈，算出或查出其As，則可算出B值。式中：據(jù)B值查圖4-7~4-9得相應(yīng)A值。將A、As和其它量代入前面I=……式即可算出組合段的穩(wěn)定慣性矩I。再算出初選加強(qiáng)圈由材料力學(xué)中的有關(guān)公式算出再用材料力學(xué)中的有關(guān)公式算出含初選加強(qiáng)圈的組合段的慣性矩Is——稱為實(shí)際慣性矩。Is的計(jì)算參照下圖進(jìn)行：65圖中：x1－x1為加強(qiáng)圈截面的中性軸x2－x２為有效段圓筒截面的中性軸x－x為組合段截面的中性軸比較Ｉ與Ｉs的大小，若Ｉs≈≥Ｉ，說明初選加強(qiáng)圈合適，否則應(yīng)重復(fù)上述計(jì)算，直到合適為止。66c.加強(qiáng)圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用扁鋼、角鋼、工字鋼、Ｔ形鋼等抗彎截面模量較大的型鋼。常焊在圓筒外面，并采用碳素鋼。為減少焊接變形，在保證焊接強(qiáng)度的前提下，常采用雙面間斷焊。67對(duì)于外加強(qiáng)圈，單側(cè)焊縫總長(zhǎng)應(yīng)大于圓筒外周長(zhǎng)的1/2；對(duì)于內(nèi)加強(qiáng)圈，應(yīng)大于圓筒內(nèi)周長(zhǎng)的1/3。加強(qiáng)圈應(yīng)整周連續(xù)，若確需開孔或切口時(shí)，削弱的弧長(zhǎng)應(yīng)小于圖4-14所給定的值。68694.3.3封頭設(shè)計(jì)4.3.3.1凸形封頭70半球形封頭a.受內(nèi)壓的半球形封頭受力特點(diǎn)：薄膜應(yīng)力為同直徑圓筒的一半，是理想的結(jié)構(gòu)形式制造特點(diǎn)：直徑小、深度大時(shí)沖擊成型困難；大型半球形封頭采用分瓣沖擊再組焊工藝，焊接工作量大使用特點(diǎn)：常用于高壓容器

pc≤0.6[σ]tφ，相當(dāng)于k≤1.3371b.受外壓的半球形封頭（1）初設(shè)名義厚度δn,算出δe=δn-c（2）算出系數(shù)A，（3）選定材料，由壁厚計(jì)算圖據(jù)A查得系數(shù)B（4）計(jì)算許用外壓力[p]，

若A值位于曲線左邊，查不到系數(shù)B，則：（5）比較[p]與計(jì)算壓力pc（已知），若[p]≥pc，說明初設(shè)合理，否則應(yīng)重復(fù)上述步驟，直到合適為止。設(shè)計(jì)方法：廣泛采用圖算法設(shè)計(jì)程序：72橢圓形封頭a.受內(nèi)壓的橢圓形封頭結(jié)構(gòu)與受力特點(diǎn)：直邊段可使封頭與圓筒在焊縫附近的經(jīng)向曲率變化平緩，能改善焊縫的受力狀況。橢球部分經(jīng)向曲率變化平緩，應(yīng)力分布比較均勻。制造特點(diǎn)：在直徑相同時(shí)，深度比半球形封頭小，因而容易沖壓成型。使用特點(diǎn)：廣泛用于中、低壓容器73式中：k——形狀系數(shù)，與長(zhǎng)、短軸之比 有關(guān)：其余符號(hào)意義同前計(jì)算壁厚：74最小壁厚：受內(nèi)壓的橢圓形封頭的變形趨勢(shì)為球形，因而在赤道處將產(chǎn)生環(huán)向壓應(yīng)力，有可能出現(xiàn)折皺（失穩(wěn)），為此須限制壁厚不能小于最小壁厚。GB150規(guī)定：

δe≥Di×0.15%——標(biāo)準(zhǔn)封頭

δe≥Di×0.30%——非標(biāo)準(zhǔn)封頭校核計(jì)算：75b.受外壓的橢圓封頭設(shè)計(jì)、校核方法及程序與受外壓的半球形封頭相同，但是各算式中的球面外半徑R0須用當(dāng)量球面外半徑k1D0代替。k1為系數(shù)，取決于長(zhǎng)短軸比值D0/(2h0)，he=hi+δn,表4－5 系數(shù)K10.500.570.650.730.810.900.991.081.18K11.01.21.41.61.82.02.22.42.6Do/2ho76碟形封頭a.受內(nèi)壓的碟形封頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由球面殼、過渡區(qū)和短圓筒三部分組成，存在兩個(gè)曲率突變區(qū)。受力特點(diǎn)：在兩個(gè)曲率突變區(qū)存在較大的邊緣彎曲應(yīng)力，其疊加應(yīng)力遠(yuǎn)大于只受薄膜應(yīng)力的其它部位。制造特點(diǎn)：封頭較淺，便于沖擊成型。使用特點(diǎn)：廣泛用于中、低壓容器77計(jì)算壁厚：式中：M——形狀系數(shù)，其余符號(hào)意義同前校核計(jì)算：最小壁厚：意義及規(guī)定見橢圓形封頭過渡區(qū)最小半徑與球面殼最大半徑：與限制最小壁厚的意義相似，GB150規(guī)定：

非標(biāo)準(zhǔn)封頭：r≥0.1Di；且r≥3δn；且Ri≤Di（此處書上有誤） 標(biāo)準(zhǔn)封頭：r=0.17Di，Ri

=0.9Di78b.受外壓的碟形封頭設(shè)計(jì)、校核方法及程序與受外壓的半球形封頭相同，各算式中的球面外半徑R0須用球面殼的外半徑R0′代替。球冠形封頭受力特點(diǎn)：封頭與圓筒在連接處曲率變化較大，因而存在很大的邊緣應(yīng)力。制造特點(diǎn)：是最淺的凸形封頭，便于沖壓成型。應(yīng)用特點(diǎn)：常用作容器中兩獨(dú)立受壓室的中間封頭，也可用作端部封頭。設(shè)計(jì)計(jì)算：參見GB150－1998《鋼制壓力容器》794.3.3.2錐殼受力與應(yīng)用：結(jié)構(gòu)不連續(xù)，受力不理想。但軸剖面收縮，有利于固體顆粒、懸浮液或粘稠液的收集排放，普遍用于類似介質(zhì)的中低壓容器。80圖a：半錐角（斜角）α≤30°圖b：α≤45°，大端過渡區(qū)圓角半徑r≥0.1Di，且r≥3δ圖c：α>45°大端過渡區(qū)圓角半徑r≥0.1Di，且r≥3δ小端過渡區(qū)圓角半徑rs≥0.05Dis，且r≥3δr受內(nèi)壓無折邊錐殼a.錐殼厚度按薄膜應(yīng)力計(jì)算： 式中：Di——無折邊錐殼的大端內(nèi)徑，mm；

α——半錐角（°）； 其余符號(hào)同前。81b.考慮邊緣應(yīng)力在錐殼的大、小端處常存在邊緣應(yīng)力，邊緣應(yīng)力的大小與pc/（[σ]tφ）及α有關(guān)，由此可查閱圖4-19:若坐標(biāo)點(diǎn)位于曲線上方，說明邊緣應(yīng)力很小，錐殼厚度可按前面算出的δ確定；若坐標(biāo)點(diǎn)位于曲線下方，說明邊緣應(yīng)力較大，不能忽略，則應(yīng)分別計(jì)算錐殼大、小端的壁厚——也是與大、小端焊接的圓筒的厚度。82c.大端壁厚式中：Q——邊緣應(yīng)力系數(shù)，由圖4－20查得，其余符號(hào)同前。83d.大端及其焊接圓筒的加強(qiáng)段長(zhǎng)度因δr>δ，故將大端及其焊接圓筒在連接處（壁厚為δr）的一段稱為加強(qiáng)段，見圖4－20中的結(jié)構(gòu)圖。大端加強(qiáng)段長(zhǎng)度圓筒加強(qiáng)段長(zhǎng)度e.小端壁厚與加強(qiáng)段長(zhǎng)度——設(shè)計(jì)過程與大端相似，略錐殼的軸向高度一般較小，設(shè)加強(qiáng)段帶來的節(jié)省材料費(fèi)用尚不抵多一條環(huán)向焊縫帶來的增加制造費(fèi)用，因此常取加強(qiáng)段厚度作為整個(gè)錐殼的厚度。84受外壓錐殼受外壓錐殼的臨界壓力計(jì)算非常復(fù)雜，工程上采用簡(jiǎn)化方法：若半錐角α≤60°，按等效圓筒計(jì)算；若α>60°，按平蓋計(jì)算。α≤60°受外壓錐殼的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）根據(jù)已經(jīng)確定的錐殼的結(jié)構(gòu)形式查有關(guān)圖表（書上未給出）找到等效圓筒長(zhǎng)度（稱為當(dāng)量長(zhǎng)度Le）的計(jì)算公式，并根據(jù)已經(jīng)確定的錐殼的結(jié)構(gòu)尺寸（包括大端直徑DL）計(jì)算Le。（2）初設(shè)錐殼的名義厚度δn，按δe′=（δn－c）cosα算出錐殼的有效厚度δe′。（3）按前述外壓圓筒圖算法校核——注意用Le/DL代替L/D0，用DL/δe′代替D0/δe。受內(nèi)壓折邊錐殼——設(shè)計(jì)過程與受內(nèi)壓無折邊錐殼相似，略854.3.3.3平蓋平蓋厚度計(jì)算從圓平板應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，分為周邊固支和周邊簡(jiǎn)支。實(shí)際中平蓋與圓筒既非固支也非簡(jiǎn)支，而是介于二者之間。工程上引入結(jié)構(gòu)特征系數(shù)k，k越小越接近固支，越大越接近簡(jiǎn)支。868788表中：w——螺栓的設(shè)計(jì)載荷，N；

pc——計(jì)算壓力，MPa; L——非圓形平蓋螺栓中心連線的周長(zhǎng)，mm；

a——非圓形平蓋短軸長(zhǎng)度（徑向），mm，書上為α有誤89圓形平蓋厚度式中：δp——平蓋計(jì)算厚度，mm，見表4－8；

k——結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，查表4－8計(jì)算，表4－8序號(hào)6、7中 取較大k值；

Dc——平蓋計(jì)算直徑，mm，見表4－8。非圓形平蓋厚度非圓形有橢圓形、長(zhǎng)圓形、矩形、正方形等。式中：Z——非圓形平蓋的形狀系數(shù)， 表4－8序號(hào)6、7，Z=0

表4－8序號(hào)3、4， ，且Z≤2.5 a、b——分別為非圓形平蓋的短軸和長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度，mm904.3.4密封裝置設(shè)計(jì)密封分為靜密封和動(dòng)密封，靜密封包括法蘭密封、螺紋密封和承插密封等，這些密封裝置兼有連接功能，因此又分別稱為靜連接、法蘭連接、螺紋連接和承插連接。它們都屬于可拆卸連接，其中法蘭連接密封裝置最為常用。法蘭裝置的結(jié)構(gòu)組成見右圖：914.3.4.1密封機(jī)理及分類法蘭裝置的主要失效形式是泄漏，密封的目的是防止泄漏。介質(zhì)泄漏主要有兩種形式：墊片滲透泄漏與界面鉆隙泄漏。密封機(jī)理墊片滲漏機(jī)理：界面鉆漏機(jī)理：墊片常用非金屬、有色金屬或軟鋼等軟彈性材料制造，在高壓或高溫高壓下介質(zhì)能滲過墊片中的孔隙而泄漏。界面又稱為密封面，是兩個(gè)法蘭與墊片接觸的表面。密封面凸凹不平，有壓介質(zhì)能鉆過間隙而泄漏。92使墊片表面與法蘭密封面完全貼合、消除間隙而必須的最小壓應(yīng)力，以y(MPa)表示，表4－9中稱為比壓力。預(yù)緊比壓：預(yù)緊螺栓組后，墊片被兩法蘭夾緊所得到的壓應(yīng)力操作比壓：最小操作比壓：操作時(shí)介質(zhì)的壓力使兩法蘭有松開的趨勢(shì)，使墊片的預(yù)緊比壓變小。墊片在螺栓預(yù)緊力和介質(zhì)壓力共同作用所得到的壓應(yīng)力稱為操作比壓。操作時(shí)不發(fā)生介質(zhì)泄漏的墊片的最小壓應(yīng)力，以2mpc(MPa)表示，pc為介質(zhì)壓力，m稱為墊片系數(shù)，無因次最小預(yù)緊比壓：93密封分類按墊片獲得比壓的方法不同，分為強(qiáng)制式密封和自緊式密封。前者的密封機(jī)理如前所述，墊片達(dá)到密封操作比壓，螺栓預(yù)緊力約為介質(zhì)松開力的1.1~1.6倍；后者的密封機(jī)理是采用壓脹式結(jié)構(gòu)的墊片，如家用高壓鍋，螺栓預(yù)緊力約為介質(zhì)松開力的0.2倍。按介質(zhì)壓力的不同，分為中低壓密封和高壓密封。前者屬于強(qiáng)制式密封，后者包括結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的強(qiáng)制式密封（采用金屬墊片和窄密封面）和自緊式密封。944.3.4.2影響密封性能的主要因素螺栓預(yù)緊力：墊片性能預(yù)緊力越大，密封性能越好，但須防止墊片屈服而喪失回彈力，擠出或壓壞墊片。要求預(yù)緊力沿法蘭周向均勻，即增加螺栓個(gè)數(shù)，同時(shí)減小螺栓直徑。變形能力——受比壓作用后能消除密封面間隙回彈能力——在密封操作比壓作用下，能適應(yīng)操作壓力和溫度的波動(dòng)?？紫抖取行|片孔隙度較大，如石棉，孔隙度較小的墊片不易發(fā)生滲漏。耐腐蝕、耐老化能力——墊片與介質(zhì)接觸，對(duì)于腐蝕性、高溫高壓介質(zhì)需有這一要求。9596續(xù)前表97密封質(zhì)量法蘭密封面的形狀和粗糙度應(yīng)與墊片相匹配，一般金屬墊片對(duì)密封面質(zhì)量要求較高，非金屬墊片要求較低。低壓密封面上常車出環(huán)槽，可防止非金屬墊片徑向滑移。中、高壓密封面要求平整光潔，它們都不允許有徑向劃痕。法蘭剛度法蘭剛度不足（或屈服強(qiáng)度不足）是造成密封失效的主要原因之一，法蘭的翻轉(zhuǎn)力矩導(dǎo)致法蘭和圓筒變形見圖4－24：提高法蘭剛度的措施：⑴增加法蘭厚度⑵減小螺栓中心圓直徑⑶增加法蘭頸部壁厚工接管壁厚98操作條件在高溫下介質(zhì)的粘度變小，同時(shí)高壓下易泄漏，強(qiáng)腐蝕介質(zhì)會(huì)使墊片損壞、老化、變質(zhì)等。4.3.4.3法蘭裝置設(shè)計(jì)密封設(shè)計(jì)法蘭裝置的密封設(shè)計(jì)包括法蘭剛度設(shè)計(jì)、法蘭密封面選擇、墊片選擇和螺栓設(shè)計(jì)。其中剛度設(shè)計(jì)是通過選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭中的合適規(guī)格來間接完成。99a.法蘭密封面的選擇a——全平面；b——突面；c——凹凸面；d——榫槽面；e——環(huán)形面按墊片周邊是否受約束，a、b也稱為無約束密封，墊片在介質(zhì)壓力作用下容易徑向滑移，適于低壓密封；c也稱為半約束密封，適下內(nèi)壓密封；d、e也稱為有約束密封，適于溫度和壓力有波動(dòng)、要求密封性能較高的內(nèi)、外壓密封。100b.墊片的選擇101102103104說明：墊片結(jié)構(gòu)中的纏繞墊、金屬包墊和柔性石墨復(fù)合墊是常用的組合式墊片。纏繞墊由金屬薄帶與石棉帶（或聚四氟乙烯帶，或柔性石墨帶）相間纏繞而成，具有多道密封作用；金屬包墊是在石棉（或其它非金屬材料）外包上金屬板皮而成；柔性石墨復(fù)合墊是由沖齒金屬芯板與柔性石墨粒子復(fù)合而成。105c.螺栓設(shè)計(jì)⑴螺栓載荷墊片達(dá)到最小預(yù)緊比壓時(shí)對(duì)應(yīng)的螺栓載荷：wa=πDGby墊片達(dá)到最小操作比壓時(shí)對(duì)應(yīng)的螺栓載荷：式中：b——墊片的有效密封寬度，mm b≤6.4mm時(shí)，b=b0 b>6.4mm時(shí)，b=2.53 b0——墊片的基本密封寬度，見表4－11106107108109DG——墊片壓應(yīng)力作用中心圓直徑，mm b0≤6.4mm時(shí)，DG=墊片環(huán)形接觸面的平均直徑；

b0>6.4mm時(shí)，DG=墊片環(huán)形接觸面外徑

－2by、m——墊片最小操作比壓和墊片系數(shù)，見表4－9pc——計(jì)算壓力，MPampc為墊片密封操作比壓，MPa ——介質(zhì)松開力，N2mpc——密封操作比壓，MPa式中：110⑵螺栓直徑與個(gè)數(shù)最小預(yù)緊比壓時(shí)的螺栓截面積：最小操作比壓時(shí)的螺栓截面積：密封需要的螺栓直徑和個(gè)數(shù)：式中：[σ]b——常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力，MPa——設(shè)計(jì)溫度下螺栓材料的許用應(yīng)力，MPaAmax——Aa與Ap中較大值，mm2d0——螺栓小徑，mmn——螺栓個(gè)數(shù)111d0與n是關(guān)聯(lián)未知數(shù)，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初設(shè)n，使n為偶數(shù)，最好是4的倍數(shù)，算出d0，然后根據(jù)螺栓標(biāo)準(zhǔn)圓整并確定公稱直徑。d0與n呈負(fù)相關(guān)，即個(gè)數(shù)越多，螺栓越細(xì)，過細(xì)的螺栓易擰斷，一般公稱直徑不應(yīng)小于M12。另外個(gè)數(shù)越多，相鄰螺栓的間距越小，有利于均勻壓緊墊片，但是過小的螺栓間距會(huì)妨礙扳手?jǐn)Q動(dòng)。為均勻壓緊墊片，限制相鄰螺栓的弧距不得大于Lmax：dB——螺栓公稱直徑，mm；δf——法蘭有效厚度，mm式中：為保證扳手?jǐn)Q動(dòng)空間，限制相鄰螺栓的弧距不得小于Lmin——見表4－12：112113⑶法蘭裝置設(shè)計(jì)新方法前面螺栓載荷wa、wp算式中分別含有最小預(yù)緊比壓y與墊片系數(shù)m，它們是Rossheim和Markl于1943年提出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，沿用至今。y、m僅考慮了墊片的材料、結(jié)構(gòu)和密封面的形式、結(jié)構(gòu)，實(shí)踐證明，y、m還與介質(zhì)、壓力、溫度和密封面質(zhì)量等有關(guān)。另外泄漏是不可避免的，很多情況下允許泄漏；y、m已不適于新材料、結(jié)構(gòu)的墊片。美國(guó)壓力容器委員會(huì)（PVRC）螺栓法蘭連接委員會(huì)，提出了一種新方法，其要點(diǎn)為：①規(guī)定了允許密封度，給出了允許泄漏率；②墊片設(shè)計(jì)參數(shù)是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和科學(xué)歸納；③根據(jù)泄漏率與設(shè)計(jì)壓力確定密封度，再求出最小預(yù)緊比壓和最小操作比壓下的螺栓載荷，并校核法蘭強(qiáng)度。114法蘭結(jié)構(gòu)類型及標(biāo)準(zhǔn)a.結(jié)構(gòu)類型按密封面的寬窄分為寬面法蘭（螺栓孔穿過密封面）和窄面法蘭（螺栓孔在密封面內(nèi)側(cè)）按被連接件的名稱分為容器法蘭和管法蘭按法蘭承擔(dān)翻轉(zhuǎn)力矩的分量分為：松式法蘭、整體法蘭和任意式法蘭。115a——活套法蘭；b——螺紋法蘭；a、b——又稱為自由法蘭，可以方便地將螺栓穿過一對(duì)法蘭的兩個(gè)螺栓孔，翻轉(zhuǎn)力矩完全由法蘭承擔(dān)；c——搭接法蘭，翻轉(zhuǎn)力矩主要由法蘭承擔(dān)，少量由被連接件承擔(dān)。法蘭用廉價(jià)碳素鋼制造，連接貴重金屬容器或管道可以節(jié)約。松式法蘭適用于翻轉(zhuǎn)力矩較小的低壓場(chǎng)合。①松式法蘭（圖a、b、c）：②整體法蘭（圖d、e、f）：又稱為帶頸法蘭。

d——柱頸法蘭；e——錐頸法蘭；f——焊頸法蘭（焊透），翻轉(zhuǎn)力矩主要由法蘭承擔(dān)，少量波及到被連接件，但是由于多了頸部，故適用于翻轉(zhuǎn)力矩較大的高壓、高溫場(chǎng)合。又稱為平焊法蘭。翻轉(zhuǎn)力矩由法蘭和被連接件共同承擔(dān)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便，適用于翻轉(zhuǎn)力矩中等的中、低壓場(chǎng)合。③任意式法蘭（g、h、i）：116b.法蘭標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)：GB、HG、SY、SH、JB等國(guó)標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)外：以DIN標(biāo)準(zhǔn)為代表的歐洲體系和以ASME為代表的美洲體系應(yīng)用：應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭，只有特大直徑或特殊結(jié)構(gòu)的法蘭（標(biāo)準(zhǔn)中沒有）才自行設(shè)計(jì)。 推薦容器法蘭選用JB4700~4707－1992， 管法蘭選用HG20592~20655－1997二者不可混用。 法蘭的主要參數(shù)是DN與PN。①公稱直徑DN——容器法蘭為筒體或封頭的內(nèi)徑（用管子作筒體的容器除外）；管法蘭為管子名義直徑——與管子內(nèi)徑相近的某個(gè)尺寸。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了300~3000mm的18個(gè)基本等級(jí)。②公稱壓力PN——規(guī)定溫度下介質(zhì)的最大工作壓力，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了0.25~6.40MPa的7個(gè)等級(jí)117容器法蘭裝置的選用選用又稱為選型設(shè)計(jì)，是根據(jù)容器的筒體內(nèi)徑、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、介質(zhì)特性等，查閱JB4700~4707－1992標(biāo)準(zhǔn)，確定法蘭的類型、材料、公稱直徑、公稱壓力、密封面的形式；確定墊片的類型及材料；確定螺栓組的規(guī)格及材料等。①容器法蘭容器法蘭的結(jié)構(gòu)類型有三種基本形式：甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭和長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，見法蘭分類表。三種法蘭各有三種密封面，見密封面形式表。三種法蘭各有單一材料（碳鋼或低合金鋼）和帶不銹鋼襯里兩種，后者耐介質(zhì)腐蝕。1181、表中帶括號(hào)的公稱直徑應(yīng)盡量不采用。2、甲型法蘭使用溫度高于－20~300℃，乙型法蘭使用溫度高于－20~350℃，長(zhǎng)頸法蘭使用溫度高于－20~450℃。注：119法蘭分類表中：帶橫線的區(qū)域表示沒有相應(yīng)規(guī)格的相應(yīng)法蘭；DN與PN是16MnR或16Mn鍛件法蘭，在200℃溫度和規(guī)定墊片與螺栓組的情況下，通過多種方案的比較計(jì)算得到的，實(shí)際中的工作溫度往往不是200℃，這時(shí)須查閱最大允許工作壓力表——根據(jù)工作溫度和公稱壓力確定法蘭材料。表3－3

壓力容器法蘭密封面形式密封面形式類型平面型凹凸型榫槽型甲型平焊√√乙型平焊√√√長(zhǎng)頸對(duì)焊√√√120121122123②容器法蘭用墊片和螺栓組容器法蘭用墊片有三種：金屬軟墊片、纏繞式墊片和金屬包墊片。容器法蘭用螺栓是螺柱，螺母的性能等級(jí)一般比螺柱低一級(jí)。124125126127128129③容器法蘭裝置的選用程序a.已知容器的筒體內(nèi)徑Di設(shè)計(jì)壓力pc、設(shè)計(jì)溫度tc、介質(zhì)特性b.確定法蘭類型：按DN=Di，PN≥pc的原則查法蘭分類表，確