《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》課件-4.壓力容器設(shè)計(jì)（中）

《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》壓力容器設(shè)計(jì)目錄

4.1概述

4.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

4.3常規(guī)設(shè)計(jì)

4.4分析設(shè)計(jì)

4.5疲勞分析

4.6壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展目錄4.3.3封頭設(shè)計(jì)4.3.4密封裝置設(shè)計(jì)4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)4.3.6支座和檢查孔4.3.7安全泄放裝置4.3.2圓筒設(shè)計(jì)4.3.1概述4.3.8焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.3.9壓力試驗(yàn)封頭設(shè)計(jì)封頭種類凸形封頭錐殼變徑段平蓋緊縮口半球形封頭橢圓形封頭碟形封頭球冠形封頭圖4-15常見容器封頭的形式核電站安全殼：在發(fā)生地震、失水事故時(shí)，防止堆內(nèi)放射性物質(zhì)外泄。保護(hù)堆內(nèi)重要設(shè)備，防止受到外來襲擊（如飛射物、飛機(jī)）的破壞。超大超薄橢圓形封頭是鋼安全殼的重要組成部分超大

直徑達(dá)40m

超薄

徑厚比達(dá)1000山東海陽核電站安全殼穹頂安裝，2015失效機(jī)制復(fù)雜預(yù)測(cè)困難10mCAP1400安全亟待解決的問題科學(xué)問題失效產(chǎn)生機(jī)制失效預(yù)測(cè)方法工程問題大尺度測(cè)量技術(shù)工程設(shè)計(jì)方法安全評(píng)估技術(shù)國(guó)家核重大專項(xiàng)課題2013-2017CAP1400鋼安全殼封頭承載力試驗(yàn)1.研究背景封頭頂部爆破屈曲波紋有限元模擬和驗(yàn)證2016年11月項(xiàng)目通過上海核工院的驗(yàn)收2015年底STD-2封頭試驗(yàn)結(jié)束后合影2015年7月CAP-1封頭試驗(yàn)準(zhǔn)備1m（1）國(guó)際首次完成超大直徑(5m)超薄(5.5mm)橢圓形封頭破壞全過程試驗(yàn)；（2）首次采用大尺度三維激光掃描技術(shù)對(duì)超大直徑超薄橢圓形封頭破壞全過程進(jìn)行測(cè)量；（3）構(gòu)建了經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的橢圓形封頭承載力預(yù)測(cè)模型；（4）探明了超大直徑超薄橢圓形封頭的破壞全過程和屈曲特性。K.Li,J.Zheng,Z.Zhang.Experimentalinvestigationonbucklingofsteelnuclearcontainmentwithellipticalhead.ASMEPaperNo.PVP2016-63498大空間非接觸位移測(cè)量三維激光掃描儀建立失效預(yù)測(cè)模型測(cè)量不同壓力封頭整體法向位移不同壓力下經(jīng)線形狀不同壓力下緯線形狀不同壓力下屈曲波紋處緯線的徑向位移三維形狀偏差檢測(cè)大尺度三維激光測(cè)量技術(shù)（1）超大封頭的初始形狀測(cè)量。（2）超大封頭的形狀偏差評(píng)定。（3）升壓時(shí)封頭形狀變化測(cè)量。K.Li,J.Zheng,Z.Zhang,etal.Experimentalinvestigationonbucklingofellipsoidalheadofsteelnuclearcontainment.JournalofPressureVesselTechnology,2017,139,p.061206.超大封頭：彈性形變屈服屈曲塑性垮塌破壞全過程應(yīng)力-應(yīng)變呈線性壓力-位移呈線性應(yīng)力-應(yīng)變呈非線性材料硬化局部性漸進(jìn)性自限性頂部開裂

球化：封頭徑高比隨內(nèi)壓增大逐漸減小，截面形狀趨圓封頭破壞過程中的球化現(xiàn)象左圖為數(shù)值模擬，右圖為過程實(shí)測(cè)。頂部向外變形過渡區(qū)向內(nèi)變形過渡區(qū)環(huán)向受壓應(yīng)力頂部和過渡區(qū)經(jīng)向受拉應(yīng)力軸對(duì)稱屈服過渡區(qū)屈曲頂部區(qū)爆破(塑性垮塌）失效模式局部性漸進(jìn)性自限性123封頭過渡區(qū)環(huán)向受壓應(yīng)力，屈曲波紋出現(xiàn)在過渡區(qū)局部位置屈曲波紋屈曲產(chǎn)生原因：過渡區(qū)環(huán)向受壓應(yīng)力屈曲特性三維激光掃描儀實(shí)測(cè)封頭法向位移隨內(nèi)壓升高的變化趨勢(shì)屈曲特性局部性漸進(jìn)性自限性123隨著壓力升高，屈曲波紋逐漸長(zhǎng)大，屈曲波紋數(shù)量逐漸增加屈曲波紋形成屈曲波紋形成屈曲波紋長(zhǎng)大屈曲波紋隨內(nèi)壓升高而生成、長(zhǎng)大、增多無波紋少量小波紋波紋長(zhǎng)大，數(shù)量增多三維激光掃描儀實(shí)測(cè)封頭法向位移隨內(nèi)壓升高的變化趨勢(shì)自限性的機(jī)制：環(huán)向壓應(yīng)力隨后逐漸減小，并最終變?yōu)槔瓚?yīng)力——波紋高度減小負(fù)值表示壓應(yīng)力環(huán)向壓應(yīng)力先增大波紋產(chǎn)生/生長(zhǎng)屈曲特性局部性漸進(jìn)性自限性123FEM模擬：封頭法向位移隨內(nèi)壓升高的變化趨勢(shì)法向位移梯度減小/波紋高度減小隨著壓力繼續(xù)升高，球化明顯，過渡區(qū)環(huán)向壓應(yīng)力減小，屈曲波紋變小

波紋高度減小J.Zheng,K.Li,S.Liu,etal.Effectofshapeimperfectiononthebucklingoflarge-scalethin-walledellipsoidalheadinsteelnuclearcontainment.Thin-WalledStructures,2018,124:514-522.

形狀偏差表征方法焊接接頭棱角表征函數(shù)形狀偏差檢測(cè)結(jié)果含形狀偏差的屈曲壓力計(jì)算模型缺陷敏感性：焊接接頭棱角對(duì)封頭屈曲有顯著影響封頭整體偏差過渡區(qū)緯線偏差形狀偏差與屈曲失效的關(guān)聯(lián)關(guān)系

屈曲判據(jù)預(yù)測(cè)公式預(yù)測(cè)精度：ZJU預(yù)測(cè)公式比ASME、EN公式更好地預(yù)測(cè)了屈曲壓力屈曲壓力預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較材料驗(yàn)證范圍計(jì)算中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度/MPa（170,490）（205,490）抗拉強(qiáng)度/MPa（290,

705）（390,610）屈強(qiáng)比（0.35,0.80）(0.39,0.80)尺寸驗(yàn)證范圍計(jì)算GB/T150JB4732ASMEVIIIEN13445（1.2,2.5）(1.0,2.6)(0.56,3.57)（1.7,2.2）(1.79,2.23)（20,2000)無限制（20,2600）(13.87,1000)

塑性垮塌壓力預(yù)測(cè)方法

DiJB4732GB/T150ASMEVIII-1EN13445ASMEVIII-2我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)歐美標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)理念基于極限載荷的設(shè)計(jì)基于最大應(yīng)力的設(shè)計(jì)基于失效模式的設(shè)計(jì)等效為蝶形封頭（適用徑高比1.7~2.2）失效模式強(qiáng)度失效爆破失效過渡區(qū)失效（屈服/屈曲）頂部爆破過渡區(qū)軸對(duì)稱屈服設(shè)計(jì)公式過渡區(qū)局部屈曲屈曲/屈服：Miller公式屈服:Kalnins公式屈曲:Gallety公式爆破壓力計(jì)算ASMEIII.1-NE及N-284N-284基于彈性屈曲理論的屈曲評(píng)定方法問題1：未給出防超薄封頭屈曲失效的設(shè)計(jì)公式問題2：未考慮應(yīng)變硬化和球化的影響(強(qiáng)度失效)，計(jì)算過于保守問題2：現(xiàn)有爆破壓力計(jì)算方法未考慮應(yīng)變硬化和球化的影響(強(qiáng)度失效)，計(jì)算結(jié)果過于保守。JB4732計(jì)算結(jié)果為極限載荷，GB/T150、ASME和EN設(shè)計(jì)公式的理論基礎(chǔ)為薄殼理論，給出的結(jié)果均過于保守。考慮應(yīng)變硬化和球化影響的預(yù)測(cè)公式較好地預(yù)測(cè)了塑性垮塌壓力。

問題1：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)未給出防止超薄封頭屈曲失效的設(shè)計(jì)公式。2）GB/T150就屈曲失效僅對(duì)厚徑比做出規(guī)范：1）JB4732針對(duì)厚徑比較小的封頭，要求進(jìn)行穩(wěn)定性校核。但未對(duì)校核方法進(jìn)行詳細(xì)規(guī)范。建立基于失效模式的橢圓形封頭設(shè)計(jì)方法：1）軸對(duì)稱屈服失效：直接引用EN13445防止軸對(duì)稱屈服壓力計(jì)算公式2）局部屈曲失效：增加防止屈曲判據(jù)和屈曲壓力計(jì)算公式3）塑性垮塌失效：增加塑性垮塌壓力計(jì)算公式

正在啟動(dòng)修訂JB4732等標(biāo)準(zhǔn)

Di變形特點(diǎn)：復(fù)雜的多向應(yīng)變過渡段和直邊段大變形橢圓形封頭沖壓過程示意圖：1.凸模；2.壓邊圈；3.板料；4.凹模；4’.拉延檻；5.托舉裝置；6.潤(rùn)滑油層橢圓形封頭冷沖壓成形制造影響：厚度變化：頂部減薄，邊緣增厚微觀組織變化：形變誘導(dǎo)馬氏體力學(xué)性能變化：

材料硬化

強(qiáng)度增加材料韌性減小質(zhì)量控制方法

以最大塑性變形作為恢復(fù)性能熱處理判據(jù)橢圓形封頭冷沖壓成形橢圓形封頭冷沖壓塑性變形試驗(yàn)研究試驗(yàn)步驟：(a)繪制徑向坐標(biāo)(b)沖壓成形(c)測(cè)量原始坐標(biāo)經(jīng)向位置封頭型號(hào)材料直徑（mm）厚度（mm）直邊段高度（mm）測(cè)量不同材料/規(guī)格封頭最大塑性應(yīng)變預(yù)測(cè)方法不足：計(jì)算誤差大：嚴(yán)重低估真實(shí)塑性形變僅考慮經(jīng)向形變GB/T150-2011GB/T25198-2010GB/T18442.1-2011ASMEBPVCVIII2-2015EN13445-4:2014AS4458-1997不足：無法準(zhǔn)確計(jì)算成形后封頭邊緣對(duì)應(yīng)未成形板料上的直徑Db僅考慮環(huán)向形變優(yōu)點(diǎn)：反映復(fù)雜多向應(yīng)變反映沖壓變形過程等效塑性變形PEEQ:EquivalentPlasticStrain凸模凹模板料壓邊圈橢圓形封頭有限元建模與網(wǎng)格劃分橢圓形封頭沖壓過程有限元模擬最大塑性變形max.PEEQX.Zhu,C.Miao,L.Ma.AmethodforpredictionofformingstrainforcoldstampingformedheadmadeofS30408austeniticstainlesssteel.ASMEPaperNo.PVP2013-97768.橢圓形封頭沖壓過程有限元模擬經(jīng)向伸長(zhǎng)量（mm）成形封頭上的經(jīng)向坐標(biāo)（mm）頂部區(qū)域過渡段直邊段實(shí)測(cè)值測(cè)量誤差帶有限元模擬值經(jīng)向伸長(zhǎng)量（mm）成形封頭上的經(jīng)向坐標(biāo)（mm）頂部區(qū)域過渡段直邊段實(shí)測(cè)值測(cè)量誤差帶有限元模擬值封頭型號(hào)材料直徑（mm）厚度（mm）直邊段高度（mm）經(jīng)向伸長(zhǎng)量模擬值和實(shí)驗(yàn)值之間的方均根差（RMSD）橢圓形封頭沖壓過程有限元模擬與試驗(yàn)對(duì)比300350400450500550600650700750800850900950100011001200130014001500160017001800190020002100220023002400250026002700280029003000310032002300*2350*2400*2450*2500*2550*2600*2650*2700*2750*23300*3350*3400*3450*3500*3550*3600*3650*3700*3750*3800*3850*3900*3950*31000*31100*31200*31300*31400*31500*31600*31700*31800*34300*4350*4400*4450*4500*4550*4600*4650*4700*4750*4800*4850*4900*4950*41000*41100*41200*41300*41400*41500*41600*41700*41800*41900*42000*42100*42200*42300*45300*5350*5400*5450*5500*5550*5600*5650*5700*5750*5800*5850*5900*5950*51000*51100*51200*51300*51400*51500*51600*51700*51800*51900*52000*52100*52200*52300*52400*52500*56300*6350*6400*6450*6500*6550*6600*6650*6700*6750*6800*6850*6900*6950*61000*61100*61200*61300*61400*61500*61600*61700*61800*61900*62000*62100*62200*62300*62400*62500*62600*62700*62800*62900*63000*68300*8350*8400*8450*8500*8550*8600*8650*8700*8750*8800*8850*8900*8950*81000*81100*81200*81300*81400*81500*81600*81700*81800*81900*82000*82100*82200*82300*82400*82500*82600*82700*82800*82900*83000*83100*83200*810300*10350*10400*10450*10500*10550*10600*10650*10700*10750*10800*10850*10900*10950*101000*101100*101200*101300*101400*101500*101600*101700*101800*101900*102000*102100*102200*102300*102400*102500*102600*102700*102800*102900*103000*103100*103200*1012300*12350*12400*12450*12500*12550*12600*12650*12700*12750*12800*12850*12900*12950*121000*121100*121200*121300*121400*121500*121600*121700*121800*121900*122000*122100*122200*122300*122400*122500*122600*122700*122800*122900*123000*123100*123200*1214300*14350*14400*14450*14500*14550*14600*14650*14700*14750*14800*14850*14900*14950*141000*141100*141200*141300*141400*141500*141600*141700*141800*141900*142000*142100*142200*142300*142400*142500*142600*142700*142800*142900*143000*143100*143200*1416350*16400*16450*16500*16550*16600*16650*16700*16750*16800*16850*16900*16950*161000*161100*161200*161300*161400*161500*161600*161700*161800*161900*162000*162100*162200*162300*162400*162500*162600*162700*162800*162900*163000*163100*163200*1618650*18700*18750*18800*18850*18900*18950*181000*181100*181200*181300*181400*181500*181600*181700*181800*181900*182000*182100*182200*182300*182400*182500*182600*182700*182800*182900*183000*183100*183200*1820650*20700*20750*20800*20850*20900*20950*201000*201100*201200*201300*201400*201500*201600*201700*201800*201900*202000*202100*202200*202300*202400*202500*202600*202700*202800*202900*203000*203100*203200*2022650*22700*22750*22800*22850*22900*22950*221000*221100*221200*221300*221400*221500*221600*221700*221800*221900*222000*222100*222200*222300*222400*222500*222600*222700*222800*222900*223000*223100*223200*2224800*24850*24900*24950*241000*241100*241200*241300*241400*241500*241600*241700*241800*241900*242000*242100*242200*242300*242400*242500*242600*242700*242800*242900*243000*243100*243200*24120+算例/常用規(guī)格/常用不銹鋼和碳鋼最大等效塑性應(yīng)變預(yù)測(cè)方法最大等效塑性應(yīng)變（max.PEEQ）遠(yuǎn)高于現(xiàn)有方法的計(jì)算值多向應(yīng)變等效（反映復(fù)雜變形）應(yīng)變絕對(duì)值累加（反映應(yīng)變過程）J.Zheng,X.Shu,Y.Wu,etal.Investigationontheplasticdeformationduringthestampingofellipsoidalheadsforpressurevessels.Thin-WalledStructures,2018,127:135-144.最大等效塑性應(yīng)變預(yù)測(cè)方法優(yōu)先選用封頭標(biāo)準(zhǔn)中推薦的型式與參數(shù)，根據(jù)受壓情況進(jìn)行強(qiáng)度或剛度計(jì)算，確定合適的厚度。內(nèi)壓封頭強(qiáng)度計(jì)算：應(yīng)力：薄膜應(yīng)力＋不連續(xù)應(yīng)力計(jì)算：內(nèi)壓薄膜應(yīng)力＋應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)封頭設(shè)計(jì)：優(yōu)點(diǎn)：薄膜應(yīng)力為相同直徑圓筒體的一半，是最理想的結(jié)構(gòu)形式。半球形封頭為半個(gè)球殼，如圖4-15（a）所示。（1）受內(nèi)壓的半球形封頭缺點(diǎn)：深度大，直徑小時(shí)，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較大；應(yīng)用：高壓容器。半球形封頭厚度計(jì)算公式：（4-40）式中Di—球殼的內(nèi)直徑，mm。適用范圍：為滿足彈性要求，適用pc≤0.6[σ]tφ，相當(dāng)于K≤1.33。凸形封頭一、半球形封頭（2）受外壓的半球形封頭推導(dǎo)過程：鋼制半球形封頭彈性失穩(wěn)的臨界壓力為：工程上：圖算法。取穩(wěn)定性安全系數(shù)m=3，得球殼許用外壓力：（4-41）令，根據(jù)

，得一、半球形封頭將[p]代入式（4-41）得（4-42）由B和[p]的關(guān)系式得半球形封頭的許用外壓力為：（4-43）a.假定名義厚度δn，令δe=δn-C，用式（4-42）計(jì)算出A，根據(jù)所用材料

選用厚度計(jì)算圖，由A查取B，再按式（4-43）計(jì)算許用外壓力[p]。圖算步驟：b.如所得A值落在設(shè)計(jì)溫度下材料線的左方，則直接用式（4-41）計(jì)算

[p]。若[p]≥pc且較接近，則該封頭厚度合理，否則重新假設(shè)δn，重

復(fù)上述步驟，直到滿足要求為止。不用幾何算圖一、半球形封頭直邊段作用：避免封頭和筒體的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，

以改善焊縫的受力狀況。由半個(gè)橢球面和短圓筒組成，如圖4-15（b）所示。應(yīng)用：中、低壓容器。(1)受內(nèi)壓（凹面受壓）的橢圓形封頭受力：薄膜應(yīng)力＋不連續(xù)應(yīng)力。在一定條件下，橢圓形封頭中的最大應(yīng)力和圓筒周向薄膜應(yīng)力的比值，與橢圓形封頭長(zhǎng)軸與短軸之比的關(guān)系有關(guān)，見圖4-16中虛線。二、橢圓形封頭（4-44）即，即，K——應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)或橢圓封頭的形狀系數(shù)，用半徑為Di的半球形封頭厚度乘以K，即（4-45）橢圓形封頭厚度計(jì)算式：二、橢圓形封頭當(dāng)Di/2hi=2，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，K=1，厚度計(jì)算式為（4-46）橢圓形封頭最大允許工作壓力：（4-47）采用限制橢圓形封頭最小厚度，GB/T150規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%，非標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于0.30%。周向失穩(wěn)：二、橢圓形封頭(2)受外壓橢圓形封頭不同：Ro由橢圓形封頭的當(dāng)量球殼外半徑Ro=K1Do代替，K1值是橢圓

長(zhǎng)短軸比值Do/（2ho）（ho=hi+δn）決定的系數(shù)，由表4-5

（遇中間值用內(nèi)插法求得）查得。相同：外壓穩(wěn)定性計(jì)算公式和圖算法步驟同受外壓的半球形封頭；2.62.42.22.01.81.61.41.21.0

K11.181.080.990.900.810.730.650.570.50表4-5

系數(shù)K1Do/（2ho）二、橢圓形封頭缺點(diǎn)：不連續(xù)曲面，存在較大邊緣彎曲應(yīng)力。邊緣彎曲應(yīng)力與薄膜應(yīng)力

疊加，使該部位的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它部位，故受力狀況不佳。結(jié)構(gòu)：帶折邊球面封頭，由半徑為Ri的球面體、半徑為r的過渡環(huán)殼和

短圓筒等三部分組成，見圖4-15（c）。優(yōu)點(diǎn)：過渡環(huán)殼降低了封頭深度，方便成型，且壓制碟形封頭的鋼模加

工簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。(1)受內(nèi)壓碟形封頭即碟形封頭過渡區(qū)總應(yīng)力為球面部分應(yīng)力的M倍。引入碟形封頭應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)M，是以球面部分最大總應(yīng)力為基礎(chǔ)的近似修正系數(shù)，見4-48式。三、碟形封頭封頭r≥0.01Di，r≥3δ，且Ri≤Di。規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭，Ri=0.9Di，r=0.17Di。同橢圓形封頭，GB/T

150規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭，其有效厚度應(yīng)不小于內(nèi)直徑的0.15%，其它碟形封頭的有效厚度應(yīng)不小于0.30%。周向失穩(wěn)三、碟形封頭承受內(nèi)壓碟形封頭的最大允許工作壓力：（4-50）(2)受外壓碟形封頭碟形封頭的過渡區(qū)承受拉應(yīng)力，球面部分是壓應(yīng)力，有發(fā)生失穩(wěn)的潛在危險(xiǎn)，此為防失穩(wěn)，厚度計(jì)算仍可用半球形封頭外壓計(jì)算公式和圖算法步驟，只是Ro用球面部分外半徑代替。三、碟形封頭優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，常用作容器中兩獨(dú)立受壓室中間封頭，端蓋。缺點(diǎn)：無轉(zhuǎn)角過渡，存在大的不連續(xù)應(yīng)力，其應(yīng)力分布不甚合理。碟形封頭當(dāng)r=0時(shí)，球面與筒體直接連接，如圖4-15（d）所示四、球冠形封頭軸對(duì)稱錐殼無折邊錐殼折邊錐殼特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應(yīng)力分布不理想應(yīng)用：排放固體顆粒和懸浮或粘稠液體，不同直徑圓筒體的中間過渡段，中、低壓容器。圖4-18

錐殼結(jié)構(gòu)形式錐殼一、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)錐殼大端：半頂角α≤30°，無折邊結(jié)構(gòu)

α＞30°，帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)，或按應(yīng)力分析方法設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)角半徑r：不小于Di的10%，且不小于該過渡段厚度的3倍。錐殼小端：半頂角α≤45°，無折邊結(jié)構(gòu)；α＞45°，帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)角半徑rs：不小于封頭小端內(nèi)徑Dis的5%，且不小于該過渡段厚度

的3倍。半頂角α＞60°：厚度按平蓋計(jì)算，或應(yīng)力分析方法。強(qiáng)度：受力：薄膜應(yīng)力＋邊緣應(yīng)力。設(shè)計(jì)：分別計(jì)算錐殼厚度、錐殼大端和小端加強(qiáng)段厚度。若考慮只有一種厚度時(shí)，取最大值。由無力矩理論，最大薄膜應(yīng)力為錐殼大端的周向應(yīng)力σθ，即（1）錐殼厚度由第一強(qiáng)度理論和彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并取D=Di+δccosα，厚度計(jì)算式：（4-51）式中Dc—錐殼計(jì)算內(nèi)直徑，mm；—錐殼計(jì)算厚度，mm；α—錐殼半頂角，（°）。注：當(dāng)錐殼由同一半頂角的幾個(gè)不同厚度的錐殼段組成時(shí)，Dc為各錐殼段大端內(nèi)直徑。一、受內(nèi)壓無折邊錐殼（4-52）注：錐殼加強(qiáng)段與筒體加強(qiáng)段應(yīng)具有相同的厚度,加強(qiáng)段的厚度不得小于相連接的錐殼厚度。（2）錐殼大端分析錐殼大端與筒體連接處，曲率突變；兩殼體經(jīng)向內(nèi)力不能完全平衡，產(chǎn)生橫向推力；邊緣應(yīng)力無需加強(qiáng)：坐標(biāo)點(diǎn)（

、α）位于圖中曲線上方，厚度仍按式（4-51）需要加強(qiáng)：坐標(biāo)點(diǎn)（

、α）位于圖中曲線下方，厚度計(jì)算（4-52）邊緣應(yīng)力具有自限性，最大應(yīng)力限制在3[σ]t內(nèi)。按此條件求得的

及α之間關(guān)系見圖4-19。一、受內(nèi)壓無折邊錐殼圖4-19確定錐殼大端連接處的加強(qiáng)圖式中Di—錐殼大端內(nèi)直徑，mm；Q—應(yīng)力增值系數(shù)，由圖4-20查??；δr—錐殼及其相鄰圓筒體的加強(qiáng)段的計(jì)算厚度，mm。錐殼加強(qiáng)段的長(zhǎng)度L1：筒體加強(qiáng)段的長(zhǎng)度L：與大端相類似，參見文獻(xiàn)[2]。（3）錐殼小端：圖4-20

錐殼大端連接處的Q值一、受內(nèi)壓無折邊錐殼（1）錐殼厚度：仍按式（4-51）計(jì)算。（2）錐殼大端：厚度按式（4-53）、（4-54）計(jì)算，并取較大值：錐殼大端過渡段厚度：（4-53）式中K—系數(shù)，查表4-6（遇中間值時(shí)用內(nèi)插法）。與過渡段相接處錐殼厚度：（4-54）式中f—系數(shù)，查表4-7（遇中間值時(shí)用內(nèi)插法）；r—折邊錐殼大端過渡段轉(zhuǎn)角半徑，mm。二、受內(nèi)壓折邊錐殼r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.66440.61110.57890.54030.51680.500020°0.69560.63570.59860.55220.52230.500030°0.75440.68190.63570.57490.53290.500035°0.79800.71610.66290.59140.54070.500040°0.85470.76040.69810.61270.55060.500045°0.92530.81810.74400.64020.56350.500050°1.02700.89440.80450.67650.58040.500055°1.16080.99800.88590.72490.60280.500060°1.35001.14331.00000.79230.63370.5000表4-6

系數(shù)K值（3）錐殼小端：半頂角α≤45°：小端無折邊：小端厚度按無折邊錐殼小端厚度的計(jì)算方法計(jì)算；小端有折邊：小端過渡段厚度需另行計(jì)算，見文獻(xiàn)[2]。

r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.50620.50550.50470.50320.50170.500020°0.52570.52250.51930.51280.50640.500030°0.56190.55420.54650.53100.51550.500035°0.58830.55730.56630.54420.52210.500040°0.62220.60690.59160.56110.53050.500045°0.66570.64500.62430.58280.54140.500050°0.72230.69450.66680.61120.55560.500055°0.79730.76020.72300.64860.57430.500060°0.90000.85000.80000.70000.60000.5000表4-7

系數(shù)f值

α≤60°：按等效圓筒體計(jì)算；α＞60°：按平蓋計(jì)算。假設(shè)錐殼名義厚度δne——計(jì)算錐殼有效厚度δec=（δnc-C）cosα——按外壓圓筒體的圖算法進(jìn)行外壓校核計(jì)算——以Le/DL代替L/Do，DL/δec代替Do/δe。（1）外壓錐殼的計(jì)算錐殼大端或小端和筒體連接處存在壓縮強(qiáng)度和周向穩(wěn)定性問題，在必要時(shí)應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。（2）錐殼與筒體連接處的外壓加強(qiáng)設(shè)計(jì)Le：錐殼當(dāng)量長(zhǎng)度，有相應(yīng)計(jì)算公式；DL：所考慮的錐殼段的大端外直徑三、受外壓錐殼理論分析：以圓平板應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，分為周邊固支或簡(jiǎn)支；實(shí)際上：介于固支和簡(jiǎn)支之間；工程計(jì)算：采用圓平板理論為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)公式，通過系數(shù)K來體現(xiàn)平蓋周邊的支承情況，K值越小平蓋周邊越接近固支；反之就越接近于簡(jiǎn)支。這些平蓋厚度可按下述方法計(jì)算：幾何形狀：圓形、橢圓形、長(zhǎng)圓形、矩形及正方形等。平蓋平蓋的最大應(yīng)力（4-55）考慮鋼板拼焊由式（4-3）得圓形平蓋厚度計(jì)算公式：（4-56）式中δp—平蓋計(jì)算厚度，mm；K—結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，查表4-8；Dc—平蓋計(jì)算直徑，見表4-8中簡(jiǎn)圖，mm。對(duì)于表4-8中序號(hào)6、7所示平蓋，應(yīng)取其操作狀態(tài)及預(yù)緊狀態(tài)的K值代入式（4-56）分別計(jì)算，取較大值。當(dāng)預(yù)緊時(shí)[σ]t取常溫的許用應(yīng)力。一、圓形平蓋厚度不同連接形式的非圓形平蓋應(yīng)采用不同的計(jì)算公式。（1）表4-8中序號(hào)3、4所示平蓋，按式（4-57）計(jì)算（4-57）式中Z—非圓形平蓋的形狀系數(shù)，，且Z≤2.5；a，b—分別為非圓形平蓋的短軸長(zhǎng)度和長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，mm。（2）表4-8中序號(hào)6、7所示平蓋，按式（4-58）計(jì)算（當(dāng)預(yù)緊時(shí)[σ]t取常溫的許用應(yīng)力）（4-58）二、非圓形平蓋厚度直邊高度L不小于50mm；弧半徑r≥0.5δp，且封頭與筒體連接處的厚度不小于與其相對(duì)接筒節(jié)的厚度。圖4-21鍛制平封頭鍛制平封頭鍛制平封頭底部厚度δp：（4-59）式中η—開孔削弱系數(shù)，

∑di—Dc范圍內(nèi)沿直徑斷面開孔內(nèi)徑總和的最大值，mm。目錄

4.1概述

4.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

4.3常規(guī)設(shè)計(jì)

4.4分析設(shè)計(jì)

4.5疲勞分析

4.6壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展目錄4.3.3封頭設(shè)計(jì)4.3.4密封裝置設(shè)計(jì)4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)4.3.6支座和檢查孔4.3.7安全泄放裝置4.3.2圓筒設(shè)計(jì)4.3.1概述4.3.8焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.3.9壓力試驗(yàn)可拆密封裝置螺紋連接承插式連接螺栓法蘭連接：螺栓—墊片—法蘭密封系統(tǒng)本節(jié)主要內(nèi)容密封機(jī)理及分類影響密封性能的主要因素螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)密封裝置設(shè)計(jì)圖4-22螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)1-螺栓；2-墊片；3-法蘭依靠螺栓預(yù)緊力把兩部分設(shè)備或管道法蘭環(huán)連在一起，同時(shí)壓緊墊片，使連接處達(dá)到密封。較好的強(qiáng)度和密封性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，可多次重復(fù)拆卸，應(yīng)用較廣。密封裝置的失效形式主要表現(xiàn)為泄漏泄漏量控制在工藝和環(huán)境允許的范圍內(nèi)原理：性能：泄漏途徑滲透泄漏界面泄漏通過墊片材料本體毛細(xì)管的滲透泄漏，除了受介質(zhì)壓力、溫度、粘度、分子結(jié)構(gòu)等流體狀態(tài)性質(zhì)影響外，主要與墊片的結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)有關(guān)，可通過對(duì)滲透性墊片材料添加某些填充劑進(jìn)行改良，或與不透性材料組合成型來避免“滲透泄漏”。沿著墊片與壓緊面之間的泄漏，泄漏量大小主要與界面間隙尺寸有關(guān)。壓緊面就是指上、下法蘭與墊片的接觸面。加工時(shí)壓緊面上凹凸不平的間隙及壓緊力不足是造成“界面泄漏”的直接原因。“界面泄漏”是密封失效的主要途徑。密封機(jī)理及分類一、密封機(jī)理（a）尚未預(yù)緊的工況將上、下法蘭壓緊面和墊片的接觸處的微觀尺寸放大，表面是凹凸不平的，這就是流體泄漏的通道。螺栓法蘭連接的整個(gè)工作過程可用：圖4-23（a）尚未預(yù)緊工況、（b）預(yù)緊工況、（c）操作工況來說明界面泄漏滲透泄漏（a）尚未預(yù)緊工況（b）預(yù)緊工況（無內(nèi)壓）擰緊螺栓，螺栓力通過法蘭壓緊面作用到墊片上。墊片產(chǎn)生彈性或屈服變形，填滿凹凸不平處，堵塞泄漏通道，形成初始密封條件。（b）預(yù)緊工況預(yù)緊(無內(nèi)壓)時(shí)，迫使墊片變形與壓緊面密合，以形成初始密封條件，此時(shí)墊片單位面積上所需的最小壓緊力，稱為“墊片比壓力”，用y表示，也稱為最小壓緊應(yīng)力，單位為MPa。在預(yù)緊工況下，如墊片單位面積上所受的壓緊力小于比壓力y，介質(zhì)即發(fā)生泄漏。引入概念1“預(yù)緊比壓y”：y值僅與墊片材料、結(jié)構(gòu)與厚度有關(guān)。通入介質(zhì)，壓力上升（c）操作工況一方面，內(nèi)壓引起的軸向力，使上下法蘭壓緊面分離，墊片壓縮量減少，密封比壓（即壓緊面上的壓緊應(yīng)力）下降；導(dǎo)致另一方面，墊片彈性壓縮變形部分產(chǎn)生回彈，補(bǔ)償因螺栓伸長(zhǎng)所引起的壓緊面分離，使壓緊面上的密封比壓力仍能維持一定值以保持密封性能。（c）操作工況為保證在操作狀態(tài)時(shí)法蘭的密封性能而必須施加（維持）在墊片上的壓應(yīng)力，稱為操作密封比壓。操作密封比壓往往用介質(zhì)計(jì)算壓力的m倍表示，這里m稱為“墊片系數(shù)”，無因次。引入概念2“操作密封比壓”：防止流體泄漏的基本方法在密封口增加流體流動(dòng)的阻力泄漏時(shí)介質(zhì)通過密封口的動(dòng)力：密封口內(nèi)外介質(zhì)壓力差泄漏時(shí)介質(zhì)通過密封口的阻力：壓緊面上的比壓力墊片比壓力y操作密封比壓當(dāng)介質(zhì)通過密封口的阻力大于密封口兩側(cè)的介質(zhì)壓力差時(shí)，介質(zhì)就被密封。而介質(zhì)通過密封口的阻力是借施加于壓緊面上的比壓力來實(shí)現(xiàn)的，作用在壓緊面上的密封比壓力越大，則介質(zhì)通過密封口的阻力越大，越有利于密封。由以上分析，在確立法蘭設(shè)計(jì)方法時(shí)，把預(yù)緊工況與操作工況分開處理，從而大大簡(jiǎn)化了法蘭設(shè)計(jì)。為此，對(duì)兩個(gè)不同的工況分別引進(jìn)兩個(gè)墊片性能參數(shù)，即“最小壓緊應(yīng)力”或“比壓力”y以及“墊片系數(shù)”m。預(yù)緊比壓y：定義為預(yù)緊(無內(nèi)壓)時(shí)，迫使墊片變形與壓緊面密合，以形成初始密封條件，此時(shí)墊片所必需的最小壓緊載荷，因以單位接觸面積上的壓緊載荷計(jì)，故也稱最小壓緊應(yīng)力”，單位為MPa。y值僅與墊片材料、結(jié)構(gòu)與厚度有關(guān)。墊片系數(shù)m：是指操作(有內(nèi)壓)時(shí)，達(dá)到緊密不漏,墊片所必須維持的比壓與介質(zhì)壓力p的比值。不少生產(chǎn)實(shí)踐和廣泛的研究表明y和m值還與墊片尺寸，介質(zhì)性質(zhì)、壓力、溫度、壓緊面粗糙度等許多因素有關(guān)，而且m與y之間也存在內(nèi)在聯(lián)系。1、按獲得密封比壓力方法的不同分類強(qiáng)制密封自緊密封半自緊式密封2、按被密封介質(zhì)的壓力大小中低壓密封高壓密封二、密封分類1、按獲得密封比壓力方法的不同a、強(qiáng)制密封完全依靠連接件的作用力強(qiáng)行擠壓密封元件達(dá)到密封。特點(diǎn)：預(yù)緊力大，約為工作壓力產(chǎn)生的軸向力的1.1～1.6倍。b、自緊式密封：主要依靠容器內(nèi)部的介質(zhì)壓力壓緊密封元件實(shí)現(xiàn)密封。特點(diǎn)：預(yù)緊力小，介質(zhì)壓力越高，密封越可靠，約為工作壓力產(chǎn)

生的軸向力的20%以下。2、按被密封介質(zhì)的壓力大小中、低壓密封：螺栓法蘭結(jié)構(gòu)，強(qiáng)制式密封。高壓密封：多用自緊式密封、半自緊式密封。半自緊式密封：軸向自緊式密封：徑向自緊式密封：密封元件的徑向剛度小于被連接件的徑向剛度。密封元件的軸向剛度小于被連接件的軸向剛度。屬于非自緊式的強(qiáng)制式密封，但又具有一定的自緊性能，如雙錐密封。主要影響因素一、螺栓預(yù)緊力二、墊片性能三、壓緊面的質(zhì)量四、法蘭剛度五、操作條件影響密封性能的主要因素4.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)等措施來提高密封性能。3.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。2.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。1.預(yù)緊力使墊片壓緊實(shí)現(xiàn)初始密封。一、螺栓預(yù)緊力（3）墊片比壓力y和墊片系數(shù)m：與墊片材料、結(jié)構(gòu)與厚度關(guān)，還與

介質(zhì)性質(zhì)、壓力、溫度、壓緊面粗糙度等因素有關(guān)，而且m和y

之間也存在內(nèi)在聯(lián)系。見表4－9，1943年Rossheim和Markl推薦而沿用至今。（1）墊片變形能力和回彈能力是形成密封的必要條件。變形能力大

的密封墊易填滿壓緊面上的間隙，并使預(yù)緊力不致太大；回彈

能力大的墊片，能適應(yīng)操作壓力和溫度的波動(dòng)（2）墊片應(yīng)具有能適應(yīng)介質(zhì)的溫度、壓力和腐蝕等性能。二、墊片性能表4—9墊片性能參數(shù)表4—9墊片性能參數(shù)（續(xù)）壓緊面又稱密封面，其形狀和粗糙度應(yīng)與墊片相匹配。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。壓緊面表面不允許有刀痕和劃痕。應(yīng)能均勻地壓緊墊片，保證平面度和垂直度。三、壓緊面的質(zhì)量剛度不足：過大的翹曲變形，密封失效的主要原因之一。提高法蘭剛度：增加法蘭環(huán)的厚度、縮小螺栓中心圓直徑、增大法蘭環(huán)外徑；采用帶頸法蘭或增大錐頸部分尺寸，提高抗彎能力。四、法蘭剛度圖4-24法蘭的翹曲變形操作條件：指壓力、溫度及介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)密封性能的影響。壓力、介質(zhì)在溫度的聯(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，甚至使密封因疲勞而完全失效。特點(diǎn)：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；某些非金屬墊片還會(huì)加速老化、變質(zhì)，甚至燒毀。原因：五、操作條件法蘭分類方法較多按法蘭接觸面寬窄窄面法蘭：法蘭的接觸面處在螺栓孔圓周以內(nèi)寬面法蘭：法蘭的接觸面擴(kuò)展到螺栓孔圓周外側(cè)按法蘭應(yīng)用場(chǎng)合容器法蘭管法蘭由此對(duì)應(yīng)，法蘭標(biāo)準(zhǔn)也有容器法蘭和管法蘭螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)一、法蘭結(jié)構(gòu)類型及標(biāo)準(zhǔn)（1）法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭的基本結(jié)構(gòu)形式按組成法蘭的圓筒、法蘭環(huán)、錐頸三部分的整體性程度分為：松式法蘭整體法蘭任意式法蘭圖4-25

法蘭結(jié)構(gòu)類型a、松式法蘭★指法蘭不直接固定在殼體上或者雖固定而不能保證與殼體作為一個(gè)整體承受螺栓載荷的結(jié)構(gòu)?！钊缁钐追ㄌm、螺紋法蘭、搭接法蘭等，這些法蘭可以帶頸或者不帶頸，見圖4-25（a）、（b）、（c）?！衿渲谢钐追ㄌm是典型的松式法蘭，其法蘭的力矩完全由法蘭環(huán)本身來承擔(dān)，對(duì)設(shè)備或管道不產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。◆因而適用于有色金屬和不銹鋼制設(shè)備或管道上，且法蘭可采用碳素鋼制作，以節(jié)約貴重金屬?！舻ㄌm剛度小，厚度較厚，一般只適用于壓力較低的場(chǎng)合。b、整體法蘭★將法蘭與殼體鍛或鑄成一體或經(jīng)全熔透的平焊法蘭，見圖4-25（d）、（e）、（f）所示。●這種結(jié)構(gòu)能保證殼體與法蘭同時(shí)受力，使法蘭厚度可適當(dāng)減薄，但會(huì)在殼體上產(chǎn)生較大應(yīng)力?！衿渲械膸ьi法蘭可以提高法蘭與殼體的連接剛度，適用于壓力、溫度較高的重要場(chǎng)合。c、任意式法蘭★從結(jié)構(gòu)來看，這種法蘭與殼體連成一體，但剛性介于整體法蘭和松式法蘭之間，見圖4-25（g）、（h）、（i）?！衿溆?jì)算按整體法蘭，當(dāng)法蘭頸部厚度δo≤15mm，法蘭內(nèi)直徑Di/δo≤300，計(jì)算壓力pc≤2MPa，t≤370℃時(shí)，可簡(jiǎn)化作為不帶頸的松式法蘭計(jì)算。●這類法蘭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，故在中低壓容器或管道中得到廣泛應(yīng)用。為簡(jiǎn)化計(jì)算、降低成本、增加互換性，世界各國(guó)都制訂了一系列法蘭標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際：應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭。只有使用大直徑、特殊工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式時(shí)才需自行設(shè)計(jì)。分類：管法蘭、容器法蘭。相同公稱直徑、公稱壓力的管法蘭與容器法蘭的連接尺寸各不相同，二者不能相互套用。選擇法蘭的主要參數(shù)是公稱壓力和公稱直徑。（2）法蘭標(biāo)準(zhǔn)a.公稱直徑（DN）公稱直徑是容器和管道標(biāo)準(zhǔn)化后的尺寸系列，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的系列選用。容器法蘭：是容器內(nèi)徑（用管子作筒體的容器除外）；是指名義直徑，是與內(nèi)徑相近的某個(gè)數(shù)值，公稱直徑相同的鋼管，外徑是相同的，由于厚度是變化的，所以內(nèi)徑也是變化的，如DN100的無縫鋼管有φ108×4、φ108×4.5、φ108×5等規(guī)格。管法蘭：b.公稱壓力（PN）公稱壓力是壓力容器或管道的標(biāo)準(zhǔn)化壓力等級(jí)。指規(guī)定溫度下的最大工作壓力，并經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的壓力數(shù)值。選取：與設(shè)計(jì)壓力相近且又稍高一級(jí)的公稱壓力。當(dāng)容器零部件設(shè)計(jì)溫度升高且影響金屬材料強(qiáng)度極限時(shí)，則要按更高一級(jí)的公稱壓力選取零部件。用PN表示，如PN0.25、PN4.0等。國(guó)際通用的公稱壓力等級(jí)有兩大體系，即歐洲體系和美洲體系。Class系列中常用的公稱壓力等級(jí)有2.0MPa、5.0MPa、11.0MPa、15.0MPa、26.0MPa、42.0MPa等。歐洲體系常用PN系列表示公稱壓力等級(jí)，如PN2.5等，PN系列壓力等級(jí)有0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0、16.0、25.0MPa等；美國(guó)等一些國(guó)家習(xí)慣采用Class系列表示公稱壓力等級(jí)，如Class150、Class600等。表4-10

PN系列與Class系列公稱壓力對(duì)照表PN2050110150260420Class15030060090015002500壓力值/MPa2.0511152642c.容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)中給出了甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭和長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭等三種法蘭的分類、技術(shù)條件、結(jié)構(gòu)形式和尺寸，以及相關(guān)墊片、螺栓型式等。公稱壓力范圍為0.25～6.4MPa，公稱直徑為300～3000mm。中國(guó)壓力容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)為JB/T4700～4707《壓力容器法蘭》。d.管法蘭標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際上管法蘭標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)體系，即歐洲體系（以EN1092.1~1092.4為代表）以及美洲體系（以ASME/ANSIB16.5《管法蘭和附件》、B16.47《大直徑鋼法蘭》標(biāo)準(zhǔn)為代表）。中國(guó)管法蘭標(biāo)準(zhǔn)，主要有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9112～9125《鋼制管法蘭》，機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T74～90《管路法蘭和墊片》以及化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T20592～20635《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》（包括歐洲體系和美洲體系）等。e.標(biāo)準(zhǔn)法蘭的選用依據(jù)：根據(jù)容器或管道的公稱直徑、公稱壓力、工作溫度、工作介質(zhì)特性以及法蘭材料進(jìn)行選用。例：PN2.5長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭（JB/T4703），在-20～200℃時(shí)的允許工作壓力為2.5MPa，但若將它用于400℃，它的最高允許工作壓力為1.93MPa；若改用20號(hào)鋼制造，則-20～200℃的允許工作壓力為1.81MPa，而溫度升高到400℃時(shí)，允許工作壓力降低為1.26MPa。因此，選用的法蘭壓力等級(jí)應(yīng)不低于法蘭材料在工作溫度下的允許工作壓力。管法蘭也有類似的規(guī)定，具體可參閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。容器法蘭：公稱壓力——是以16Mn在200℃時(shí)的最高工作壓力為依據(jù)制訂的，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。螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)關(guān)鍵要解決兩個(gè)問題1.保證連接處“緊密不漏”；2.法蘭應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，不致因受力而破壞。實(shí)際應(yīng)用中主要是泄漏，很少有強(qiáng)度不足而破壞。密封性能：壓緊面墊片二、法蘭密封性面和墊片的選擇(1)法蘭壓緊面的選擇壓緊面主要根據(jù)工藝條件、密封口徑以及墊片等進(jìn)行選擇。全平面（a）突面（b）凹凸面（c）榫槽面（d）環(huán)連接面（或稱梯型槽）（e）其中以突面、凹凸面、榫槽面最為常用。形式：圖4-26（a）全平面;（b）凸面;（c）凹凸面;

（d）榫槽面;（e）環(huán)連接面（T型槽）圖4-26壓緊面的形式突面壓緊面：

簡(jiǎn)單，加工方便，裝卸容易，易于防腐襯里。壓緊面可以是平滑的，適用于PN≤2.5MPa場(chǎng)合。帶溝槽的（2～4條、寬×深為0.8mm×0.4mm、截面為三角形周向溝槽），防止非金屬墊片被擠出，適用更廣。

容器法蘭可用至6.4MPa，管法蘭甚至可用至25～42MPa，但隨著公稱壓力的提高，適用的公稱直徑相應(yīng)減小。榫槽壓緊面：由榫面、槽面配合構(gòu)成，墊片安放在槽內(nèi)，不會(huì)被擠出壓緊面，較少受介質(zhì)的沖刷和腐蝕，所需螺栓力較小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更換墊片較難，只適用于易燃、易爆和高度或極度毒性危害介質(zhì)等重要場(chǎng)合。各壓緊面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介凹凸壓緊面：安裝易于對(duì)中，有效防止墊片被擠出，適用PN≤6.4MPa的容器法蘭和管法蘭。選擇：墊片的結(jié)構(gòu)形式、材料、尺寸基本要求：墊片的材料不污染工作介質(zhì)、耐腐蝕、具有良好的變形能

力和回彈能力，在工作溫度下不易變質(zhì)硬化或軟化、能重

復(fù)使用等。（表4－11

墊片選用表）（2）墊片的選擇根據(jù)：介質(zhì)的壓力、溫度、腐蝕性和壓緊面的形狀，兼顧價(jià)格、制造、

更換是否方便等因素來選擇螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的失效模式既有強(qiáng)度失效又有密封失效，而這兩種失效中，密封失效又是主要的失效模式。但由于首先被認(rèn)識(shí)到的是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度失效以及在研究基于密封失效的設(shè)計(jì)方法中所遇到的困難，長(zhǎng)期以來，各國(guó)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)主要采用了以彈性分析為基礎(chǔ)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，使用最為廣泛的是Waters法（或又稱為Taylor-Forge法）。（1）Waters方法（沃特斯法）作用于法蘭的螺栓載荷W、軸向流體靜壓力P1、P2及墊片反力P3都是已知的。圖4-27(a)力的單位是N三、非標(biāo)法蘭設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介圖4-27(b)根據(jù)這些力計(jì)算出作用于法蘭的外力矩，并將此外力矩由均勻作用于法蘭環(huán)內(nèi)外圓周的力P所組成的當(dāng)量力偶來代替。將法蘭分成殼體、錐頸和法蘭環(huán)三部分，在殼體至錐頸、錐頸至法蘭環(huán)兩個(gè)邊緣處，存在邊緣力和邊緣力矩。在力學(xué)分析上，將殼體部分作為圓柱薄殼，錐頸作為變厚度圓柱殼，法蘭環(huán)作為薄圓環(huán)板進(jìn)行計(jì)算。然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)方程求得邊緣力和邊緣力矩，再分別由薄殼和薄板公式求出各部分應(yīng)力。圖4-27(c)沃特斯等人認(rèn)為控制法蘭強(qiáng)度的三個(gè)主要應(yīng)力為法蘭環(huán)上的最大徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力，以及錐頸上的最大軸向彎曲應(yīng)力。上述理論求解過程十分繁瑣，應(yīng)力公式也很復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。工程上：在大量實(shí)驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，把復(fù)雜的理論計(jì)算中要用到的各項(xiàng)系數(shù)繪制成一系列圖表。計(jì)算法蘭應(yīng)力時(shí)，只需查用有關(guān)圖表得到相應(yīng)的系數(shù)值，即可算得各向應(yīng)力并進(jìn)行強(qiáng)度校核，因而形式簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，是目前世界各國(guó)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中主要采用的法蘭設(shè)計(jì)方法。根據(jù)密封所需壓緊力大小計(jì)算螺栓載荷，選擇合適的螺栓材料，計(jì)算螺栓直徑與個(gè)數(shù)，按螺紋和螺栓標(biāo)準(zhǔn)確定螺栓尺寸，最后驗(yàn)算螺栓間距。內(nèi)容：2）螺栓設(shè)計(jì)1）選擇法蘭結(jié)構(gòu)按工藝操作條件所給出的壓力、溫度、介質(zhì)的危害程度等確定法蘭形式、密封面的形式、墊片種類和尺寸以及大部分法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸。按Waters法進(jìn)行法蘭設(shè)計(jì)應(yīng)按以下步驟：已知墊片材料的性能（m，y）及墊片的計(jì)算密封寬度，就可計(jì)算出一定直徑和壓力下墊片所需的壓緊力。a.墊片壓緊力預(yù)緊時(shí)：（4-60）式中Fa—預(yù)緊狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力；b—墊片有效密封寬度；y—墊片比壓力，由表4-9查得，MPa；DG—墊片壓緊力作用中心圓計(jì)算直徑，mm；當(dāng)bo≤6.4mm時(shí)，DG等于墊片接觸的平均直徑；當(dāng)bo＞6.4mm時(shí)，DG等于墊片接觸的外徑減去2b。（4-61）式中Fp—操作狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力，N；

m—墊片系數(shù)，由表4-9查得；

pc—計(jì)算壓力，MPa。操作時(shí)：需要的壓緊力由操作密封比壓引起，由于原始定義m時(shí)是取2倍墊片有效接觸面積上的壓緊載荷等于操作壓力的m倍，所以計(jì)算時(shí)操作密封比壓應(yīng)為2mpc，則:關(guān)于（4-60）和（4-61）試中的有效密封寬度b和密封基本寬度bo:bo—墊片基本寬度（bo見表4－11）當(dāng)bo≤6.4mm時(shí)，b=bo當(dāng)bo＞6.4mm時(shí)，表4－11

墊片選用表0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2金屬環(huán)墊環(huán)連接面451～53010、0Cr13、0Cr18Ni9金屬齒形墊凹凸≤4506.410.00Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、金屬包墊、柔性石墨復(fù)合墊凹凸41～4500Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊凹凸≤404.00Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、金屬包墊、柔性石墨復(fù)合墊突（凹凸）201～450耐油橡膠石棉板、0Cr13鋼帶-石棉板耐油墊、纏繞墊、金屬包墊、柔性石墨復(fù)合墊突（凹凸）≤2002.50Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、金屬包墊、柔性石墨復(fù)合墊突（凹凸）201～250耐油橡膠石棉板、聚四氟乙烯板耐油墊、四氟墊突（凹凸）≤200≤1.6油品、油氣，溶劑（丙烷、丙酮、苯、酚、糠醛、異丙醇），石油化工原料及產(chǎn)品材料型式墊片密封面工作溫度/℃法蘭公稱壓力/MPa介質(zhì)0Cr13、0Cr18Ni9金屬環(huán)墊環(huán)連接面45010.0紫銅板紫銅墊凹凸4006.43.5MPa0Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架、紫銅板纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊、紫銅墊3004.02.5MPa0Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊突≤2801.61.0MPa中壓橡膠石棉板橡膠墊突≤2001.00.3MPa蒸汽中壓橡膠石棉板橡膠墊突≤1501.6壓縮空氣中壓橡膠石棉板橡膠墊凹凸≤1502.5氨0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2金屬環(huán)墊環(huán)連接面401～5300Cr13、0Cr18Ni9金屬環(huán)墊環(huán)連接面251～40010、0Cr13、0Cr18Ni9金屬環(huán)墊環(huán)連接面≤2506.410.00Cr18Ni19鋼帶-石墨帶、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2纏繞墊、金屬齒形墊凹凸451～5300Cr18Ni19鋼帶-石墨帶石墨-0Cr18Ni19等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊凹凸251～4500Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊凹凸≤2504.0氫氣、氫氣與油氣混合物耐油橡膠石棉板、石墨-0Cr13等骨架耐油墊、柔性石墨復(fù)合墊突-20～04.0低溫油氣蒙乃爾合金帶-石墨帶、蒙乃爾合金板纏繞墊、金屬平墊凹凸1704.0氫氟酸紫銅金屬平墊2601.0環(huán)氧乙烷0Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊突≤502.5耐油橡膠石棉板耐油墊突≤501.6液化石油氣0Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊凹凸≤450≥2.5中壓橡膠石棉板橡膠墊突≤300≤1.6弱酸、弱減、酸渣、堿渣0Cr13鋼帶-石墨帶纏繞墊環(huán)連接面≥1.6劇毒介質(zhì)中壓橡膠石棉板橡膠墊突≤300≤1.6水0Cr13（0Cr18Ni9）鋼帶-石棉板纏繞墊凹凸≤606.40Cr13鋼帶-石棉板石墨-0Cr13等骨架纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊凹凸≤604.0中壓橡膠石棉板橡膠墊突≤2001.6惰性氣體表4-12

墊片密封基本寬度bo表4-12

墊片密封基本寬度bo（續(xù)）

預(yù)緊狀態(tài)：（4-62）需要的最小螺栓載荷等于保證墊片初始密封所需的壓緊力，式中Wa—預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷，N；操作狀態(tài)：需要的最小螺栓載荷，由二部分組成：介質(zhì)產(chǎn)生的軸向力和保持墊片密封所需的墊片壓緊力，即（4-63）式中Wp—操作狀態(tài)下，需要的最小螺栓載荷，N；b.螺栓載荷計(jì)算原則：為了保證預(yù)緊和操作時(shí)都能形成可靠的密封，應(yīng)分別求出兩種工況下螺栓的截面積，擇其大者為所需螺栓截面積，從而確定螺栓直徑與個(gè)數(shù)。螺栓與螺母應(yīng)采用不同材料或同種材料但不同的熱處理?xiàng)l件，使其具有不同的硬度，螺栓材料硬度應(yīng)比螺母高30HB以上。c.螺栓設(shè)計(jì)

預(yù)緊狀態(tài)：

按常溫計(jì)算，螺栓所需截面積Aa為（4-64）式中—常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力，MPa。操作狀態(tài)：

按螺栓設(shè)計(jì)溫度計(jì)算，螺栓所需截面積Ap（4-65）式中—設(shè)計(jì)溫度下螺栓材料的許用應(yīng)力，MPa。Am=max（Aa，Ap）需要的螺栓截面積確定螺栓直徑與個(gè)數(shù)do—螺紋根徑或螺栓最小截面直徑n—螺栓個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)：do與n是互相關(guān)聯(lián)的未知數(shù)，算出螺栓根徑do先假設(shè)螺栓個(gè)數(shù)nN應(yīng)為偶數(shù)，最好是4的倍數(shù)實(shí)際螺栓截面積不小于Am保證將do圓整為螺紋標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑螺栓公稱直徑一般不小于M12（4-67）dB—螺栓公稱直徑，mmδf—法蘭有效厚度，mm查表4-13螺栓個(gè)數(shù)n：★個(gè)數(shù)多，墊片受力均勻，密封效果好?！飩€(gè)數(shù)太多，螺栓間距變小，可能放不下扳手，引起裝拆困難?！锓ㄌm環(huán)上兩個(gè)螺栓孔中心距=πDb/n應(yīng)該在（3.5～4）dB

的范圍?！飩€(gè)數(shù)太少，螺栓間距太大，螺栓孔之間將引起附加的

法蘭彎矩，且墊片受力不均導(dǎo)致密封性下降，因此，

螺栓最大間距不超過。表4-13

LA、Le及螺栓間距的最小值3）法蘭力矩計(jì)算同螺栓設(shè)計(jì)一樣，計(jì)算法蘭受到的扭矩也應(yīng)考慮預(yù)緊和操作兩個(gè)工況。在預(yù)緊工況中僅由墊片反力和螺栓力所產(chǎn)生的力矩作用在法蘭上。這時(shí)，考慮到螺栓裝配時(shí)預(yù)緊力矩的不確定性，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定螺栓力為：

所產(chǎn)生的扭矩為：

式中Am–所需要的螺栓截面積，mm2；

Ab–實(shí)際的螺栓截面積，mm2；

LG–螺栓中心至墊片力作用點(diǎn)的距離，mm。（4-68）（4-69）操作工況下的法蘭力矩Mp可通過作用在筒體和法蘭環(huán)上的壓力以及作用在密封面上的墊片反力對(duì)螺栓中心取矩得到。然后，取法蘭設(shè)計(jì)力矩為：

中大值（4-70）其中—法蘭材料在操作溫度下的許用應(yīng)力，—?dú)んw或接管材料在操作溫度下的許用應(yīng)力。4）應(yīng)力計(jì)算和校核錐頸上的最大軸向應(yīng)力σH：取小值法蘭環(huán)上的最大徑向應(yīng)力σR：針對(duì)不同部分應(yīng)力性質(zhì)不同，分別采用不同強(qiáng)度失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則法蘭環(huán)上的最大環(huán)向應(yīng)力σT：

錐頸部分和法蘭環(huán)所承受的力矩將重新分配，錐頸已屈服部分不能再承受載荷，其中大部分需要法蘭環(huán)來承擔(dān)，這就使法蘭環(huán)的實(shí)際應(yīng)力有可能超過以上的強(qiáng)度條件。因此為使法蘭環(huán)不產(chǎn)生屈服，保證密封可靠，尚需對(duì)錐頸部分和法蘭環(huán)的平均應(yīng)力加以限制，即錐頸有少量屈服：及焊接法蘭的角焊縫或活套法蘭的支承凸緣處的切應(yīng)力τ：預(yù)緊螺栓時(shí)：τ<0.8[σ]n操作情況下：τ<雖然到目前為止，包括美國(guó)、歐盟、日本以及中國(guó)等許多國(guó)家的壓力容器規(guī)范都采用Waters法進(jìn)行螺栓法蘭連接接頭的設(shè)計(jì)，但在使用中發(fā)現(xiàn)該方法存在以下問題：a）Waters法中所使用的墊片參數(shù)m和y都是在很早以前實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，沒有一個(gè)國(guó)家的規(guī)范對(duì)當(dāng)前出現(xiàn)的新型墊片給出這兩個(gè)數(shù)據(jù)，也沒有對(duì)老的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。這就阻礙了用該方法對(duì)采用了新型墊片的法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前使用的墊片參數(shù)m和y是否反映了墊片的真實(shí)密封性能也不得而知；b）用Waters法無法對(duì)法蘭結(jié)構(gòu)的密封性能進(jìn)行定量估計(jì)和設(shè)計(jì)，即用該方法無法得到在各工況下都能保證密封要求的裝配時(shí)所需的螺栓力。Waters方法存在的問題重要性：高壓密封裝置的重量約占容器總重的10%～30%，而成本則占總成本的15%～40%，是高壓容器設(shè)計(jì)的重要組成部分。基本組成：承力構(gòu)件；大螺栓、螺紋套筒、內(nèi)螺塞、抗剪銷等密封元件；平墊、雙錐環(huán)、八角墊、橢圓墊等

（1）金屬密封元件，常用退火鋁、退火紫銅和軟鋼：（2）窄面或線接觸密封；（3）自緊或半自緊式密封,壓力越高，密封越可靠。一、高壓密封的基本特點(diǎn)高壓密封結(jié)構(gòu)二、高壓密封的結(jié)構(gòu)形式（1）金屬平墊密封特點(diǎn)：強(qiáng)制式密封，主螺栓預(yù)緊，窄面金屬平墊片。平墊材料：退火鋁、退火紫銅或10號(hào)鋼。適用范圍：設(shè)計(jì)溫度0～200℃設(shè)計(jì)壓力上限35MPa

內(nèi)直徑上限1000mm圖4-28平墊密封結(jié)構(gòu)（2）雙錐密封圖4-30雙錐密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：半自緊式密封，主螺栓預(yù)緊，雙錐環(huán)徑向自緊。雙錐環(huán)材料：35、16Mn、20MnMo、15CrMo、S30408和S32168等的Ⅲ級(jí)或Ⅳ級(jí)鍛件。軟墊片和金屬絲：銀、退火鋁、退火紫銅、柔性石墨等。適用范圍：設(shè)計(jì)溫度0～400℃；

設(shè)計(jì)壓力范圍6.4～35MPa；

內(nèi)直徑范圍400～3200mm（原標(biāo)準(zhǔn)為2000mm）。（3）伍德密封特點(diǎn)：軸向自緊式密封，牽制螺栓預(yù)緊，線接觸，預(yù)緊力小，溫度壓力波動(dòng)場(chǎng)合密封性好。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占高壓空間大。適用范圍：設(shè)計(jì)壓力上限35MPa。圖4-31伍德密封結(jié)構(gòu)（4）卡扎里密封特點(diǎn)：強(qiáng)制式密封，裝卸方便，安裝預(yù)緊力較小介質(zhì)產(chǎn)生的軸向力由螺紋套筒承擔(dān)，不需要大直徑主螺栓。鋸齒螺紋加工困難。適用范圍：設(shè)計(jì)壓力上限35MPa圖4-29外螺紋卡扎里密封結(jié)構(gòu)內(nèi)螺紋卡扎里密封改良卡扎里密封（5）八角墊和橢圓墊密封特點(diǎn)：自緊式密封，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，適用范圍廣。頂蓋、端部法蘭厚，結(jié)構(gòu)笨重。適用范圍：設(shè)計(jì)壓力上限35MPa（6）高壓管道密封形式強(qiáng)制式平墊密封自緊式徑向自緊式—透墊自緊式特點(diǎn)：與容器密封一樣，要求具有密封性能良好、制造容易、結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)單合理、安裝維修方便等特點(diǎn)。特殊：①管道將承受很大的附加彎矩或剪力；

②管較長(zhǎng)，熱膨脹值大，受溫度波動(dòng)影響大；③要便于拆卸。結(jié)構(gòu)：密封面——管端加工成β=20°錐面，透鏡墊圈——2個(gè)球面；預(yù)緊：擰緊螺栓，使透鏡球面與管端錐面形成線接觸密封，單位面積上的壓緊力很大，使透鏡墊與管端錐面之間有足夠的彈性變形和局部塑性變形。工作：升壓后透鏡墊徑向膨脹，產(chǎn)生自緊作用，使密封面貼合得更為緊密。高溫型透鏡墊：如圖4-32（b）所示，有一個(gè)內(nèi)環(huán)形空腔，當(dāng)受內(nèi)壓