密封装置设计-.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4.3,常规设计,4.3.4,密封装置设计,第 四 章,压力容器设计,CHAPTER,Design of Pressure Vessels,1,本节主要内容,密封机理及分类,影响密封性能的主要参数,螺栓法兰连接设计,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,4.3.4,密封装置设计,2,过程设备设计,4.3.4,密封装置设计,3,过程设备设计,4.3.4,密封装置设计,4,可拆,密封装置,螺纹连接,承插式连接,螺栓法兰连接,螺栓,垫片,法兰密封系统,本节,主要内容,密封机理及分类,影响密封性能的主要因素,螺栓法兰连接设计,5,过程设备设计,4.3.4,密封装置设计,6,过程设备设计,4.3.4,密封装置设计,7,过程设备设计,4.3.4,密封装置设计,螺栓法兰,连接的,基本要素,被连接件,法兰,连接件,螺栓,密封件,垫片,法兰连接,的基本要求,密封可靠,结构简单,装拆方便,8,螺栓法兰连接结构设计的主要问题,密封设计：就是根据操作条件的要求（如：压力、温度、介质等）选取法兰的类型和压紧面的形式，选取合适的垫片确定螺栓载荷并进行螺栓设计。,法兰的强度设计：确定法兰尺寸，以保证法兰有足够的强度和刚度。,即,：根据计算得到的螺栓载荷，对法兰进行上述两种工况的受力分析和应变校核，以确定法兰的厚度。,9,过程设备设计,4.3.4,密封装置设计,原理：,性能：,图,4-22,螺栓法兰连接结构,1-,螺栓；,2-,垫片；,3-,法兰,依靠螺栓预紧力把两部分设备或管道法兰环连在一起，同时压紧垫片，使连接处达到密封。,较好的强度和密封性，结构简单，成本低廉，可多次重复拆卸，应用较广。,10,过程设备设计,4.3.4,密封装置设计,11,过程设备设计,4.3.4,密封装置设计,12,4.3.4.1,密封机理及分类,密封机理,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,法兰的压紧面经加工后总会存在凹凸不平的间隙，当上紧法兰螺栓时，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上。当垫片单位面积上所受的压紧力达到一定值时，使垫片产生弹塑性变形，填满法兰面的不平间隙，从而使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的介质压差，即达到密封的目的。,其密封过程如图，可分为如下三步：,13,螺栓法兰连接的整个工作过程：,（,a）,尚未预紧工况,（,b）,预紧工况,（,c）,操作工况,（,a,）尚未预紧工况,将上、下法兰压紧面和垫片的接触处的微观尺寸放大，表面是凹凸不平的，这就是流体泄漏的通道。,（,a）,尚未预紧工况,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,图,4-23,密封机理图,4.3.4.1,密封机理及分类,14,（,b,）预紧工况（无内压）,拧紧螺栓，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上。垫片产生弹性或屈服变形，填满凹凸不平处，堵塞泄漏通道，形成初始密封条件。,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,（,b）,预紧工况,图,4-23,密封机理图,15,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,（,c,）操作工况（有内压）,A:,内压引起的轴向力,，使上下法兰压紧面分离，垫片压缩量减少，密封比压（即，压紧面上的压紧应力）下降,B:,垫片弹性压缩变形部分产生回弹,，补偿因螺栓伸长所引起的压紧面分离，使压紧面上的密封比压力仍能维持,一定值,以保持密封性能。,16,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏，除了受介质压力、温度、粘度、分子结构等流体状态性质影响外，主要与垫片的结构与材料性质有关，可通过对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成型来避免“渗透泄漏”；,沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大小主要与界面间隙尺寸有关。压紧面就是指上、下法兰与垫片的接触面。加工时压紧面上凹凸不平的间隙及压紧力不足是造成“界面泄漏”的直接原因。“界面泄漏”是密封失效的主要途径。,介质泄漏的形式,垫片渗漏,压紧面泄漏,17,界面泄漏,渗透泄漏,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,4.3.4.1,密封机理及分类,18,防止流体泄漏的基本方法,当介质通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封。而介质通过密封口的阻力是借施加于压紧面上的,比压力,来实现的，作用在压紧面上的密封比压力越大，则介质通过密封口的阻力越大，越有利于密封。,在密封口增加流体流动的阻力,泄漏时介质通过密封口的,动力,：,密封口内外介质,压力差,泄漏时介质通过密封口的,阻力,：,压紧面上的,比压力,19,密封分类,1、按获得密封比压力方法的不同,2、按被密封介质的压力大小,分类,中低压密封,高压密封,强制密封,自紧密封,半自紧式密封,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,20,1、按获得密封比压力方法的不同,a、,强制密封,完全依靠连接件（螺栓）的作用力强行挤压密封元件达到密封。,特点,预紧力大，约为工作压力产生的轴向力的,1.1,1.6,倍。,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,21,b,、自紧式密封,主要依靠容器内部的介质压力压紧密封元件（垫片）实现密封。,特点：,预紧力小，介质压力越高，密封越可靠，,约为工作压力产生的轴向力的,20%,以下。,轴向自紧式密封,径向自紧式密封,半自紧式密封,密封元件的轴向刚度小于,被连接件的轴向刚度。,密封元件的轴向刚度小于,被连接件的轴向刚度。,属于非自紧式的强制式密封，,但又具有一定的自紧性能，,如双锥密封。,22,2、按被密封介质的压力大小,中、低压密封：螺栓法兰结构，强制式密封。,高压密封：自紧式密封、半自紧式密封。,23,4.3.4.2,影响密封性能的主要因素,主要影响因素,一、螺栓预紧力,二、垫片性能,三、压紧面的质量,四、法兰刚度,五、操作条件,24,4.,预紧力应均匀地作用到垫片上，可采取减,小螺栓直径、增加螺栓个数等措施来提高,密封性能。,2.,适当提高预紧力可增加垫片的密封能力,即,在正常工况下保留较大的接触面比压力。,1.,预紧力使垫片压紧实现初始密封。,3.,预紧力不宜太大，否则使垫片整体屈服丧,失回弹能力，甚至将垫片挤出或压坏。,一、螺栓预紧力（连接件）,25,二、垫片性能（密封件）,（,1,）,垫片要有适宜变形能力和回弹能力,是形成,密封的必要条件。变形能力大的密封垫易,填满压紧面上的间隙，并使预紧力不致太,大；回弹能力大的垫片，能适应操作压力,和温度的波动。,（,2,）垫片应具有能适应介质的温度、压力和腐,蚀等的性能。,（,3,）垫片比压力,y,和垫片系数,m,：与垫片材料、,结构与厚度关，还与介质性质、压力、温,度、压紧面粗糙度等因素有关，而且,m,和,y,之间也存在内在联系。,26,三、压紧面的质量（法兰）,压紧面又称密封面，其形状和粗糙度应,与垫片相匹配，,使用金属垫片时其压紧面的质量要求比,使用非金属垫片时高；,压紧面表面不允许有刀痕和划痕；,应能均匀地压紧垫片，保证平面度和垂,直度。,27,过大的翘曲变形，密封失效的主要原因之一。,四、法兰刚度（被连接件）,增加法兰环的厚度、缩小螺栓中,心圆直径、增大法兰环外径；,采用带颈法兰或增大锥颈部分尺,寸，提高抗弯能力。,提高法兰,刚度：,刚度不足：,28,图,4-24,法兰的翘曲变形,29,在压力、介质和温度的联合作用下，尤其是波动的高温下，会严重影响密封性能，甚至使密封因疲劳而完全失效。,操作条件：,指压力、温度及介质的物理化学性质对密封性能的影响。,特点：,高温下，介质粘度小，渗透性大，易泄漏；,介质对垫片和法兰的腐蚀作用加剧，增加了泄漏的可能性；,法兰、螺栓和垫片均会产生较大的高温蠕变与应力松弛，使密封失效；,某些非金属垫片还会加速老化、变质，甚至烧毁。,原因：,五、操作条件,30,垫片的性能参数,预紧密封比压,Y,垫片系数,m,31,由以上分析，在确立法兰设计方法时，把预紧工况与操作工况分开处理，从而大大简化了法兰设计。为此，对两个不同的工况分别引进两个垫片性能参数，即,“,最小压紧应力,”或“,比压力,”,y,以及,“,垫片系数,”,m,。,32,预紧密封比压,y,：,定义,：预紧,(,无内压,),时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件，此时垫片所必需的最小压紧载荷。,因以单位接触面积上的压紧载荷计，故也称,最小压紧应力,，单位为,MPa,。,y,值仅与,垫片材料、结构与厚度有关,。,垫片性能参数,33,y,值一般由实验测定，它主要取决于：,1,、垫片材料,2,、垫片的形式,3,、垫片的尺寸,4,、压紧面的粗糙度，其是计算螺栓预紧力,的主要设计参数,5,、与操作压力无关,6,、与介质种类无关,其物理意义为,：形成初始密封的难易程度,34,工作密封比压,：,回弹后垫片的比压力仍不低于某一极限值，则检漏仍然是合格的，可保证密封，此极限值称为工作密封比压,35,垫片系数,m,：,是指操作,(,有内压,),时，达到紧密不漏，垫片所必须维持的比压与介质压力,P,的比值（无单位）。,即,:,其物理意义是,：表示垫片在操作状态下，实现密封的难易程度。与垫片的形状、材料有关。,36,表,49,垫片性能参数,37,表,49,垫片性能参数（续）,38,表,49,垫片性能参数（续）,39,螺栓法兰连接的密封性设计,2.,法兰应具有足够的强度，不致因受力而破坏。,1.,保证连接处“紧密不漏”；,应用中主要是泄漏，很少有强度不足而破坏。,压紧面,垫片,密封性能的决定因素：,螺栓法兰连,接设计关键,要解决两个,问题,40,（1）,法兰压紧面的选择,压紧面主要根据,工艺条件,、,密封口径,以及,垫片,等进行选择。,光滑型压紧面（全平面、凸面）,（,a,）（,b,）,凹凸面：也称为部分约束型压紧面（,c,）,榫槽面（,d,）,梯形槽面（或：环连接面、,T,型槽）（,e,）,锥形槽面,其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。,形式：,图4-25,41,（,a）,全平面,（,b）,突面,（,c）,凹凸面,（,d）,榫槽面,（,e）,环连接面（,T,型槽）,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,P140,页图,4-26,42,凹凸面法兰连接,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,43,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,榫槽面法兰连接,44,突面压紧面：,结构简单，加工方便，装卸容 易，易于防腐衬里。,压紧面可以是,平滑,的，适用于,PN2.5MPa,场合。,带沟槽,的适用更广，容器法兰可用至,6.4MPa,，管法兰甚至可用至,25-42MPa,，但随着公称压力的提高,，适用的公称直径相应减小。,P140,页图,4-26,45,凹凸压紧面：,安装易于对中，有效防止垫片被挤出，适用于,PN6.4MPa,的容器法兰和管法兰。,46,榫槽压紧面：,由榫面、槽面配合构成，垫片安放在槽内，不会被挤出压紧面，较少受介质的冲刷和腐蚀，所需螺栓力较小，但结构复杂，更换垫片较难，只适用于易燃、易爆和高度或极度毒性危害介质等重要场合。,47,梯形槽面：（,T,型槽）,它是利用槽的内外锥面和垫片的线接触而形成密封的。适用于安装圆形、椭圆形、八角形的自紧式金属垫，主要用于高压场合。,锥形槽面：,锥面和透镜垫相配使用。,48,（,2,）垫片的选择,介质的压力、温度、腐蚀性和压紧面的形状，兼顾价格、制造、更换是否方便等因素来选择,根据：,选择：,垫片的结构形式、材料、尺寸,基本,要求：,垫片的材料不污染工作介质；耐腐蚀；具有良好的变形能力和回弹能力；垫片的耐用温度应大于操作温度；有一定的机械强度和适应的柔软性；在工作温度下不易变质硬化或软化、能重复使用等。（表,4,10,垫片选用表）,49,垫片分为非金属，金属、组合等三种,非金属垫片：,非金属垫片的优点主要是柔软、耐腐蚀、价格便宜，但耐温度和压力性能较差。多用于常、中温和中、低压容器或管道的法兰密封。使用最多的是石棉、橡胶及合成树脂材料。,50,橡胶类,:,橡胶因具有组织致密、质地柔软、回弹性好、容易剪切成各种形状，便宜易购等优点而被广泛使用于容器和管道密封中，特别是水管道（线）上。但它不耐高压、容易在矿物油中溶解和膨胀，且不耐腐蚀。在高温容易老化、失去弹性。,常见的有：,普通橡胶、耐酸橡胶（不耐,碱）、耐油橡胶,51,石棉类,：（板、绳、带）,石棉橡胶类,：使用最广泛。它是由重量比为,60%,80%,的石棉纤维与,10%,20%,的橡胶为主要成分，加入填充剂、硫化剂后加压加温而成。这种材料的耐热性、耐寒性、耐化学性都很好，价格也便宜，容易买到。,常见的有六种：,高、中、低压；,耐油、酸、碱,52,塑料垫片：,常见的有：,聚乙烯、聚四氟乙烯、聚氟乙烯等。主要用在常温、低压、耐强腐蚀场合。,比如聚四氟乙烯有塑料王之称，乃化学性、耐热性、耐寒性、耐油性，以及耐气候性优越于现有任何塑料。它不易老化、不燃烧、吸水性近乎于零。用做垫片，接触面可做到平整光滑，对金属法兰不粘着。但回弹性较差，一般用在常压、低温条件下。低温可达,-269.9,，但价格贵，所以多用于低压小直径管道上。,53,新型材料,-,膨胀石墨,是近十年来在国外普遍受到重视的密封材料，适用范围越来越广。它具有良好的耐热性能和耐化学性能，回弹性好。预紧密封比压较小，仅为同厚度的石棉橡胶极比压的,1/7,，,M,也较小，需要的螺栓力小。国外普遍应用于,110.5MPa,压力的化工管道密封，特别适用于有毒，易燃、高温的密封场合，石油炼厂和化工厂应用越来越广泛。它在,500,的高温下不发生蠕变，在深冷温度下，性能几乎无变化。,-196,54,金属垫片,具有耐高温、高压、耐油、耐腐蚀等优点,其主要的材料有：,铝：,软铝,铜：,黄铜、紫铜,低碳钢：,A3,、,20,等,不锈钢：,Cr13,、,Cr18Ni9,等,低碳合金钢：,钛：,银：,蒙乃尔合金,等等,55,其断面形状主要有：,平形、波纹形、圆形、椭圆形、梯形、,C,形、,B,形等等。,金属垫片具有很高的强度，,X,、,Y,值很大，主要用在高温高压的场合。,56,组合类垫片,缠绕类：,金属、非金属相间缠绕。,包裹类：,金属包裹非金属。,适用于中低压、中低温场合,缠绕式垫片的优点：,采用金属波带形，使垫片具有较好的弹性和回,弹性，而且强度高，不易损坏。,耐高温，并且在很宽温度变化范围均能良好的适应。,57,对法兰密封面粗糙度要求不高，在,Ra6.33.2,内也能适用，特别是对法兰的歪斜和变形能很好的适应。,根据不同用途，只要适当选用缠绕材料，既可满足各种使用要求。,能承受较高的介质压力。,58,根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，选择合适的螺栓材料，,计算螺栓直径与个数，,按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸，,最后验算螺栓间距。,内,容,（,3,）螺栓设计,59,a.,垫片压紧力,b.,螺栓载荷计算,c.,螺栓设计,计算内容,60,已知垫片材料的,性能参数,（,m,，,y,）,及垫片的,计算密封宽度,，就可计算出一定直径和压力下垫片所需的压紧力。,a.,垫片压紧力,61,A,、预紧时的螺栓力：,因没有内压、螺栓拉力等于保证垫片初始密封所需的预紧力。即：,62,式中：,-,预紧状态下，需要的最小垫片压紧力,-,垫片压紧力作用中心圆计算直径，,mm,b-,预紧有效密封宽度,mm,y-,预紧密封比压,MPa,-,预紧时的螺栓载荷,63,其中：,需根据垫片与法兰面接触情况定：,等于垫片接触的平均直径。,时，,等于垫片接触的外径减去,-,垫片的基本宽度,（与实际结构及垫片型式有关）,当,当,时，,64,其中：,垫片有效宽度,接触情况确定。因为预紧之后，法兰有一定偏转，可能造成外紧内松或外松内紧，而使密封面变小，所以要用有效宽度，即,当,时，取,当,时，取,要根据法兰密封面与垫片的,65,B.,操作状态下螺栓力计算：,螺栓力等于介质压力产生的轴向力,的压紧力,之和。即：,与垫片工作时,66,式中：,-,操作状态下需要的最小螺栓力,-,介质产生的轴向力,-,操作状态下需要的最小垫片压紧力,-,考虑操作时，认为工作密封比压,均匀分布在,接触得更好。,-,垫片系数,的宽度上，,67,表,4,10,垫 片 选 用 表,0,Cr13,、,0Cr18Ni9,、,0Cr17Ni12Mo2,金属环垫,环连接面,451,530,10,、,0,Cr13,、,0Cr18Ni9,金属齿形垫,凹凸,450,6.4,10.0,0,Cr13,钢带,-,石棉板,石墨,-0,Cr13,等骨架,缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫,凹凸,41,450,0,Cr13,钢带,-,石棉板,石墨,-0,Cr13,等骨架,缠绕垫、柔性石墨复合垫,凹凸,40,4.0,0,Cr13,钢带,-,石棉板,石墨,-0,Cr13,等骨架,缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫,突（凹凸）,201,450,耐油橡胶石棉板、,0,Cr13,钢带,-,石棉板,耐油垫、缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫,突（凹凸）,200,2.5,0,Cr13,钢带,-,石棉板,石墨,-0,Cr13,等骨架,缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫,突（凹凸）,201,250,耐油橡胶石棉板、聚四氟乙烯板,耐油垫、四氟垫,突（凹凸）,200,1.6,油品、油气，溶剂（丙烷、丙酮、苯、酚、糠醛、异丙醇），石油化工原料及产品,材 料,型 式,垫 片,密封面,工作温度,/,法兰公称压力,/,MPa,介 质,68,0,Cr13,、,0Cr18Ni9,金属环垫,环连接面,450,10.0,紫铜板,紫铜垫,凹凸,400,6.4,3.5,MPa,0,Cr13,钢带,-,石棉板,石墨,-0,Cr13,等骨架、紫铜板,缠绕垫、柔性石墨复合垫、紫铜垫,300,4.0,2.5,MPa,0,Cr13,钢带,-,石棉板,石墨,-0,Cr13,等骨架,缠绕垫、柔性石墨复合垫,突,280,1.6,1.0,MPa,中压橡胶石棉板,橡胶垫,突,200,1.0,0.3,MPa,蒸,汽,中压橡胶石棉板,橡胶垫,突,150,1.6,压缩空气,中压橡胶石棉板,橡胶垫,凹凸,150,2.5,氨,0,Cr18Ni9,、,0Cr17Ni12Mo2,金属环垫,环连接面,401,530,0,Cr13,、,0Cr18Ni9,金属环垫,环连接面,251,400,10,、,0,Cr13,、,0Cr18Ni9,金属环垫,环连接面,250,6.4,10.0,0,Cr18Ni19,钢带,-,石墨带、,0,Cr18Ni9,、,0Cr17Ni12Mo2,缠绕垫、金属齿形垫,凹凸,451,530,0,Cr18Ni19,钢带,-,石墨带,石墨,-0,Cr18Ni19,等骨架,缠绕垫、柔性石墨复合垫,凹凸,251,450,0,Cr13,钢带,-,石棉板,石墨,-0,Cr13,等骨架,缠绕垫、柔性石墨复合垫,凹凸,250,4.0,氢气、氢气与油气混合物,表,4,10,垫 片 选 用 表（续）,69,耐油橡胶石棉板、石墨,-0,Cr13,等骨架,耐油垫、柔性石墨复合垫,突,-20,0,4.0,低温油气,蒙乃尔合金带,-,石墨带、蒙乃尔合金板,缠绕垫、金属平垫,凹凸,170,4.0,氢氟酸,紫铜,金属平垫,260,1.0,环氧乙烷,0,Cr13,钢带,-,石棉板,石墨,-0,Cr13,等骨架,缠绕垫、柔性石墨复合垫,突,50,2.5,耐油橡胶石棉板,耐油垫,突,50,1.6,液化石油气,0,Cr13,钢带,-,石棉板,石墨,-0,Cr13,等骨架,缠绕垫、柔性石墨复合垫,凹凸,450,2.5,中压橡胶石棉板,橡胶垫,突,300,1.6,弱酸、弱减、酸渣、碱渣,0,Cr13,钢带,-,石墨带,缠绕垫,环连接面,1.6,剧毒介质,中压橡胶石棉板,橡胶垫,突,300,1.6,水,0,Cr13,（,0Cr18Ni9,）钢带,-,石棉板,缠绕垫,凹凸,60,6.4,0,Cr13,钢带,-,石棉板,石墨,-0,Cr13,等骨架,缠绕垫、柔性石墨复合垫,凹凸,60,4.0,中压橡胶石棉板,橡胶垫,突,200,1.6,惰性气体,表,4,10,垫 片 选 用 表（续）,70,表,4-11,垫片密封基本宽度,bo,71,表,4-11,垫片密封基本宽度,bo,（续）,72,b,螺栓尺寸和数目：,为了保证预紧和操作时都能形成可靠的密封，应分别求出两种工况下螺栓的截面积，择其大者为所需螺栓截面积，从而确定螺栓直径与个数。,a,选择螺栓材料：,螺栓与螺母应采用不同材料或同种材料但不同的热处理条件，使其具有不同的硬度，螺栓材料硬度应比螺母高,30,HB,以上。,c.,螺栓设计,原则：,73,预紧状态下,:,按常温计算，螺栓所需截面积为,式中：,-,预紧状态下的螺栓载荷,-,常温下螺栓材料的许用应力,MPa,操作状态下,:,按螺栓设计温度计算，,螺栓所需总截面积为,74,式中：,-,操作状态下的螺栓载荷,-,设计温度下螺栓材料的许用应力,MPa,75,实际所需取,:,若选用螺栓个数,:,则每个螺栓的直径为：,则有：,（式中：,k,取正整数，即：,k=1,，,2,，,3,）,76,C,、根据上面计算的螺纹根径,查相应手册，向上圆整至标准值。,D,、验算螺栓间距：,也就是说,n,到底需要选多少？,从密封的角度考虑似乎越多越好，但如果多到不能用扳手也不合格。所以要校核螺栓间距。,根据螺栓中心圆的直径和螺栓个数,n,确定螺栓间距：,77,并且满足下述关系式：,最小间距：,按,P160,表,4-12,选取,最大间距：,按下式计算：,式中：,-,螺栓公称直径,-,法兰有效厚度,m -,垫片系数,78,表,4-1,3,LA,、,Le,及螺栓间距,的最小值,/,mm,注：,A,组数据适用于（,a,）图所示的带颈法兰结构；,B,组数据适用于（,b,）图所示的焊制法兰结构。,70,80,90,102,116,30,36,42,48,55,35,38,44,48,56,60,70,30,36,42,48,56,32,38,46,52,56,62,16,18,20,24,26,28,16,20,24,26,27,30,20,24,30,32,34,38,12,16,20,22,24,27,B,组,A,组,B,组,A,组,L,e,L,A,螺栓公称直径,d,B,L,e,L,A,螺栓公称直径,d,B,螺栓最,小间距,螺栓最,小间距,79,设计时：,d,o,与,n,是互相关联的未知数，,先假设螺栓个数,n,算出螺栓根径,d,o,将,d,o,圆整为罗纹标准公称直 径,n,应为偶,数，最好,是4的倍数,实际螺栓截面积不小于,A,m,保证,螺栓公称直径,一般不小于,M12,80,法兰结构类型及标准,1,、法兰类型,(,见,P138,页）,按使用场合分：分为如下两种,容器法兰：,用于容器的壳体和封头连接的法兰,用于容器的筒节和筒节连接的法兰,管法兰：,用于管道连接的法兰,81,b,、按法拦接触面的宽窄分：分为如下两种,宽面法兰：,即螺栓孔两侧都有垫片,-,螺栓从垫片中穿过。,主要用于中、低压设备上,窄面法兰：,即螺栓孔一侧垫片,82,C,、按法兰自身的结构型式分：,分为如下的三种型式,整体法兰：,其结构将法兰与壳体锻或铸成一,体或经全熔透的平焊法兰。,松式法兰：,指法兰不直接固定在壳体上，或,者虽固定而不能保证与壳体作为,一个整体承受螺栓载荷的结构。,任意法兰；,从结构来看，这种法兰与壳体连,成一体，但刚性介于整体和松式,法兰之间。,83,a、,松式法兰（,P139,页图,4-25,）,活套法兰,螺纹法兰,搭接法兰,指法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。,如：,活套法兰、螺纹法兰、搭接法兰,等,。,84,活套法兰,85,86,螺纹法兰,87,88,搭接法兰,89,90,a、,松式法兰,活套,法兰,但法兰刚度小，厚度较厚，一般只适用于压力较低的场合,典型的松式法兰，其法兰的力矩完全由法兰环本身来承担，对设备或管道不产生附加弯曲应力,适用于有色金属和不锈钢制设备或管道上，且法兰可采用碳素钢制作，以节约贵重金属,91,b、,整体法兰,将法兰与壳体锻或铸成一体或经全熔透的平焊法兰,92,整体法兰,93,94,95,96,整体法兰,97,b、,整体法兰,特点,保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度可适当减薄；但会在壳体上产生较大应力。,带颈法兰：,提高法兰与壳体的连接刚度，适用,于压力、温度较高的重要场合。,98,c、,任意式法兰,从结构来看，这种法兰与壳体连成一体，但刚性介于整体法兰和松式法兰之间。,99,任意式法兰,100,任意式法兰,101,任意式法兰,102,103,104,105,106,107,108,c、,任意式法兰,计算按整体法兰，当法兰颈部厚度,o15 mm,，法兰内直 径,Di/o300,，,计算压力,Pc2MPa,，,t370,时，,可简化为不带颈的松式法兰计算。,这类法兰结构简单，加工方便，故在,中低压容器或管道中得到广泛应用。,109,(2),法兰标准,为简化计算、降低成本、增加互换性，世界各国都制订了一系列法兰标准。,实际：,分类：,应尽可能选用标准法兰。只有使用大直径、,特殊工作参数和结构形式时才需自行设计。,管法兰、容器法兰,。相同公称直径、公称压力的管法兰与容器法兰的连接尺寸各不相同，二者不能相互套用。,选择法兰的主要参数,公称压力（,PN,）,公称直径（,DN,）,110,公称直径（,DN,）,公称直径是容器和管道标准化后的尺寸系列，按国家标准规定的系列选用。,容器法兰,管法兰,是指名义直径，是与内径相近的某个数值，公称直径相同的钢管，外径是相同的，由于厚度是变化的，所以内径也是变化的，如,DN100,的无缝钢管有,1084,、,1084.5,、,1085,等规格。,是容器内径,（用管子作筒体的容器除外）,111,容器与管道的公称直径应按国家标准规定的,系列选用。如：,管子,10 15 20 25 32 40 50 70 80 100,管件,125 150 200 250 300 400 450 500,等等,容器,300,（,350,）,400,（,450,）,500,（,550,）,600,（,650,）,700 800 900 1000,（,1100,）,1200,112,公称压力,是压力容器或管道的标准化压力等级，即按标准化要求将工作压力划分为若干各压力等级。,也指规定温度下的最大工作压力，也是一种经过标准化后的压力数值,。,在容器设计选用零部件时，应选取设计压力相近且有稍高一级的公称压力。当容器零部件设计温度升高且影响金属材料强度极限时，则要按更高一级的公称压力选取零部件。如：,常见的公称压力等级有：,0.25,、,0.4,、,0.6,、,1.0,、,1.6,、,2.5,、,4.0,113,例：,PN2.5,长颈对焊法兰，在,-20,200,时的允许工作压力为,2.5,MPa,，但若将它用于,400,，它的最高允许工作压力为,1.93,MPa,；若改用,20,号钢制造，则,-20,200,的允许工作压力为,1.81,MPa,，而温度升高到,400,时，允许工作压力降低为,1.26,MPa,。因此，选用的法兰压力等级应不低于法兰材料在工作温度下的允许工作压力。,公称压力,是以,16,Mn,在,200,时的最高工作压力为依据制定的,，因此当法兰材料和工作温度不同时，最大工作压力将降低或升高。,容器法兰标准,容器法兰标准：,JB4700-07,114,国际上两个体系，即,欧洲体系,（以,DIN,标准为代表）以及,美洲体系,（以,ASME B16.5,、,B16.47,标准为代表）。同一体系内，各国的管法兰标准基本上可以互相配用（指连接尺寸和密封面尺寸），但两个体系之间不能互相配用。较明显的区分标志为公称压力等级不同。,管法兰标准,中国管法兰标准：,国家标准,GB9112,9125,；机械标准,JB/T74,90,；以及化工标准,HG20592,20635,（包括欧洲体系和美洲体系）等。,115,考虑到,HG20592,20635,管法兰标准系列的适用范围广、材料品种齐全，在选用管法兰时建议优先采用该标准。,根据容器或管道的公称直径、公称压力、工作温度、工作介质特性以及法兰材料进行选用。,依据：,标准法兰的选用,管法兰标准,116,标准法兰尺寸分析,117,1,、压紧面尺寸：,也称是封面尺寸，由法兰的连接的密封设计确定，与选定的压紧面形势有关，如图所示的,D3,。,2,、连接尺寸：,主要指法兰的外径,D,、螺栓孔中心圆直径,D1,、螺栓孔直径,d,、螺栓个数,n,这些尺寸满足可拆联接的要求，既要求足够的工作空间。,118,4,、结构尺寸：,由法兰的结构型式而定。如整体法兰的颈部斜度、活套法兰的套合直径、平焊法兰的焊缝尺寸和螺纹法兰的螺纹尺寸等等。,3,、强度尺寸：,只要包括厚度,、法兰高度,H,、锥径厚度,1,、,2,等。主要尺寸和操作条件、法兰型式及材料强度有关，有计算确定。法兰标准中绘出的尺寸数据是经过标准化圆整后的强度计算值。,119,法兰强度设计计算简述,说,明,对非标准法兰，应在选定法兰、垫片的材料和形式后，参考法兰标准系列初拟法兰尺寸，然后进行应力计算，使其各部分尺寸能够满足相应强度要求。,法兰结构虽然简单，但因影响因素较多，受力情况复杂，所以很难用严密的理论进行分析计算。,另一方面，虽然法兰刚度不足是导致过大变形而引起泄漏的原因之一，但目前国内外多数规范中的法兰设计方法基本上仍从强度考虑，控制法兰中的应力值作为设计依据。,120,一类,是以弹性分析为基础的计算方法，即将法兰中的应力控制在弹性范围内；,使用经验丰富，世界各国广泛使用。,另一类,是以塑性分析为基础的设计方法，,对法兰的强度以塑性失效设计准则加以控制。,计算方法分类：两类：,121,a.,法兰环和壳体（或接管）均处在弹性状态，即不发生屈服,或蠕变；,b.,作用于法兰的外力矩，近似地认为由均匀作用于法兰环内,外圆周上的力所组成的力偶来代替；,c.,把法兰环视为一矩形截面的圆环或环板，在外力矩作用,下，矩形截面的变形只是使横截面旋转一定的角度,，法,兰的截面并不发生任何畸变和弯曲；,d.,将螺栓孔的影响略去，把法兰视为实心圆环或环板；,e.,法兰环和壳体都只受螺栓力所引起的力矩作用，忽略介质,内压（或外压）对法兰环或壳体直接引起的应力。,1,、弹性分析法简述,力学模型近似假设：,122,计算活套法兰：,把法兰当作受扭转的,矩形,截面圆环,来考虑，即矩形截面的法兰环在受扭转作用后,只能绕环的形心旋转而不会产生弯曲或畸变,，因而法兰环的形状,仍保持矩形,；计算准确性高。,计算整体法兰：,把法兰和与之相连的筒体视为一个整体，在法兰环与筒体连接处,结构不连续,，需通过变形协调方程进行求解。步骤较繁，对高颈法兰，由于忽略了高颈的作用，所得结果偏于保守。,两种弹性分析法计算方法：,铁木辛哥法（,Timoshenko,）和沃特斯法,(,Waters),铁木辛哥法：,从计算角度将法兰划分为,活套法兰,和,整体法兰,两大类，划分,方法与前述法兰结构的分类基本一致。,123,对法兰的应力分析和铁木辛哥法计算整体法兰的方法类似，所不同的是，沃特斯法将法兰环不是作为圆环，而是作为,环板,进行分析，并且考虑了法兰,锥颈,的作用。,沃特斯法：,高颈法兰的应力分析的力学模型如图,4-27,所示。,124,作用于法兰的螺栓载荷,W,、,轴向流体静压力,P1,、,P2,及垫片反力,P3,都是已知的。,图,4-27,Waters,法应力分析模型,(,a),力的单位是,N,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,4.3.4.3,螺栓法兰连接设计,125,根据这些力计算出作用于法兰的外力矩，并将此外力矩由均匀作用于法兰环内外圆周的力,P,所组成的当量力偶来代替。,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,图,4-27,Waters,法应力分析模型,(,b),4.3.4.3,螺栓法兰连接设计,126,4.3.4,密封装置设计,将法兰分成壳体、锥颈和法兰环三部分，在壳体至锥颈、锥颈至法兰环两个边缘处，存在边缘力和边缘力矩。在力学分析上，将壳体部分作为圆柱薄壳，锥颈作为变厚度圆柱壳，法兰环作为薄圆环板进行计算。然后根据变形协调方程求得边缘力和边缘力矩，再分别由薄壳和薄板公式求出各部分应力。,图,4-27,Waters,法应力分析模型,(,c),127,图,4-27(,a)：,作用于法兰的螺栓载荷,W,、轴向流体静压力,P1,、,P2,及垫片反力,P3,都是已知的。,图,4-27(,b)：,根据这些力计算出作用于法兰的外力矩，并将此外,力矩由均匀作用于法兰环内外圆周的力,P,所组成的,当量力偶来代替。,图,4-27（c）,：,将法兰分成壳体、锥颈和法兰环三部分，在壳体至锥颈、锥颈至法兰环两个边缘处，存在边缘力和边 缘力矩。在力学分析上，将壳体部分作为圆柱薄壳，锥颈作为变厚度圆柱壳，法兰环作为薄圆环板进行计算。然后根据变形协调方程求得边缘力和边缘力矩，再分别由薄壳和薄板公式求出各部分应力。,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,4.3.4.3,螺栓法兰连接设计,128,4.3.4,密封装置设计,沃特斯等人认为控制法兰强度的三个主要应力为,法兰环上的最大径向应力和周向应力,，,锥颈上的最大轴向弯曲应力。,上述理论求解过程十分繁琐，应力公式也很复杂，,难以实现工程应用。,工程上：,在大量实验资料的基础上，把复杂的理论计算中要用到的各项系数绘制成一系列图表。计算法兰应力时，只需查用有关图表得到相应的系数值，即可算得各向应力并进行强度校核，因而形式简单，计算方便，是目前世界各国规范标准中主要采用的法兰设计方法。,过程设备设计,4.3.4.3,螺栓法兰连接设计,129,4.3.4,密封装置设计,以直径和压力等级相近的标准法兰尺寸为基础,确定非标法兰的初步结构和尺寸，对整体法兰，是在假设法兰锥颈和法兰环厚度的基础上计算法兰力矩及各项法兰应力。,当应力与相应的许用应力相差较大时，应调整法兰锥颈或法兰环的尺寸，重复计算过程，直至各项法兰应力小于相应的许用应力，并较接近时为止。,参见,GB150-1998,钢制压力容器,。,（,2,）非标准法兰设计步骤,试算法：,过程设备设计,4.3.4.3,螺栓法兰连接设计,130,4.3.4,密封装置设计,计算公式,轴向应力,径向应力,环向应力,过程设备设计,131,4.3.4,密封装置设计,过程设备设计,其中,法兰材料在操作温度下的许用应力，,壳体或接管材料在操作温度下的许用应力。,针对不同部分应力,性质不同，分别采用,不同强度失效,设计准则,（,3,）法兰强度校核条件,锥颈上的最大,轴,向应力,H,：,取小值,法兰环上的最大,径,向应力,R,：,法兰环上的最大,环,向应力,T,：,132,4.3.4,密封装置设计,锥颈部分和法兰环所承受的力矩将重新分配，锥颈已屈服部分不能再承受载荷，其中大部分需要法兰环来承担，这就使法兰环的实际应力有可能超过以上的强度条件。因此为使法兰环不产生屈服，保证密封可靠，,尚需对锥颈部分和法兰环的平均应力加以限制，,即,锥颈有少量屈服：,及,焊接法兰的角焊缝或活套法兰的支承凸缘处的剪应力,：,预紧螺栓时：,0.8,n,操作情况下：,过程设备设计,4.3.4.3,螺栓法兰连接设计,133,4.3.4,密封装置设计,受内压法兰的设计步骤,1,、根据操作要求选择,法兰型式，参考法兰,标准初定法兰尺寸,2,、计算所需要的螺栓力,3,、计算法兰的外力矩,过程设备设计,4,、应力验算：先按相应型式的法兰应力计算公式法兰中的应力，然后用,5,个应力验算条件进行应力验算。应力验算不能满足强度要求时，必须修改初选的法兰尺寸，并把上述过程计算。,134,4.3.4,密封装置设计,4.3.4.4,高压密封设计,重量：,10%,30%,，成本：,15%,40%,（,1,）一般采用金属密封元件，常用退火铝、退火紫铜和软钢；,（,2,）采用窄面或线接触密封；,（,3,）尽可能采用自紧或半自紧式密封，压力越高，密封越可靠。,一、高压密封的基本特点,二、高压密封的结构形式,强制式密封，主螺栓预紧。与中低压容器中常