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第六章 容器零部件设计
主要内容：
法兰联接结构与密封原理；法兰标准及选用。
容器支座的类型和其它附件的结构与应用。
开孔补强的原理与方法。
第一节 法兰联接
生产工艺要求，或为制造、运输、安装、检修方便，常采用可拆卸的联接结构。
常见的可拆卸结构有：
法兰联接
螺纹联接
承插式联接。
可拆卸联接应确保接口密封的可靠性。
法兰联接强度较好和紧密性，适用尺寸范围宽，设备和管道应用最普遍。
法兰联接不能很快装配与拆卸，制造成本较高。
设备法兰与管法兰均已制定出标准。根据公称直径和公称压力，可以从标准中查到，少量超出标准规定范围法兰，才需进行设计。
一、法兰联接结构与密封原理
组合件
联接件强度破坏很少见，多是密封不好而泄漏。设计中要防止介质泄漏。
法兰密封的原理
预紧力压紧垫片。
压紧应力（垫片密封比压力）到一定数值使垫片变形，密封面上微隙被填满，形成初始密封条件。
密封比压力主要决定于垫片材质。
垫片材质确定后，垫片越宽，为保证比压力，预紧力越大，螺栓和法兰尺寸也越大，所以垫片不应过宽，更不应该把整个法兰面都铺满垫片。
工作状态内压轴向力拉伸，降低了压紧应力。垫片有足够回弹，补偿变形，预紧密封比压值不小于某一值(工作密封比压)，保持良好密封。反之，回弹不足，则此密封失效。
密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧力。螺栓和法兰须有足够大的强度和刚度，不发生过大的变形。
二、法兰的分类
（一）整体法兰
１．平焊法兰，制造容易，应用广泛，但刚性较差。
法兰附近筒壁的截面上，将产生附加的弯曲应力。所以平焊法兰适用的压力范围较低（PN<4.0MPa）。
平焊法兰的适用范围：
２．对焊法兰
又称高颈法兰或长颈法兰。
颈提高刚性，厚度比筒体厚，降低根部弯曲应力。
对接焊缝，比平焊法兰的角焊缝强度好，对焊法兰适用于压力、温度较高或设备直径较大的场合。
（二）松式法兰
法兰与容器或管道不连接，比整体式连接强度差
法兰盘可用不同材料，用于铜制、铝制、陶瓷、石墨及其非金属材料的设备或管道上。
受力后无附加弯曲应力，只适用于压力较低场合
（三）任意式法兰
整体性介于整体法兰和松式法兰之间，包括未焊透的焊接法兰。
圆形法兰最常见，方形法兰利于管子排列紧凑，椭圆形法兰常用于阀门和小直径的高压管子上。
三、影响法兰密封的因素
影响法兰密封的因素主要有：
螺栓预紧力；
密封面型式；
垫片性能；
法兰刚度；
操作条件。
㈠ 螺栓预紧力
螺栓预紧力是影响密封一个重要因素。
预紧力使垫片压紧并实现初始密封。
预紧力过大则垫片被压坏或挤出。
预紧力通过法兰密封面传递给垫片，良好的密封，必须使预紧力均匀地作用于垫片。
当需要预紧力一定时，采取增加螺栓个数、减小螺栓直径对密封有利
㈡ 密封面
法兰联接密封性能与密封面型式有关，密封面型式选择，主要考虑压力、温度、介质。
压力容器和管道中常用的法兰密封面型式和特点：
1、突面（RF）
光滑平面，可车制密纹水线。结构简单，加工方便，便于进行防腐衬里。
接触面积大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压紧。
2、凹凸面（MFM）
凸面和凹面相配合，凹面上放置垫片，防止垫片被挤出，适用于压力较高。
3、榫槽面(TG)
槽中垫片不被挤动。
螺栓力较小。获得良好的密封效果。
结构较复杂，更换垫片较困难。
榫面容易损坏，
适于易燃、易爆、有毒介质及较高压力。
压力不大时，即使直径较大，也能很好密封。
4、全平面（FF）与环连接面（RJ）
全平面密封适合于压力较小的场合（PN≤1.6MPa）；
环连接面主要用在带颈对焊法兰与整体法兰上，适用压力范围为（6.3MPa≤PN≤25.0MPa）。
5、其他类型密封面
高压容器和高压管道用
球面（透镜）和椭圆或八角形截面金属垫片
㈢ 垫片性能
垫片适当变形和回弹能力是形成密封的必要条件。
最常用垫片分为
非金属、
金属、
非金属与金属混合制的垫片
非金属垫片：
橡胶石棉板、聚四氟乙烯等。
柔软
耐温度和压力性能较金属垫片差。
只适用于常、中温和中、低压设备和管道的法兰密封。
金属与非金属混合制垫片：
金属包垫片及缠绕垫片等。
金属包垫片用薄金属板（镀锌薄钢板、0Cr18Ni9等）将非金属包起来；
金属缠绕垫片是薄低碳钢带(或合金钢带)与石棉带一起绕制而成。不带定位圈和带定位圈。
金属包垫片及缠绕垫片较单纯的金属垫片有较好的性能，适应的温度与压力范围较高一些。
金属垫片：
材料一般并不要求强度高，而是要求软韧。
常用是软铝、紫铜、铁(软钢)、蒙耐尔合金(含Ni67％，Cu30％，Cr4～5％)钢等。
主要用于中、高温和中、高压法兰联接密封。
垫片材料的选择：
根据温度、压力以及介质腐蚀决定，同时考虑密封面形式、螺栓力的大小以及装卸要求等。
查表4-15
四、法兰标准及选用
石油、化工上用的法兰标准有两类，
一类是压力容器法兰标准
一类是管法兰标准
㈠ 压力容器法兰标准 　
1．平焊法兰：
2．对焊法兰
长颈对焊法兰有厚度更大的颈，刚性大。
更高压力范围(PN 0.6MPa～6.4MPa)和直径范围(DN300mm～2000mm)，适用温度范围为-20℃～450℃。
乙型平焊法兰中DN 2000mm以下规格包括在长颈对焊法兰的规定范围之内。两者联接尺寸和法兰厚度一样。DN2000mm以下的乙型平焊法兰可用轧制长颈对焊法兰代替，以降低成本。
平焊与对焊法兰都有带衬环的与不带衬环的两种。
当设备是由不锈钢制作时，采用碳钢法兰加不锈钢衬环，可以节省不锈钢。
3、公称直径与公称压力
根据公称直径与公称压力由法兰标准确定法兰尺寸
压力容器法兰公称直径同压力容器
例如DN 1000mm的压力容器，应当配用DN 1000mm的压力容器法兰。
法兰公称压力：
与最大操作压力、操作温度以及材料有关。
定义：以16MnR在200℃时的机械性能为基准确定法兰尺寸，在200℃时，它的最大允许操作压力就认为是具有该尺寸法兰的公称压力。
公称压力PNO.6MPa法兰，用16MnR制造的，在200℃时，最大允许操作压力0.6MPa。
高于200℃的最大操作压力将低于它的公称压力0.6MPa。
低于200℃仍按200℃确定其最高工作压力。
材料改为Q235-A，机械性能比16MnR差，公称压力PN0.6MPa的法兰，200℃操作，最大允许操作压力也低于公称压力。
材料由16MnR改为15MnVR，机械性能优于16MnR，公称压力PN0.6MPa的法兰，在200℃操作时，最大允许操作压力将高于它的公称压力。
只要法兰的公称直径、公称压力确定了，法兰的尺寸也就确定了。
最大允许工作压力的确定：
为操作温度300℃，设计压力0.6MPa的容器选配法兰。
材料15MnVR按公称压力0.6MPa查取。
材料20R按公称压力1.0MPa查取尺寸。
㈡ 管法兰标准
同样公称直径的容器法兰和管法兰的尺寸不相同，不能互相代用。
管法兰的型式除平焊、对焊法兰外，还有铸钢法兰、铸铁法兰、活套法兰、螺纹法兰等。
管法兰标准查选方法、步骤与压力容器法兰同。
GB9119.7-88外，常用标准还有：化工部标准HG20592～HG20602-97；中石化标准SH3406-96等。其中化工部标准中分为欧洲体系、美洲体系等，我国常用的为欧洲体系。
例4-6：塔身与封头的法兰。塔内径1000mm，操作温度280℃，设计压力0.2MPa。Q235-A。
根据操作温度、设计压力和所用材料，应按公称压力为0.6MPa查选尺寸。
压力不高，直径不大，表4-16用甲型平焊法兰、平面密封面，垫片用石棉橡胶板。
法兰的各部尺寸从附录表9中查，
联接螺栓材料Q235-A，M20共36个。
思考题：
1.法兰垫片密封的原理是什么？影响密封的因素有哪些？
2.法兰的型式有哪些？各有什么特点？
3.法兰密封面型式有哪些？各适用什么场合？
4.常用的垫片材料有哪些？
作业 ：P331 1、2、3

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