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　　6.1 法兰连接
　　6.2 容器支座
　　6.3 容器的开孔补强
　　6.4 容器附件
　　6.5 容器设计举例
1
法兰连接
6.1.1 法兰连接结构与密封原理
　　可拆卸连接结构通常是一个组合件 , 一般由连接件 、 被连接件 、 密封元件组成 。 法兰连接密封结构由法兰 ( 被连接件 )、 垫片 ( 密封元件 )、 螺栓及螺母 ( 连接件 ) 组成 , 如图 6-1 所示 。
　　在生产实际中 , 压力容器常见的法兰密封失效很少是由于连接件或被连接件的强度破坏而引起的 , 很多情况下是因为密封不好而造成介质泄漏 。 故法兰连接的设计中主要解决的问题是防止介质泄漏 。
6.1.1 法兰连接结构与密封原理
　　一般说来 , 密封口泄漏有两个途径 : 一是垫片渗漏 , 二是压紧面泄漏 。 能否造成垫片渗漏由垫片的材质和型式决定 。 对于渗透性材料( 如石棉等 ) 制作的垫片 , 由于它本身存在着大量的毛细管 , 渗漏是难免的 。 当在垫片材料中添加某些填充剂 ( 如橡胶等 ), 或与不透性材料组合成型时 , 这种渗漏即可减小或避免 。 压紧面泄漏是密封失效的主要形式 。 它与压紧面的结构有关 , 但主要由密封组合件各部分的性能和它们之间的变形关系所决定 。
　　将法兰与垫片接触面处的微观尺寸放大 , 可以看到二者的表面都是凹凸不平的 , 如图6-2(a) 所示 。 把法兰螺栓的螺母拧紧 , 螺栓力通过法兰压紧面作用在垫片上 , 当垫片单位面积上所受的压紧力达到某一值时 , 垫片本身被压实 , 压紧面上由机械加工形成的微隙被填满 , 如图 6-2(b) 所示 , 这就为阻止介质泄漏形成了初始密封条件 。 形成初始密封条件时在垫片单位面积上受到的压紧力 , 称为预紧密封比压 。 当施加介质压力时 , 如图 6-2(c) 所示 , 螺栓被拉伸 , 法兰压紧面沿着彼此分离的方向移动 , 垫片的压缩量减少 , 预紧密封比压下降 。
6.1.1 法兰连接结构与密封原理
　　如果垫片具有足够的回弹能力 , 能使压缩变形的回复补偿螺栓和压紧面的变形 , 而使预紧密封比压值至少降到不小于某一值 ( 这个比压值称为工作密封比压 ), 则法兰压紧面之间能够保持良好的密封状态 。 反之 , 如果垫片的回弹力不足 , 预紧密封比压下降到工作密封比压以下 , 甚至密封口重新出现缝隙 , 则此密封失效 。 因此 , 为了实现法兰连接口的密封 , 必须使密封组合件各部分的变形与操作条件下的密封条件相适应 , 即密封元件在操作压力作用下 , 仍然保持一定的残余压紧力 。 为此 , 螺栓和法兰都必须具有足够大的强度和刚度 , 使螺栓在容器内压形成的轴向力作用下不发生过大的变形 。
　　如图 6-3 所示为法兰在预紧和 工 作时的受力情况 。 预紧时 [ 图 6-3(a)], 法兰在螺栓预紧力T 1 和垫片反作用力N 1 的作用下处于平衡状态 。 工作时 [ 图 6-3(b)], 法兰上所受的外力多了一个由容器内压形成的轴向力Q, 这时的螺栓预紧力T 2 正好用来平衡轴向力Q和垫片反作用力N 2 。
6.1.1 法兰连接结构与密封原理
6.1.1 法兰连接结构与密封原理
6.1.2 法兰的结构与分类
按法兰与垫片的接触面积可将法兰分为以下两类 :
　　(1) 窄面法兰
　　法兰与垫片的整个接触面积都位于螺栓孔包围的圆周范围内 , 如图 6-4(a) 所示 。
　　(2) 宽面法兰
　　法兰与垫片的接触面积位于法兰螺栓中心圆的内外两侧 , 如图 6-4(b) 所示 。
6.1.2 法兰的结构与分类
　　按法兰与设备或管道的连接方式可将法兰分为三类 : 整体法兰 、 活套法兰 、 螺纹法兰 。
1 . 整体法兰
　　与设备或管道不可拆地固定在一起的法兰叫作整体法兰 。 常见的整体法兰型式有两种 :
　　(1) 平焊法兰
　　如图 6-5(a)、(b) 所示 。 这种法兰制造容易 , 应用广泛 , 但刚性较差 。
　　(2) 对焊法兰
　　对焊法兰又叫作高颈法兰或长颈法兰 , 如图 6-5(c) 所示 。
6.1.2 法兰的结构与分类
6.1.2 法兰的结构与分类
6.1.2 法兰的结构与分类
2 . 活套法兰
　　活套法兰的特点是法兰与设备或管道不直接连成一体 , 而是把法兰盘套在设备或管道的外面 , 如图 6-7 所示 。
6.1.2 法兰的结构与分类
3 . 螺纹法兰
　　螺纹法兰的特点是法兰与管壁通过螺纹进行连接 , 二者之间既有一定连接 , 又不完全形成一个整体 , 如图 6-8 所示 。 因此 , 法兰对管壁产生的附加应力较小 。 螺纹法兰多用于高压管道 。
　　法兰的形状 , 除常见的形状以外 , 还有方形与椭圆形 , 如图 6-9 所示 。 方形法兰有利于把管子排列紧凑 。 椭圆形法兰通常用于阀门和小直径的高压管 。
6.1.2 法兰的结构与分类
6.1.3 影响法兰密封的因素
1 . 螺栓预紧力
　　螺栓预紧力是影响密封的一个重要因素 。 预紧力必须使垫片压紧并实现初始密封条件 。 同时 , 预紧力也不能过大 , 否则将会使垫片被压坏或挤出 。
　　提高螺栓预紧力 , 可以增加垫片的密封能力 。 这是因为提高预紧力不仅可使渗透性垫片材料的毛细管缩小 , 而且可以提高工作密封比压 。
　　由于预紧力是通过法兰压紧面传递给垫片的 , 要达到良好的密封 , 必须使预紧力均匀地作用于垫片 。 因此 , 密封所需要的预紧力一定时 , 采取减小螺栓直径 , 增加螺栓个数的办法对密封是有利的 。
6.1.3 影响法兰密封的因素
2 . 压紧面(密封面)
　　压紧面直接与垫片接触 , 它既传递螺栓力使垫片变形 , 同时也是垫片变形的表面约束 。因而 , 为了达到预期的密封效果 , 压紧面的形状和表面粗糙度应与垫片相配合 。 一般与硬金属垫片相配合的压紧面 , 有较高的精度和粗糙度要求 , 而与软质垫片相配合的压紧面 , 可相对降低要求 。 但压紧面的表面决不允许有径向刀痕或划痕 。
　　实践证明 , 压紧面的平直度和压紧面与法兰中心轴线垂直 、 同心 , 是保证垫片均匀压紧的前提 ; 减小压紧面与垫片的接触面积 , 可以有效地降低预紧力 , 但若减得过小 , 则易压坏垫片 。 显然 , 如压紧面的型式 、 尺寸和表面质量与垫片配合不当 , 则将导致密封失效 。
　　法兰压紧面的型式 , 主要应根据工艺条件 ( 压力 、 温度 、 介质等 )、 密封口径以及准备采用的垫片等进行选择 。 压力容器和管道中常用的法兰压紧面型式如图 6-10 所示 。
6.1.3 影响法兰密封的因素
6.1.3 影响法兰密封的因素
6.1.3 影响法兰密封的因素
6.1.3 影响法兰密封的因素
6.1.3 影响法兰密封的因素
6.1.3 影响法兰密封的因素
3 . 垫片性能
　　垫片是构成密封的重要元件 , 适当的垫片变形和回弹能力是形成密封的必要条件 。 垫片的变形包括弹性变形和塑性变形 , 只有弹性变形才具有回弹能力 。 垫片的回弹能力是表示在施加介质压力时 , 垫片能否适应法兰面的分离 , 它可以用来衡量密封性能的好坏 。 回弹能力大者 , 有可能适应操作压力和温度的波动 , 密封性能好 。
　　垫片的变形和回弹能力与垫片的材料和结构有关 。 适合制作垫片的材料 , 一般应耐介质腐蚀 , 不污染操作介质 ; 具有良好的变形性能和回弹能力 ; 要有一定的机械强度和适当的柔软性 ; 在工作温度下不易变质硬化或软化 。
　　最常用的垫片可分为非金属垫片 、 金属垫片以及非金属与金属混合制的垫片 。
6.1.3 影响法兰密封的因素
　　非金属垫片的材料有石棉板 、 橡胶板 、 石棉 - 橡胶板及合成树脂 ( 塑料 ), 这些材料的优点是柔软和耐腐蚀 , 但耐温度和压力的性能较金属垫片差 , 通常只普遍用于常 、 中温和中 、 低压设备和管道的法兰密封 。 此外 , 纸 、 麻 、 皮革等非金属也是常用的垫片材料 , 但是一般只用于低压下温度不高的水 、 空气或油的系统 。 以上垫片的结构如图 6-13(a) 所示 。
　　金属 - 非金属混合制垫片有金属包垫片及缠绕垫片等 , 前者是用石棉橡胶垫外包以金属薄片 ( 镀锌薄铁片或不锈钢片等 ); 后者是薄低碳钢带 ( 或合金钢带 ) 与石棉一起绕制而成 。这种垫片有不带定位圈的和带定位圈的两种 。 以上两种垫片较单纯的非金属垫片的性能好 , 适应的温度与压力范围较高一些 。 这两种垫片的结构如图 6-13(b)、(c)、(d) 所示 。
　　金属垫片材料一般并不要求强度高 , 而是要求软韧 。 常用的是软铝 、 铜 、 铁 ( 软钢 )、 蒙耐尔合金 ( 含 Ni67%,Cu30%,Cr4%~5%) 钢和 18-8 不锈钢等 。 金属垫片主要用于中 、 高温和中 、 高压的法兰连接密封 。 其结构如图 6-13(e)、(f) 所示 。
6.1.3 影响法兰密封的因素
6.1.3 影响法兰密封的因素
4 . 法兰刚度
　　在实际生产中 , 由于法兰刚度不足而产生过大的翘曲变形 ( 图 6-14), 往往是导致密封失效的原因 。 刚性大的法兰变形小 , 并可使分散分布的螺栓力均匀地传递给垫片 , 故可以提高密封性能 。
　　法兰刚度与许多因素有关 , 其中增加法兰的厚度 , 减小螺栓力作用的力臂 ( 即缩小螺栓中心圆直径 ) 和增大法兰盘外径 , 都能提高法兰的抗弯刚度 ; 对于带长颈的整体法兰 , 增大长颈部分的尺寸 , 能显著提高法兰抗弯变形的能力 。
6.1.3 影响法兰密封的因素
6.1.3 影响法兰密封的因素
5 . 操作条件
　　操作条件即压力 、 温度和介质的物理 、 化学性质 。 单纯的压力或介质因素对泄漏的影响并不是主要的 , 只有和温度联合作用时 , 问题才显得严重 。
　　温度对密封性能的影响是多方面的 。 高温介质黏度小 , 渗透性大 , 容易泄漏 ; 介质在高温下对垫片和法兰的溶解与腐蚀作用将加剧 , 增加了产生泄漏的因素 ; 在高温下 , 法兰 、 螺栓 、 垫片可能发生蠕变 , 致使压紧面松弛 , 密封比压下降 ; 一些非金属垫片 , 在高温下还将加速老化或变质 , 甚至被烧毁 。 此外 , 在高温作用下 , 由于密封组合件各部分的温度不同 , 发生热膨胀不均匀 , 增加了泄漏的可能性 ; 如果温度和压力联合作用 , 又有反复的激烈变化 , 则密封垫片会发生 “ 疲劳 ”, 使密封完全失效 。
　　由以上分析可知 , 各种外界条件的联合作用对法兰密封的影响是不能轻视的 。 由于操作条件是生产给定的 , 不能回避 。 为了补偿这种影响 , 只能从密封组合件的结构和选材上加以解决 。
6.1.4 法兰标准及选用
压力容器法兰标准
管法兰标准
6.1.4 法兰标准及选用
1 . 压力容器法兰标准
　　压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰两类 。
　　(1) 平焊法兰
6.1.4 法兰标准及选用
　　(2) 对焊法兰
　　对焊法兰由于具有厚度更大的颈 ( 图 6-17), 因此 , 进一步增大了法兰盘的刚度 。
6.1.4 法兰标准及选用
平焊法兰与对焊法兰都有带衬环的与不带衬环的两种 。
6.1.4 法兰标准及选用
法兰密封面型式代号见表 6-5。
6.1.4 法兰标准及选用
法兰标准的标记方法是 :
6.1.4 法兰标准及选用
【 例6 - 1 】
　　为一台精馏塔配一对连接塔身与封头的法兰 。 塔的内径为 1000 mm, 操作温度为 280 ℃, 设计压力为 0.2 MPa, 材质为 Q235B, 处理介质无腐蚀性及其他危害性 。
6.1.4 法兰标准及选用
6.1.4 法兰标准及选用
6.1.4 法兰标准及选用
2 . 管法兰标准
　　管法兰是压力容器和设备与管道连接的标准件 、 通用件 。 它涉及的领域很广 , 主要有压力容器 、 锅炉 、 管道 、 机械设备 , 如泵 、 阀门 、 压缩机 、 冷冻机 、 仪表等诸多行业 。 因此 , 管法兰标准的选用必须考虑各相关行业的协调 , 并同时与国际标准接轨 。
　　管法兰标准涉及的内容相当广泛 , 除了管法兰本身以外 , 还与钢管系列 ( 外径 、 厚度 )、 公称压力等级 、 垫片材料及尺寸 、 紧固件 、 螺纹等密切相关 。
　　我国现 行 管 法 兰 标 准 为 HG/T 20592~20635—2009《 钢 制 管 法 兰 、 垫 片 、 紧 固 件 》、GB/T 9124.1—2019《 钢制管法兰 第 1 部分 :PN 系列 》 等 。 每种管法兰标准中又按公称压力等级分为欧洲体系和美洲体系 , 见表 6-7。
6.1.4 法兰标准及选用
6.1.4 法兰标准及选用
(1) 该标准适用的公称压力等级用PN表示 , 见表 6-8。
6.1.4 法兰标准及选用
　　(2) 管法兰和管子的公称直径 ( 通径 ) 及钢管外径系列见表 6-9, 此表中钢管外径包括 A、B 两个系列 :A 为国际通用系列 ( 即英制管 ),B 为国内沿用系列 ( 即公制管 )。
6.1.4 法兰标准及选用
(3)HG/T 20592—2009 管法兰类型及类型代号分别见图 6-20 和表 6-10。
6.1.4 法兰标准及选用
6.1.4 法兰标准及选用
6.1.4 法兰标准及选用
　　(4) 板式平焊法兰 、 带颈平焊法兰 、 带颈对焊法兰适用的公称直径 ( 通径 ) 和公称压力范围见表 6-11, 其他类型法兰的适用范围见附表 9-1。
6.1.4 法兰标准及选用
　　(5) 密封面型式
　　管法兰密封面型式见图 6-21 和表 6-12。 法兰类型 、 密封面型式及适用的公称压力等级见表 6-13。
6.1.4 法兰标准及选用

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