周热销排行
用户评论（0）
在此可输入您对该资料的评论~
添加成功至
资料评价：浅谈压力容器的疲劳分析设计_图文_百度文库
赠送免券下载特权
10W篇文档免费专享
部分付费文档8折起
每天抽奖多种福利
两大类热门资源免费畅读
续费一年阅读会员，立省24元！
浅谈压力容器的疲劳分析设计
阅读已结束，下载本文需要
想免费下载本文？
定制HR最喜欢的简历
下载文档到电脑，同时保存到云知识，更方便管理
加入VIP
还剩5页未读，
定制HR最喜欢的简历
你可能喜欢【图文】压力容器常规设计_百度文库
赠送免券下载特权
10W篇文档免费专享
部分付费文档8折起
每天抽奖多种福利
两大类热门资源免费畅读
续费一年阅读会员，立省24元！
压力容器常规设计
阅读已结束，下载本文到电脑
想免费下载本文？
登录百度文库，专享文档复制特权，积分每天免费拿！
你可能喜欢当前位置： >>
第4章 压力容器设计
过程设备设计第4章 压力容器设计第4章 压力容器设计第4.1节 概述过程设备设计第4-1节 概述压力容器设计就是根据给定的工艺设计条 件，遵循现行的规范标准规定，在确保安全的 前提下，经济、正确地选择材料，并进行结构 设计、强（刚）度、稳定性计算和密封设计。 结构设计主要是确定合理、经济的结构形 式，并满足制造、检验、装配、运输和维修等 要求。 强（刚）度、稳定性计算的内容主要是确 定结构尺寸，满足强度或刚度及稳定性的要求。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-1节 概述密封性设计主要是选择合适的密封结构和 材料，保证密封性能良好。 设计是压力容器诞生的第一步，也是质量 保证的第一个环节。因此应高度重视压力容器的 设计工作，综合考虑材料、结构、许用应力、强 （刚）度、制造、检验等各个环节。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-1节 概述一、设计要求： 压力容器设计的基本要求是安全性和经济 性的统一。安全是前提，经济是目标。 安全性是指容器在满足功能要求的基础上， 满足强度、刚度、稳定性、耐久性和密封性要 求。 经济性包括高的效率、成本低（材料、制 造、安装维修等）。 设计压力容器时，要充分保证安全，但是 也不要太保守。保守过分等于不安全。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-1节 概述二、设计文件： 压力容器的设计文件包括：设计图样、技 术条件、设计计算书，必要时还应包括设计或 安装、使用说明书。若按分析设计标准设计， 还应提供应力分析报告。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-1节 概述⑴ 强度计算书： 应至少包括：设计条件、所用规范和标准、 材料、腐蚀裕量、计算厚度、设计厚度、名义 厚度、计算结果等。 装有安全泄放装Z的压力容器，还应计算 压力容器安全泄放量、安全阀排量或爆破片泄 放面积。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-1节 概述当采用计算机软件进行计算时，软件必须 经“全国锅炉压力容器标准化技术委员会”评 审鉴定，并在国家质量监督检验检疫总局特种 设备局认证备案，打印结果中应有软件程序编 号、输入数据和计算结果等内容。 如SW-6计算软件。 ⑵ 设计图样： 它包括总图（装配图）和零部件图。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-1节 概述压力容器总图中，应至少注明下列内容： 压力容器名称、类别、工作条件、设计条件、 主要受压元件材料牌号和材料要求、主要特征参数、 设计规范和标准、制造要求、焊接要求、热处理要 求、无损检测要求、耐压试验或泄漏试验要求、设 计寿命、包装、运输以及其他特殊要求等。 对第Ⅲ类压力容器，设计时应出具包括主要失 效模式、失效可能性及风险控制等内容的风险评估 报告。 压力容器零部件图是加工、制造零部件的依据， 应详细描述。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-1节 概述郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-1节 概述郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-1节 概述三、设计条件： 工艺设计条件由设计委托方以正式书面形式 提供。以设计条件图的形式将设计要求提供给设 备专业。压力容器设计应首先满足工艺设计条件 的要求。 设计条件图主要包括：简图和设计要求等内 容。简图示意性地画出了容器本体、主要内件形 状、部分结构尺寸、接管方位、支座形式及其它 要求。设计条件应至少包括：操作参数、使用所 在地的自然条件、介质组分和特性、预期使用寿 命、几何和管口参数、设计需要的其他条件等。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-1节 概述郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-1节 概述设计条件图分为一般容器条件图、换热器 条件图、塔器条件图和搅拌容器条件图四类。郑州大学化工与能源学院第4章 压力容器设计第4.2节 设计准则过程设备设计第4-2节 设计准则4.2.1 压力容器的失效 压力容器在规定的使用环境和时间内，因 尺寸、形状或材料性能发生改变而完全失去或 不能达到原设计要求（包括功能和寿命）的现 象，称为压力容器失效。 失效的形式虽多种多样，但失效的最终表 现形式都为泄露、过度变形和断裂。 一、压力容器的失效形式： 强度失效、刚度失效、失稳失效、泄漏失 效。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则1、强度失效：因材料屈服或断裂引起的失效。 包括：韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、 蠕变 断裂、腐蚀断裂。 ①韧性断裂―压力容器在载荷作用下，产生 的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生 的断裂。其特征是断后有肉眼可见的宏观变形， 断口处厚度显著减薄；没有碎片或偶尔有碎片； 按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相 当接近。 发生压力容器韧性断裂的主要原因是厚度 过薄和内压过高。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则压力容器若能严格按照规范进行设计，在 设计寿命内就可以避免韧性断裂。 ②脆性断裂―指变形量很小，且在壳壁中 的应力远低于材料的强度极限时发生的断裂。 这种断裂是在较低应力下发生的，故又称为低 应力脆断。 其特征是断裂时容器没有鼓胀，即无明显 的塑性变形；其断口平齐，并与最大应力方向 垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。 其后果要比韧性断裂严重得多。 脆性断裂的原因是材料的脆性和缺陷。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则③疲劳断裂 ― 压力容器在在交变载荷作用下， 经过一定的循环次数后发生的断裂。 交变载荷有：压力波动、开停车、温度反复 变化、震动等。 疲劳断裂阶段包括裂纹萌生、扩展和断裂三 个阶段。因而疲劳断裂破坏需要一定的时间。 疲劳断裂的主要原因是局部应力过高和存在 交变载荷造成的。往往在压力容器工作时发生， 破坏时总体应力水平较低，没有明显的变形，是 突发性破坏，危险性很大。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则④蠕变断裂―压力容器在高温下长期受载， 随时间的增加材料不断发生蠕变变形，造成厚 度明显减薄与鼓胀变形，最终导致压力容器断 裂。 按断裂前的变形来划分，蠕变断裂具有韧 性断裂的特征； 按断裂时的应力来划分，蠕变断裂又具有 脆性断裂的特征。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则⑤腐蚀断裂―因腐蚀引起厚度减薄或凹坑而 导致的压力容器断裂。 因均匀腐蚀导致的厚度减薄，或局部腐蚀 造成的凹坑，所引起的腐蚀一般有明显的塑性 变形，具有韧性断裂特征； 因晶间腐蚀、应力腐蚀等引起的断裂没有 明显的塑性变形，具有脆性断裂特征。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则2、刚度失效 由于构件过度的弹性变形足以影响到其正常 工作而引起的失效。 3、失稳失效 在压应力作用下，压力容器突然失去其原有 的规则几何形状引起的失效。 4、泄露失效 说明：在多种因素作用下，压力容器有可能 同时发生多种形式的失效，即交互失效，如腐蚀 介质和交变应力同时作用时引发腐蚀疲劳，高温 和交变应力同时作用时引发蠕变疲劳等。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则二、失效判据与设计准则 1、失效判据：判别压力容器是否失效的标准。 例如压力容器在介质压力作用下，应力或应变过 大，导致压力容器强度不足或过度变形而失效， 我们可以把应力或应变是否超标作为压力容器失 效的判据。 2、设计准则：因为压力容器存在许多不确定 的因素（如材料缺陷、制造水平、检验手段等）， 所以失效判据不能直接用于压力容器的设计计算。 比较常规的做法是引入安全系数，得到与失效判 据相对应的设计准则。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则压力容器的设计准则大致可分为：强度失效、 刚度失效、稳定失效和泄露失效设计准则，对于 不同的设计准则，安全系数的含义是不同的。 压力容器设计时，应首先确定压力容器最有 可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设 计准则，确定适宜的设计规范标准，再进行设计 和校核。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则4.2.2 强度失效设计准则 在常温、静载作用下，屈服和断裂是压力 容器强度失效的两种主要形式。 1、弹性失效设计准则：它是将容器总体部位 的初始屈服视为失效。 ⑴ 单向拉伸应力下的韧性材料： ① 屈服失效判据： ?＝?s ② 相应的设计准则：? ? [?]t ③在压力容器设计中，常用最大拉应力?1 来代替上式中的?，得到最大拉应力准则： ?1 ? [?]t郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则⑵ 任意应力状态下的韧性材料： ① Tresca屈服失效判据― 第三强度理论： 屈服失效判据： ?1－?3? ?s 相应的设计准则：?1－?3? [?]t ② Mises屈服失效判据― 第四强度理论： 屈服失效判据：1 ?? 1 ? ? 2 ?2 ? ?? 2 ? ? 3 ?2 ? ?? 3 ? ? 1 ?2 ? ? s 2??相应的设计准则：1? t 2 2 2 ?? 1 ? ? 2 ? ? ?? 2 ? ? 3 ? ? ?? 3 ? ? 1 ? ? ? ?? ? ? 2?? 4 ? 5?郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则2、塑性失效设计准则：假设材料是理想弹 塑性的，它是以整个危险面屈服作为失效的设 计准则。 对内压厚壁圆筒，整个截面屈服时的压力 就是全屈服压力pso 。 塑性失效判据：p=pso（p为设计压力） 相应的设计准则：p?pso/nso 3、爆破失效设计准则：它是以容器的爆破 作为失效准则。 相应的设计准则：p?pb/nb郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则4、弹塑性失效设计准则（安定性准则）：（a） （b） 安定性分析图郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则安定性： 载荷引起的应力和残余应力叠加后总是小于 屈服强度，则容器在载荷的反复作用下，始终处 于弹性行为，不会产生新的的塑性变形，使其处 于“安定”状态。 安定载荷： 与安定和不安定的临界状态相对应的载荷变 化范围。 安定性准则： 它认为只要载荷变化范围达到安定载荷，容 器就失效。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则5、疲劳失效设计准则： 压力容器疲劳一般属于低周疲劳，即疲劳 失效时的循环次数比较低，一般在105 次以下。 根据试验，可以作出应力幅度Sa 和应力循 环次数N之间的关系曲线（称为低周疲劳设计 曲线），只要在一定的应力幅度下，容器实际 发生的循环次数小于该应力循环次数N，压力 容器就不会发生疲劳失效破坏。这就是疲劳失 效设计准则。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则6、蠕变失效设计准则： 它认为将应力限制在由蠕变极限 Rnt （?nt ） 和持久强度 RDt (?Dt) 确定的许用应力以内，压 力容器在使用寿命内不会发生蠕变失效。这就 是蠕变失效设计准则。Rnt ― 设计温度下经10万小时工作或试验后产生1%变形时的应力平均值。 RDt ― 设计温度下经10万小时工作或试验后不发 生断裂的最大应力平均值。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则7、脆性断裂失效设计准则： 传统的强度设计准则假定材料是无缺陷的 均匀连续体，因而难以解释脆性断裂现象。脆 性断裂属于断裂力学的研究领域。 断裂力学认为材料中存在缺陷，其目的是 研究缺陷在载荷和环境作用下的破坏规律，建 立缺陷几何参数、材料韧性和结构承载能力之 间的定量关系。 从断裂力学的角度，来判定压力容器不发 生脆性断裂的设计方法，就是脆性断裂失效设 计准则。郑州大学化工与能源学院过程设备设计第4-2节 设计准则4.2.3 刚度失效设计准则 在静载作用下，要求构件的弹性位移和 （或）转角不超过规定的数值。于是，刚度设 计准则为： w? [w] θ? [θ] 4.2.4 稳定失效设计准则 在容器设计中，应防止失稳发生。设计准 则为： ??[?]cr p?[p]cr 4.2.5 泄露失效设计准则 它要求密封装Z的介质泄露率不得超过许 用的泄露率。郑州大学化工与能源学院过程设备设计例题例题1：一内径Ri=160mm、R0=320mm的闭式厚 壁 圆 筒 ， 承 受 外 压 p0=15MPa 作 用 ， 材 料 E=2.0×105MPa，μ=0.3。试问在此情况下： 1、当向筒内施加多大内压pi时，其内壁周向应 力达到25MPa？ 2、在p0和pi同时作用时，圆筒内壁的内径增加 多少？郑州大学化工与能源学院过程设备设计例题例题2：一自增强厚壁圆筒，承受内压 pi=250MPa，圆筒内直径Di=300mm、外直径 D0=500mm，高强度钢材料，ReL=750MPa， Rm=900MPa。试求： 1、按Mises屈服条件，计算当Rc=200mm时 的自增强压力pc。2、在内压力pi作用后Rc处的环向合成应力。郑州大学化工与能源学院过程设备设计例题例题3：一负压操作塔，筒体直径Di=2400mm， 壁 厚 t=8mm ， 筒 体 长 度 L=6000mm ， 材 料 E=2.0×105MPa，μ=0.3，试问该塔能否安全 操作？郑州大学化工与能源学院过程设备设计例题例题4：右图所示一储槽，内直径Di=1000mm， 内 部 装 有 高 度 H=2500mm 的 水 ， 上 方 有 p=0.1MPa的气体作用，储槽为平底，板厚8mm， 碳钢材料。试求： 1、底板中心的应力和挠度。 2、如果下平板改作球形 封头，厚度不变，总液位 高度不变，那么封头顶点 处的应力和挠度又是多少。郑州大学化工与能源学院过程设备设计例题例题5：有一内径为2000mm的圆筒形容器，壁 厚为12mm，盛装p=0.4MPa的气体介质，在壳 体上有一直径为φ450×8的接管，试求开孔接管 处的最大应力是多少。郑州大学化工与能源学院第4章 压力容器设计第4.3 常规设计第4.3节 常规设计第4.3.1 概 述过程设备设计4.3.1 概述一、设计思想 常规设计又称“按规则设计（Design by rules）”，以区别于分析设计。常规设计只考 虑单一的最大载荷工况，按一次施加的静载荷 处理，不考虑交变载荷、不区分短期和长期载 荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。 在求解压力容器各受压元件尺寸时，主要 采用材料力学及板壳理论，按最大拉应力准则 来推导受压元件的强度尺寸计算公式。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.1 概述在强度校核时，大部分场合将受压元件的 应力强度限制在材料许用应力以内。 对于可能导致失稳的元件，则根据所计算 出的临界压力并引入必要的稳定性安全系数， 作为其许用外压力。 对于结构不连续处的边缘应力，常规设计 采用分析设计标准中的有关规定和思想，确定 元件结构的某些相关尺寸范围，或借助于大量 实践所积累的经验引入各种系数来限制。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.1 概述例如： ①椭圆封头和碟形封头计算公式中引入形 状系数； ②碟形封头过渡区的内半径应不小于球冠 区内半径的6%； ③不等厚度壳体的焊接，当两厚度之差超 过某一值时，就应按一定斜度削薄壳体厚度。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.1 概述二、弹性失效设计准则 压力容器材料的韧性较好，在弹性失效设 计准则中，按理应采用第三或第四强度理论。 但对于压力容器常用的内压薄壁回转壳体， 在远离结构不连续处，?θ、?φ、?r为三个主 应力，且?r与?θ、?φ相比，可以忽略不计， 因此采用第一强度理论和第三强度理论所得的 结果相一致。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.1 概述考虑到第一强度理论形式简单，在一定条件 下不至于引起大的误差，且使用最早，有成熟的 使用经验，所以很多国家的压力容器标准仍采用 第一强度理论作为设计准则。 1、承受内压的薄壁圆筒pD , 因为 ? ? ? 4? pD ?? ? 2?显然：?1=?θ ，由第一强度理论，得：pD t ?1 ? ?? ? ? ?? ? 2?郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.1 概述将D=2Ri+δ代入上式，得：??2 ?? ? ? pt2 pRi?2 ?? ? ? ptpDi? 4 ? 12 ? （中径公式）2、承受内压的厚壁圆筒 按弹性失效设计准则、仅受内压作用时，厚 壁圆筒的强度计算式见下表。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.1 概述表4-1 按弹性失效设计准则的内压厚壁圆筒强度计算式郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.1 概述圆筒的弹性承 载能力图4-1 各种强度理论的比较郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.1 概述由上图可见： ①按形状改变比能屈服失效判据计算出的内 壁初始屈服压力和实测值最为接近； ②在厚度较薄时即压力较低时，各种设计准 则差别不大。 ③在同一承载能力下，最大切应力准则计算 出的厚度最厚，中径公式算出的厚度最薄。郑州大学化工与能源学院第4.3节 常规设计第4.3.2 圆筒设计过程设备设计4.3.2 圆筒设计4.3.2.1 结构 圆柱形容器是最常见的一种压力容器结构形 式，具有结构简单、易于制造、便于在内部装设 附件等优点，被广泛用作各种设备的筒体。 圆筒可分为单层式和多层组合式两大类。 一、单层式容器： 其结构简单，但也存在缺陷，主要表现在： ①除整体锻造式厚壁圆筒外，还不能完全避免 较薄弱的深环焊缝和纵焊缝，焊接缺陷的检测和 消除较困难；且结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展 的能力；郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计②大型锻件及厚钢板的性能不及薄钢板，不同 方向力学性能差异较大，韧脆转变温度较高，发 生低应力脆性破坏的可能性也较大； ③ 加工设备要求高。 二、多层包扎式： 它是目前世界上使用最广泛、制造和使用经 验最为丰富的组合式圆筒结构。内筒层板焊缝郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计筒节由厚度为12～35mm的内筒和厚度为4～ 12mm的多层层板两部分组成，层数则随所需的 厚度而定，筒节通过深环焊缝组焊成完整的圆筒。 制造时，通过专用装Z将层板逐层、同心地 包扎在内筒上，并借纵焊缝的焊接收缩力使层板 和内筒、层板与层板之间互相贴紧，产生一定的 预紧力。 每个筒节上均开有安全孔，这种小孔可使层 间空隙中的气体在工作时因温度升高而排出；当 内筒泄露时，泄露介质可通过小孔排出，起到报 警作用。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计多层包扎式的优点： ①圆筒制造工艺简单，不需要大型复杂的加工 设备； ②层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩 展的能力，比单层圆筒的安全可靠性高；同时包扎 预应力可有效改善圆筒的应力分布； ③对介质的适应性强，可根据介质的特性选择 合适的内筒材料。 多层包扎式的缺点： 制造工序多、周期长、效率低、钢板材料利用 率低、筒节间的深环焊缝对容器的质量和安全影响 比较大。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计三、热套式： 它是采用厚钢板（30mm以上）卷焊成直径 不同但可过盈配合的筒节，然后将外层筒节加热 到计算的温度进行套合，冷却收缩后便得到紧密 贴合的厚壁筒节。筒节焊缝郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计热套式圆筒需要有较准确的过盈量，对卷筒 的精度要求很高。另外，由于套合时贴紧程度不 会很均匀，因此套合或组装成整体容器后，需进 行热处理以消除套合预应力和深环焊缝的焊接残 余应力。 四、绕板式： 绕板式筒体由内筒、绕板层和外筒三部分组 成。内筒绕板层外筒郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计它是在多层包扎式圆筒的基础上发展起来 的，两者的内筒相同，所不同的是多层绕板式 圆筒是在内筒外面连续缠绕若干层3～5mm厚的 薄钢板而构成筒节，绕板层只有内外两道纵焊 缝。 为了绕板开始端和终止端能与圆筒形成光 滑连接，一般需要有楔形过渡段。 外筒作为保护层，由两块半圆或三块瓦片 制成。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计五、整体多层包扎式： 它是一种错开环缝和逐层包扎的圆筒结构。 它首先将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法 兰或封头，然后在整个长度上逐层包扎层板，待 全长度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二层，直 至所需厚度。 焊缝 包扎层板 内筒端部法兰底封头郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计这种结构无深环缝，接头质量好，圆筒与封 头或法兰间的环焊缝改为一定角度的斜面焊缝， 承载面积增大，具有高的可靠性。 六、绕带式： 这是一种以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚 度圆筒的方法，主要有型槽绕带式和扁平钢带倾 角错绕式两种结构形式。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计1、型槽绕带式：是用特制的型槽钢带螺旋缠绕 在特制的内筒上，内筒外表面上预先加工有与钢 带相啮合的螺旋状凹槽。型槽钢带内筒郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计缠绕时，钢带先经电加热，再进行螺旋缠 绕，绕制后依次用空气和水进行冷却，使其收 缩产生预紧力，可保证每层钢带贴紧；各层钢 带之间靠凹槽和凸肩相互啮合，缠绕层能承受 一部分由内压引起的轴向力。 这种结构的圆筒具有较高的安全性，机械 化程度高，材料损耗少，且由于存在预紧力， 在内压作用下，筒壁应力分布较均匀。但钢带 的技术要求高，为保证质量，缠绕时需要专门 的机床。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计2、扁平钢带倾角错绕式： 它是中国首创的一种新型绕带式圆筒。内筒 厚度约占总厚度的1/6～1/4，采用简单的“预应力 冷绕”和“压棍预弯贴紧”技术，以相对于容器 环向15°～30°倾角在薄内筒外交错缠绕扁平钢 带。钢带宽约80～160mm 、厚约4～16mm ，其 始末两端分别与底封头和端部法兰相焊接。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒4.3.2.2 内压圆筒的强度设计 一、单层圆筒： 承受内压圆筒计算厚度的公式可直接采用中 径公式，但式中的参数要进行修正。经化简后的 厚度计算式为： （适用范围： pc Di ?? ? 4 ? 13? t K?1.5 2 ?? ? ? ? pc Pc?0.4[?]tφ） 其中：δ―计算厚度，mm； pc―计算压力，MPa； φ―焊接接头系数。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒强度校核式：? ?tpc ? Di ? ? e ? 2? e? ?? ? ?t? 4 ? 14 ?其中：δe―有效厚度，δe=δn-C，mm； δn―名义厚度，mm； C ―厚度附加量，mm； ?t―设计温度下圆筒的计算应力，MPa。 圆筒的最大允许工作压力：? p w? ?2? e ?? ? ?tDi ? ? e? 4 ? 15 ?郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒对于Pc＞0.4[?]tφ的单层厚壁圆筒，常采用 塑性失效设计准则或爆破失效设计准则来设计。 对内压厚壁圆筒，与Mises屈服失效判据相对 应的全屈服压力为： 2pso ? 3 ReL ln K再根据塑性失效设计准则，有：p?圆筒的计算厚度为：pso 2 ? ReL ln K nso 3 ? nso? 3nso p ? ? ? Ri ? K ? 1? ? Ri ? e 2 ReL ? 1? ? ? ? ?? 4 ? 16 ?郑州大学化工与能源学院（ nso=2.0～2.2）过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒当采用爆破失效设计准则时，若按Faupel公 式计算爆破压力：? ReL pb ? ReL ? 2 ? Rm 3 ? 2 ? ? ln K ?并结合爆破失效设计准则，可得到相应的厚度计 算式： 3nb ? ? p ? ? ? 2 ReL ? 2? ReL Rm ? ? ? ? ? ? Ri ?e ? 1? ? 4 ? 17 ? ? ? ? ?（nb=2.5～3.0）郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒二、多层厚壁圆筒： 多层厚壁圆筒在制造过程中，都施加了一定 大小的预应力。 在内压作用下，这些预应力将使圆筒内壁应 力降低，外壁应力增加，厚度方向应力分布趋向 于均匀，从而提高圆筒的弹性承载能力。 但由于结构和制造原因，很难定量控制或计 算出预应力的大小。为此设计计算时，往往偏于 安全而不考虑预应力的影响，仅作强度储备之用。 只有在压力很高时，才考虑预应力的作用。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒热套式、多层包扎式、绕板式、扁平钢带倾 角错绕式圆筒的厚度计算方法与单层厚壁圆筒相 同，即在计算压力不超过0.4[?]tφ时，仍按（413）式计算。不同之处是许用应力用组合许用应 力代替。多层圆筒的许用应力为：?i ?o t ?? ? ? ? ?? i ? ?i ? ?? o ?t ?o ?n ?nt?4 ? 18 ?其中：下标i、0分别代表内筒和层板。 注：常规设计中一般不进行圆筒的热应力计算。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒4.3.2.3 设计技术参数的确定 压力容器设计参数主要有设计压力、设计温 度、厚度及其附加量、焊接接头系数和许用应力 等。 一、设计压力p: 1、最高工作压力：压力容器顶部在正常工作 过程中可能产生的最高表压。 2、设计压力：是设定的容器顶部的最高压力 与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值 不得低于最高工作压力。设计压力应视内压或外 压容器分别取值。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒当内压容器上装有安全泄放装Z时，其设 计压力应根据不同形式的安全泄放装Z来定。 装有安全阀的容器，考虑到安全阀开启动 作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不应 低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压 力的1.05～1.1 倍。 装有爆破片的容器，设计压力不得低于爆 破片的爆破压力。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒盛装液化气体、液化石油气体的容器，因容 器内介质压力与介质组分、环境温度和保温措施 等因素有关，确定设计压力时比较困难，详细见 TSG R。 二、计算压力pc ： 它是指在相应的设计温度下，用以确定元件 最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。 通常情况下，计算压力=设计压力+液柱静压力。 但当液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不 计。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒三、设计温度t ： 它是指容器在正常工作情况下，设定元件的 金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。 当元件金属温度不低于0℃ 时，设计温度不 得低于元件金属可能达到的最高温度。 当元件的金属温度低于0℃时，其值不得高 于元件金属可能达到的最低温度。 GB150规定，设计温度等于或低于-20 ℃ 的 容器属于低温容器，其设计应按低温容器处理。 元件的金属温度可按传热计算或实测得到。 也可按内部介质的最高（或最低）温度确定。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒注：设计压力和设计温度存在着对应关系， 当压力容器具有不同工况时，应按最苛刻的组 合设定设计条件，而不能按不同工况下的各自 的最危险的条件来确定设计条件。 四、厚度及厚度附加量 ： 1、计算厚度δ ： 2、设计厚度δd: δd=δ＋C2 3、腐蚀裕量C2 ： 4、名义厚度δn ： 5、有效厚度δe: δe=δn-C 6、厚度附加量C：C=C1+C2 7、钢材厚度负偏差C1 ：郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒钢板或钢管厚度负偏差应按相应钢材标准的 规定来选取。 当钢材的厚度负偏差≯0.25mm，且不超过 名义厚度的6%时，可取C1=0。GB713《 锅 炉 和 压 力 容 器 用 钢 板 》 和 GB3531《低温压力容器用低合金钢板》中列举 的压力容器专用钢板，负偏差为0.3mm。其它钢板的厚度负偏差参见下表。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒表4-2 其他常用钢板的厚度负偏差C1值8、加工减薄量C3 ： 9、毛坯厚度： 10、实际厚度：不得小于设计厚度。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒图4-5 厚度关系示意图 11、按刚度确定的容器最小厚度δmin (不包括C2)： 对碳钢、低合金钢容器：δmin ≮3mm； 对高合金钢容器：δmin ≮2mm。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒五、焊接接头系数φ ： 焊接接头系数表示焊缝金属与母材强度的 比值。 影响焊接接头系数的因素很多，但主要与 焊接接头形式和焊缝无损检测的要求及长度比 例有关。 表4-3 钢制压力容器的焊接接头系数φ值郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒六、许用应力[σ ]t ：表4-4 钢制压力容器用材料许用应力的取值方法为了设计的方便和取值的统一，国家相应设 计标准规定中给出了具体材料在设计温度下的许 用应力值，见附表。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒例题： 某内压立式筒体，内径1000mm，装液高度 3000mm，介质密度ρ=1000kg/m3 ，材料选用 Q345R，最高工作压力0.4MPa，工作温度70℃， C2=2mm，焊接接头为双面对接焊、局部无损探 伤，设计该筒体的厚度。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒4.3.2.4 外压圆筒设计 一、解析法设计（反复试算过程设计）: 1、判断圆筒类型：假定圆筒厚度δn ，计算有 效厚度δe=δn－C ，求出临界长度Lcr ，并与圆筒 的计算长度L比较，判断是长圆筒还是短圆筒。 2、计算临界压力：根据圆筒类型，计算pcr 。 3、计算许可外压[p] ，并与设计外压p比较： 选取适当的稳定系数m（对圆筒m=3），计 算[p]=pcr/m，当p?[p] 且接近时，则假定的 δn 符合要求，否则要重新假定δn ，重复以上计算步 骤，直至满足要求。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒说明：解析法比较烦琐且只能用于弹性失稳， 因此在设计上存在不足，各国设计规范推荐采用 图算法。 二、图算法的原理: 假设圆筒仅受径向均匀外压，而不受轴向外 压，与圆环一样处于单向应力状态。 根据第二章学过的长、短圆筒的临界压力计 3 2.5 算公式，有：? ?e ? 2.59 E ? ? e ? pcr ? 2.2 E ? ? , pcr ? ? ? Do ? L D ? D0 ? ?? crpcr Do ? 2? e郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒为避开材料的弹性模量E，采用应变表征失稳 时的特征。不论长、短圆筒，失稳时的周向应变 ? cr pcr Do 为： ?4 ? 21? ? ? ?crE2 E? e对长圆筒和对短圆筒分别有：? cr ?1.1 ? Do ? ? ? ? e? ?2? cr ?1.3 ? L ?? Do ? ? D ?? ? ? o ?? e? ?1.5从上两式知道，失稳时的周向应变与圆筒几何 参数有以下函数关系：D ? cr ? f ? L D ， o ? ? ? ? o e? ??4 ? 24 ?郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒 若令A=εcr ，并以A为横坐标， L/DO 作为纵坐标， DO/δe 作 为 参 量 绘 成曲线，如图示。图中每一线均 由两部分组成： 竖直线族表示长 圆筒；斜平行线 族表示短圆筒。因上图与材料的弹性摸量E 无关，所以对任何材料都适用。 D0/δe L/D0 系数A 郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒又因[p]=pcr/m，所以：? crpcr Do m? p ?Do ? ? 2 E? e 2 E? e Do ? p ? 2 ? E? cr m?e令 B?B?D0 [ p ]Do ? p ??e，m=3，有：2 2 E? cr ? ? cr 3 3?e??4 ? 25 ?如果以A、B分别为横、纵坐标作图，得到B 与A的关系曲线（也叫厚度计算图）。实际上B与 A的关系就是临界应力与临界应变的关系。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒系数 A郑州大学化工与能源学院系数B/MPa过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒厚度计算图的特点： 不同材料有不同的厚度计算图。 同一材料厚度计算图上，不同温度有不同的 曲线。 厚度计算图中的每条线都有直线部分和曲线 部分。曲线部分属于塑性状态失稳，直线部分属 于弹性状态失稳，有：2 B ? EA 3 以上就是图算法的原理。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒三、外压圆筒的工程设计方法: 1、薄、厚圆筒的区分（以D0/δe值来区分）： ①D0/δe?20时为薄圆筒：仅考虑失稳问题； ②D0/δe＜20时为厚圆筒：失稳和强度失效。 2、外压圆筒的图算法步骤： ⑴ D0/ δe ?20 的薄圆筒： ①假设名义厚度δn ，计算δe 、L/D0和D0/δe ； ②以L/D0 、 D0/δe值由图查A，若L/D0 ? 50 （?0.05）， 则用L/D0 =50 （=0.05）查A； ③根据圆筒材料选用相应的厚度计算图，由A和 设计温度查B，然后按下式计算[p]：郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒? p? ?B Do ? e? 4 ? 26 ?系数 B郑州大学化工与能源学院若 所 得A 值落 在设 计 温度下材料线的左方, 则 用下式计算许用外压[p]：2 EA ? p? ? 3( Do ? e )? 4 ? 27 ?④比较pc与 [p] ,若pc? [p]且较接近, 则假设的δn 系数 A 合理，否则应再假设δn ， 图4-10 图算法求解过程 并重复上述步骤直到满足 要求为止。过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒⑵ D0/δe＜20 的厚圆筒：（略） 四、圆筒轴向许用压应力的确定: 设圆筒最大许用压应力[?]cr=B，求系数B步骤 如下： 1、假设δn，令δe=δn-C，按下式计算系数A：0.094 A? Ri ? e? 4 ? 31?2、选用相应材料的厚度计算图查取B，此B值即 为[?]cr。若A值落在设计温度下材料线的左方，则 表明圆筒为弹性失稳，可直接由式B=2/3EA计算。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒五、有关设计参数（p、m、L）的确定: 1、设计外压 p ：承受外压的容器设计压力定义 与内压容器相同，但取值方法不同。确定外压容 器设计压力时： ⑴应考虑在正常工作情况下可能出现的最大内 外压力差； ⑵ 真空容器的设计压力按承受外压考虑： ①当装有安全装Z时：设计压力取1.25倍最大 内外压力差或0 . 1MPa两者中的小值； ②当无安全装Z时：取0 . 1MPa； ⑶ 对于带夹套的容器应考虑可能出现最大压力 差的危险工况。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒2、稳定性安全系数m：由于长、短圆筒的临界 压力公式，是按理想的无初始不圆度求得的。而实 际上，圆筒存在着各种各样的缺陷，具体表现在： ①制造过程存在缺陷：几何形状和尺寸偏差等； ②材料本身有缺陷：材料性能不均匀等； ③载荷不完全对称。 因此在计算许用外压力时，必须考虑一定的稳 定性安全系数m。按GB150规定: 对圆筒，m=3； 对球壳，m=14.52。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒3、计算长度L： 外压圆筒的计算长度是指圆筒外部或内部两相 邻刚性构件之间的最大距离，通常封头、法兰、加 强圈等可视为刚性构件。图4-11为外压计算长度取 值示意图。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒图4-11 外压圆筒的计算长度郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒例题： 某一承受外压筒体，内径1000mm，筒体长 度3000mm。两端为标准的椭圆形封头。材料均 选用Q345R，外压为0.2MPa，工作温度70℃， C2=2mm，焊接接头为双面对接焊、局部无损探 伤，试设计该筒体的厚度。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―内压圆筒例题：郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒六、加强圈的计算: 我们知道，短圆筒Pcr&长圆筒Pcr。其主要原因 是筒体两端封头的刚性大、对筒体有支持作用。 如果我们在长圆筒中间的某个（些）部位加上 一个或多个刚性比较大、能起到和封头一样作用的 构件（加强圈），同样能提高圆筒承受外压的能力。 加入加强圈，将长圆筒转化为短圆筒，可以有 效地减小圆筒厚度、提高圆筒稳定性。 为了保证加强圈有足够的稳定性，加强圈设计 的主要内容包括：确定加强圈的个数（间距）、截 面尺寸和结构设计。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒1、加强圈的间距（或个数）: 在外压圆筒上设Z加强圈，必须使其成为短圆 筒才有实际作用。当圆筒的δe/D0已知，且计算外 压pc值给定时，可由短圆筒许用外压力计算公式导 出加强圈的最大间距：Lmax ? mpc ? Do ? e ? 2.6 ED02.5? 4 ? 33?从上式可以看出，如果减小Lmax ， 则圆筒厚 度可减薄，反之，圆筒厚度须增加。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒加强圈的数量n ：如果筒体的几何长度为L， 则需要加强圈的个数至少为：（L/Lmax－1）并向上 圆整为整数n （说明：加强圈一般等距离布Z）。 问题1：加入加强圈后，圆筒的实际许可外压 如何计算？ 问题2：长圆筒加入加强圈后，是否就能提高 其外压承受能力？短圆筒呢？ 问题3：当加强圈的间距比较短或数量比较多， 是否就能满足使用要求呢？郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒2、加强圈截面尺寸的确定： 加入加强圈后，其截面尺寸足够大时，才能满 足使用要求，否则就无实际意义了。因此要计算加 强圈的截面大小，衡量参数 ――截面惯性矩， 即： 加强圈和筒体实际具有的组合惯性矩Is 保持稳定时加强圈和筒体组合段的最小惯性矩I≥郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒⑴ I 的计算： 如右图中，将加强圈 当作受压圆环，视每个加 强圈承受两侧Ls/2 范围内 的载荷。图4-12 每个加强 圈所承受的载荷郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒I?2 Do Ls ?? e ? As Ls ?10.9A? 4 ? 38?说明：这里求解A的过程刚好和前面介绍由A求B 的过程相反。但B值由下式计算：B? pc Do?y?pc Do ? e ? A s Ls? 4 ? 39 ?然后按相应材料的厚度计算图，由B值查取 A值。若查图无交点，则按A=1.5B/E计算。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒 ⑵ Is的计算：选择加强圈截面和尺寸（一般选择型钢）， 根据前面计算的加强圈的数量n或间距Ls，来计算 加强圈与圆筒实际所具有的组合惯性矩Is 。 在加强圈设计中，认为 加强圈及其附近的一段筒体 组成的组合圆环，起承受外 压作用，如图中的2b范围。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒GB150规定，在加强圈中心线两侧有效宽度：2b ? 1.1 D0 ? ? e组合截面的惯性矩Is具体计算步骤如下： ①求组合截面中加强圈的截面面积As和筒体有 效段的截面面积A2=2bδe 。 ②求加强圈和筒体有效段截面对各自形心轴的 惯性矩I1和I2 。 ③ 确定组合截面形心轴的位Z。 ④计算组合截面惯性矩Is 。 ⑶ 比较Is和I。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒⑷ 加强圈的结构设计： 加强圈常用扁钢、角钢、工字钢或其它型 钢制成，可以设Z在容器的外部或内部，其材 料多用碳素钢。当圆筒材料为不锈钢等贵重金 属时，在圆筒外部或内部设Z碳素钢加强圈， 可以节省贵重金属。 加强圈与圆筒连接可采用连续的或间断的 焊接，其焊接结构如图所示。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒焊缝间隙并排错排图4-13 加强圈与圆筒的连接 当加强圈设Z在容器外面时，加强圈每侧间 断焊接的总长，应不小于圆筒外周长的1/2；当加 强圈设Z在容器的内部时，焊接总长应不小于圆 筒内圆周长的1/3。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒为保证圆筒和加强圈的加强作用，加强圈 应整圈围绕在圆筒的圆周上，不许任意削弱或 割断。设Z在容器内部的加强圈，若由于工艺 需要开设排液孔、排气孔，使加强圈有所削弱 或割断，则削弱或割断的弧长不得大于下图所 给定的值。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒图4-14 圆筒上加强圈允许的间断弧长值郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒例题：一减压塔，内径Di=2400mm，壁 厚附加量C=2mm，筒体两端为标准椭圆形封 头，筒体本身长度24000mm，塔内真空度为 30mmHg，设计温度150℃，塔壁材料为Q245， 试问当塔的有效壁厚为8mm时： （1）塔体稳定性是否满足要求。 （2）若不满足则应加多少个加强圈？若采 用等边角钢作为加强圈，试设计该加强圈的截 面。 （3）若不加加强圈，则壁厚增加到多厚时 才能满足稳定性要求。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.2 圆筒设计―外压圆筒例题： 有一真空操作的管道，管子规格为 φ530×8mm，总长100m，分为5段，各段间 用法兰连接。管内走腐蚀性气体介质，壁厚附 加量C=4mm，管子不圆度不大于0.4%。 （1）校核其稳定性； （2）若稳定性不够则需要加强，求加强圈间 距和个数 (已知：管子材料为20钢，工作温度 为100℃，材料的E=2.0×105MPa，μ=0.3， ReL=245MPa, Rm=390MPa，m=3)。郑州大学化工与能源学院第4.3节 常规设计第4.3.3节 封头设计过程设备设计4.3.3 封头设计压力容器封头的种类很多，可分为： 凸形封头：半球形、椭圆形、碟形和球冠形； 锥形封头（变径段）： 平板封头（平盖）或紧缩口：图4-15 常见容器凸形封头的形式郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计对受均匀内压封头的强度计算，由于封头和圆 筒相连接，所以不仅要考虑封头本身因内压引起的 应力，还要考虑与圆筒连接处的不连续应力。 连接处总应力的大小与封头的几何形状和尺寸、 封头与圆筒厚度的比值大小有关。但导出封头厚度 设计公式时，主要利用内压薄膜应力作为依据，而 将因不连续效应产生的应力增强效应以应力增强系 数（或形状系数）的形式引入厚度计算式中。 封头设计时，一般应优先选用封头标准中推 荐的型式与参数，然后根据受压情况进行强度或稳 定性计算，确定合适的厚度。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计一、半球形封头： 受力状态比较好， 但缺点是深度大。 直径小时，整体冲压困难，直径大时，采 用分瓣冲压、拼焊制作方法，加工工作量大。 半球形封头常用在高压容器上。 1、 受内压的半球形封头： 其厚度计算公式的推导过程与圆筒厚度计 算公式相类似。经推导，有：??4 ?? ? ? ? pctpc Di? 4 ? 40 ?? p ? 0.6?? ? ? ?t c郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计2、 受外压的半球形封头： 在工程上广泛采用图算法进行厚度设计。 根据薄壳的弹性小挠度理论，在均匀外压作 用下，钢制半球形封头弹性失稳的临界应力为：p cr?? e ? ? 1.21E ? ? R ? ? o ? ?2郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计引入稳定性安全系数m=14.52，得到许可外压力为：pcr pcr 0.0833E ? ? p? ? ? m 14.52 ? Ro ? e ?2? 4 ? 41??e令? p ? Ro ，根据B ? 2 EA ? ? p ? Ro B??e3得：2 EA ? p? ? 3 ? Ro ? e ?0.125 A? ? Ro ? e ?将其代入（4-41）式，得到：? 4 ? 42 ?郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计由A查B（如果A值落在曲线的左侧，有 B=2/3EA）。 B 则许可外压力为： ? p ? ? ? 4 ? 43?? Ro ? e ?用图算法设计半球壳时，同样应先假定名义厚 度δn ，最后比较[p]和pc 。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计二、椭圆形封头： 由半个椭球壳和短圆筒组成。 当a/b适当时，应力分布相对比较好，易于 冲压成型。所以标准椭圆形封头是目前中、低 压容器中应用较多的封头之一。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计受 内 压封 头的 应 力，包括由内压引起 的薄膜应力和封头与 筒体连接处的不连续 应力。研究表明，椭 圆封头中的最大应力 与圆筒周向薄膜应力 的比值（应力增强系 数或形状系数K）与 a/b有关。图4-16 椭圆封头的应力增强系数郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计1、受内压的椭圆形封头： 由于在封头与圆筒连接处存在不连续应力， 因此需引入应力增强系数K，来考虑最大应力对封 头的影响。? Di 1? K ? ?2 ? ? ? 2h 6? ? i ? ? ? ? ?2?? ? ??4 ? 44 ???2?? ? ? ? 0.5 ptKpc Di pc Di?4 ? 45 ? ?4 ? 46 ?郑州大学化工与能源学院标准椭封头：? ?2?? ? ? ? 0.5 pt过程设备设计4.3.3 封头设计椭圆形封头的最大允许工作压力按下式确定：2? e ?? ? ? ?p w ? ? KDi ? 0.5? et?4 ? 47 ?2、受外压的椭圆形封头： 其思路就是将椭圆形封头转化为当量的半球 形封头，然后按照半球形封头的厚度计算公式和 图算法进行计算。 当量球壳的半径：R0=K1D0 ，其中D0为椭封 头的外直径，K1查表4-5。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计表4-5 系数K1D0/2h0 K1 2.6 2.4 2.2 2.0 0.90 1.8 0.81 1.6 0.73 1.4 0.65 1.2 0.57 1.0 0.50 1.18 1.08 0.99为避免椭圆形封头在内压作用下失稳，工 程上一般都采用限制椭圆形封头最小厚度的方 法。为此，GB150中规定： K?1时：δe?0.15%Di K＞1时：δe?0.30%Di郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计三、碟形封头（带折边的球面封头）： 由球壳、环壳和柱壳组成。环壳的存在，使应 力分布恶化，但降低了封头的深度，使成型加工容 易，钢模简单。 碟形封头的强度与环 壳（过渡区）半径r有关， r 过小，则封头应力过大。 因此，将封头的形状限 于：r?0.01Di ，r?3δ， 且Ri?Di。图4-17 碟形封头的应力增强系数 郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计对于标准碟形封头： Ri＝0.9Di，r＝ 0.17Di同时，为避免内压作用下的失稳出现，GB150规 定：当M?1.34时:δe?0.15%Di当M＞1.34时:δe?0.30%Di郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计1、受内压（凹面受压）的碟形封头： 研究表明，在内压作用下，过渡环壳内包括不 连续应力在内的总应力要比中心球面部分的总应 力大得多。因此需引入应力增强系数M（形状系 数），来考虑最大应力对封头的影响。1 M ? (3 ? 4 R i) r (4 ? 48)碟形封头的厚度计算式为：Mpc Ri ?? 2[? ]t ? ? 0.5 pc (4 ? 49)郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计承受内压的碟形封头的最大允许工作压力为：2[? ]t ?? e [ pw ] ? MRi ? 0.5? e(4 ? 50)2、受外压（凸面受压）的碟形封头： 在均匀外压作用下，碟形封头的过渡区是拉 应力，而球面部分是压应力，有可能会失稳，因 此要进行稳定性计算。其计算过程按照半球形封 头的计算过程来进行，只是其中的R0 用球面部分 外直径代替。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计四、球冠形封头： 部分球面与圆筒直接连接。因结构简单，制 造方便，常用作容器中两独立受压室的中间封头， 也可用作端盖。由于球面与圆筒连接处没有转角 过渡，所以在它们连接处存在相当大的不连续应 力，其应力分布不甚合理。 承受内、外压的球冠形封头厚度计算见 GB150。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计五、锥壳（变径段）： α?30°： 大小端可以不带折边。 30°＜α?45°：大端带折边， 小端可以不带折边。 45°＜α?60°：大小端都要带折边。 α＞60°： 按平板计算。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计锥壳的强度由锥壳部分内压引起的薄膜应 力和锥壳两端与圆筒连接处的边缘应力来决定。 锥壳设计时，应分别计算锥壳厚度、锥壳 大端和小端加强段的厚度。 若考虑只有一种厚度时，则取上述各部分 厚度中的最大值。 受外压的锥壳，应首先将其转化为当量圆 筒，用外压圆筒的图算法进行外压校核，祥见 第二章。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计1、受内压的无折边锥壳：（1）锥壳厚度：按无力矩理论，最大薄膜 应力为锥壳大端的周向应力?θ ，即：pD ?? ? 2? cos ?由最大拉应力准则，并取 D ? Dc ? ?c cos ? ， 可得厚度计算式：pc Dc 1 ?c ? ? t 2[? ] ? cos ?(4 ? 51)郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计当锥壳由同一半顶角的几个不同厚度的锥 壳段组成时，式中Dc分别为各锥壳段大端的内 直径。 （2）锥壳大端： 在锥壳大端与圆筒连接处，曲率半径发生 突然变化，同时两壳体的经向应力不能完全平 衡，锥壳将附加给圆柱壳边缘一个横向推力。 由于连接处的几何不连续和横向推力的存在， 使两壳体连接边缘产生显著的边缘应力，郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计当这一总应力超过某一数值时，二者的结构 必须加强。因为边缘应力具有自限性，可将应 力限制在3[σ ]t内。 按此条件求 得的pc/([?] tφ) 及α 之间关系 见右图。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计①若坐标点(pc/([σ ] tφ ),α ) 位于图中曲线 上方，则无需加强，厚度仍按锥壳厚度计算。 ②若坐标点(pc/([σ ] tφ ),α ) 位于图中曲线 下方，则需要增加厚度予以增强。应在锥壳和 圆筒之间设Z比较厚的加强段，二者应具有相 同的厚度，厚度按下式计算：郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计Qpc Di ?r ? t 2[? ] ? ? pc式中： Di――锥壳大端内直径，mm； Q――应力增强系数，查图4-20； δr――锥壳及其相邻圆筒的加强段的计 算厚度，mm。 注：在任何情况下，加强段的厚度不得小于相 连接的锥壳厚度。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计③加强段的长度： 锥壳加强段的长度：L1 ? 20.5D i ? ? r cos ?圆筒加强段的长度：L ? 2 0.5D i ? ? r（3）锥壳小端： 其厚度计算方 法与大端相类似。图4-20 锥壳大端连接处的Q值郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计2、受内压的折边锥壳： （1）锥壳厚度（远离边缘）：仍按下式计算：pc Di 1 ?c ? ? t 2[? ] ? cos ? (4 ? 51)（2）锥壳大端：其厚度取下面两者中的大者。 ①锥壳大端过渡段的厚度：Kpc Di ?? 2[? ]t ? ? 0.5 pc (4 ? 53)②与过渡段相连接处的锥壳厚度： f ? pc Di ?? (4 ? 54) t [? ] ? 0.5 pc郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计其中：系数K值按表4-6查取。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计系数f值按表4-7查取：郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计2r 1 ? (1 ? cos ? ) Di f ? 2 cos ? （3）锥壳小端： 当锥壳α?45°时应考虑两种情况： ①当锥壳小端采用无折边：其小端厚度按无 折边锥壳小端厚度的计算方法计算； ②当锥壳小端采用有折边：按GB150计算。或按下式计算：郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计3、受外压的锥壳：计算锥壳临界外压的理论公式相当复杂， 为简化计算，工程上对外压锥壳常根据半锥角 α的大小近似按圆筒或平盖进行计算： ①当α?60°时，按等效圆筒计算；②当α＞60°时，按平盖计算。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计六、平盖（紧缩口）： 平盖的形状包括：圆形、椭圆形、长圆形、 矩形和正方形等。常用于直径小和高压容器上。锻制平封头紧缩口采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、 制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计平盖厚度计算是以圆平板弯曲应力分析为基 础。 在理论分析时，平板的周边支承被视为简支 或固支，但实际上平盖与圆筒连接时，真实的支 承既不是简支也不是固支，而是介于固支与简支 之间。 因此工程上计算时常采用圆平板理论为基础 的经验公式，通过系数K来表达平盖周边的支承情 况。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计2 3 pR 2 ?? r ?max ? 2 ? 0.188 p D ? 4? 3 ? 3 ? ? ? pR 2 ? 0.309 p D ?? r ?max ? ?? ? ?max ? 2 ? 8 ?? ?? ?2? max ? Kp( )2 ?D(4 ? 55)各种平盖的结构特征系数K见表4-8。 1、圆形平盖厚度： KPC ? P ? Dc (4 ? 56) t [? ] ? 其中：Dc―平盖的计算直径，见表4-8中简图。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计2、非圆形平盖厚度（见教材）七、锻制平封头： 主要用于直径小、 压力高的容器。 为了减小边缘应力以及相互之间的影响， 平 封 头 的 直 边 高 度 L 一 般 要 不 小 于 50mm 。 r?0.5δp 且?Dc/6，,δ不小于与其连接的筒 节厚度。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.3 封头设计锻制平封头的计算厚度：0.27 PC ? P ? Dc [? ]t ? (4 ? 59)其中：η―开孔削弱系数。??Dc ? ? d i Dc――DC范围内沿直径断面开孔内直径?di总和的最大值。郑州大学化工与能源学院第4.3节 常规设计第4.3.4节密封装Z设计过程设备设计4.3.4 密封装Z设计压力容器的封头与筒体、筒体与筒体之间 可采用可拆连接和不可拆连接两种结构形式。 前者检修比较方便，而后者密封可靠。 压力容器的可拆密封装Z 形式很多，如螺纹连接、承插 式连接和螺栓法兰连接，其中 螺栓连接装拆比较方便，故在 工程上应用较多。它由一对法 兰、若干螺栓（母）和一个垫 图4-22法兰连接结构 片组成，如图所示。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计法兰螺栓连接是依靠螺栓预紧力把两部分 设备或管道的法兰环连在一起，同时压紧垫片， 使连接处达到密封。 法兰螺栓连接是“螺栓-垫片-法兰密封系统” 的总称，它具有较好的强度和密封性、结构简 单、成本低、且可以多次重复拆卸，因而在容 器和管道上广泛应用。 不管采用什么样的密封技术，密封装Z的 失效形式主要表现为泄漏。漏是不可避免的， 但为保证容器或管道长期、安全地运行，应将 其泄漏量控制在工艺和环境允许的范围内。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计本节的主要内容：密封装Z的工作原理、影 响密封的因素、密封结构分类及选用原则、密封 结构强度计算等。4.3.4.1 密封机理及分类一、密封机理： 下面以法兰连接结构为例，说明其密封机理。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―密封机理及分类流体在密封口泄漏有两条途径，即渗透泄漏 和界面泄漏： 1、渗透泄漏：通过垫片材料本体毛细管的渗 透泄漏。泄漏的原因是： ①介质压力、温度、粘度、分子结构等流体 状态性质； ② （主要原因）垫片的结构和材料性质。 这种泄漏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。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―密封机理及分类2、 界面泄漏：即沿着垫片与压紧面（上下法兰与垫片的接 触面）之间的缝隙泄漏，泄漏量的大小主要与界 面间隙尺寸有关。 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主要原因。界面泄漏是密封失效的主要途径。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―密封机理及分类防止泄漏的基本方法：在密封口增加流体流 动的阻力，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助于施加在压 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。 螺栓法兰连接的整个工作过程可用尚未预紧 工况、预紧工况和操作工况来说明。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―密封机理及分类图4-23 密封机理图①尚未预紧工况：郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―密封机理及分类②预紧工况： 拧紧螺栓，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫 片上。当垫片表面单位面积上所受的压紧力达到 一定值时，垫片便产生弹性或屈服变形，填满上 下压紧面原有的凹凸不平处，堵塞了流体泄漏的 通道，形成了初始密封条件。 形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的 最小压紧力，称为垫片比压力，用y（MPa）表 示。 在预紧工况下，如果垫片单位面积上所受的 实际压紧力小于 y，介质就会发生泄漏。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―密封机理及分类③操作工况：容器内通入介质，随着介质压力 的升高: 一方面，介质内压引起轴向力，将促使上下 法兰的压紧面分离，压紧面上的比压力下降； 另一方面，垫片预紧时的弹性压缩变形部分 产生回弹，其压缩变形的回弹量补偿因螺栓伸长 所引起的压紧面分离，使作用在压紧面上的密封 比压力仍能维持一定值以保持密封性能。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―密封机理及分类为保证在操作状态时法兰的密封性能而必 须施加在垫片上的压紧力，称为操作密封比压， 操作密封比压往往用介质计算压力的m（垫片系 数，无因次）倍表示。二、密封分类： 1、根据获得密封比压力的方法不同，压力容器 和管道密封分为强制性密封和自紧密封两种。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―密封机理及分类①强制式密封：是完全依靠连接件的作用力 强行挤压密封元件达到密封，因而需要很大的预 紧力，预紧力约为工作压力产生的轴向力的1.1～ 1.6倍。 ②自紧式密封：主要依靠容器内部的介质压 力压紧密封元件实现密封。 介质压力越高，密封就越可靠，因而密封所 需的预紧力较小，通常在工作压力产生的轴向力 的20%以下。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―密封机理及分类自紧式密封根据密封元件的主要变形形式， 又分为轴向式自紧密封和径向式自紧密封。2、按被密封介质的压力大小，压力容器和管道 密封分为中低压密封和高压密封两种。 中低压密封以螺栓法兰连接结构最为常见， 它广泛应用于容器的封头与筒体的连接、开孔接 管和管道的连接上，属于强制式密封。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―影响密封性能的主要因素 4.3.4.2 影响密封性能的主要因素 影响密封性能的因素与密封结构有关。现以 螺栓法兰连接结构为例加以说明。 一、螺栓预紧力： 它是影响密封性能的一个重要因素。预紧力 不能太小，它必须使垫片压紧以实现初始密封。 适当提高螺栓预紧力可以增加垫片的密封能力， 但预紧力不能过大。另外，通常采取减小螺栓直 径、增加螺栓个数使预紧力应尽可能均匀地作用 到垫片上。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―影响密封性能的主要因素二、垫片性能： 它是密封结构中的重要元件，其变形能力 和回弹能力是形成密封的必要条件。 变形能力大的垫片容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。 另外由于垫片直接与介质接触，因此，垫 片还应具有能适应介质的温度、压力和腐蚀等 性能。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―影响密封性能的主要因素 几种常用垫片材料的比压力y和垫片系数m 见表4-9。 y 和 m这两个参数，仅考虑了与垫片材料、 结构与厚度的关系。实际上y 、 m还与介质的性 质、压力、温度、压紧面粗糙度等因素有关，并 且 y 和 m之间也存在内在关系。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―影响密封性能的主要因素郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―影响密封性能的主要因素郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―影响密封性能的主要因素 三、压紧面的质量： 压紧面又称密封面，它与垫片直接接触。 压紧面的形状和粗糙度应与垫片相匹配。 压紧面表面不允许有刀痕和划痕，同时为 了均匀地压紧垫片，应保证压紧面的平面度和 压紧面与法兰中心轴线的垂直度。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―影响密封性能的主要因素 四、法兰的刚度： 提高法兰刚度的方法：增加法兰厚度、缩 小螺栓中心圆直径、增大法兰外径或采用带颈 法兰等。图4-24 法兰的翘曲变形郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―影响密封性能的主要因素五、操作条件： 主要是指介质的压力、温度和物理化学性 质对密封性能的影响。 操作条件对密封的影响很复杂，单纯的压 力和介质对密封的影响并不显著，但在温度的 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。 其原因如下：因为在高温下：郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―影响密封性能的主要因素 ① 介质的粘度小，渗透性大，易泄漏； ② 介质对垫片和法兰的腐蚀作用加强； ③ 法兰、螺栓和垫片均会产生较大的高温蠕 变和应力松弛； ④ 某些非金属垫片加速老化、变质，甚至烧 毁。 总之，影响法兰密封性能的因素很多，在密 封设计时应根据具体情况综合考虑。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计4.3.4.3 螺栓法兰连接设计 一、法兰结构类型及标准 1、 法兰分类：有多种分类方法 ①按法兰接触面宽窄分： 宽面法兰和窄面法兰； ②按应用场合分： 容器法兰和管法兰。 2、法兰结构类型： 法兰的基本结构形式按组成法兰的圆筒、法 兰环和锥颈三部分的整体性程度分：松式法兰、 整体法兰和任意式法兰三种。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计（1）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，如活套法兰、螺纹法兰和 搭接法兰。松式法兰的力矩完全或大部分由法兰环本身 来承担，对设备或管道不产生或产生很小的附加 弯曲应力。但法兰刚度小，厚度较厚，一般只适 用于压力较低的场合。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计（2） 整体式法兰：将法兰与壳体锻或铸成一体 或经全焊透的平焊法兰，如图所示。这种结构能保证壳体与法兰同时受力，使法 兰厚度适当减薄，但会在壳体上产生较大应力。 其中带颈法兰可以提高法兰与壳体的刚度，适用 于压力、温度较高的重要场合。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计（3） 任意式法兰：从结构上来看，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，如图所示。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。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计3、法兰标准：为简化计算、降低成本、增加 互换性，世界各国都制定了一系列法兰标准。使 用时，应尽可能选用标准法兰。 法兰标准根据使用用途分：管法兰和容器法 兰两套标准，二者不能相互套用。 选择法兰的主要参数是： 公称压力（PN）和公称直径（DN）。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计（1）公称直径（DN）： 是容器和管道标准化后的尺寸系列。对容器 而言是指容器的内径（用管子做筒体的容器除 外）；对管子而言，公称直径是指名义直径。在 设计容器或管道时，应按国家标准来选用公称直 径见下表。 表 容器、管道公称直径/mm郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计（2）公称压力（PN）：是压力容器或管道的 标准化压力等级。是一种经过标准化后的一系列 压力数值，也是指对指定材料在规定温度下的最 大工作压力。在设计时，应根据法兰材料、工作 压力和温度选用上一档公称压力数值。 国际通用的PN等级有欧洲体系和美洲体系。 欧洲体系采用PN系列表示公称压力等级，如 PN2.5，PN4.0等。 美洲体系习惯采用Class系列表示公称压力等 级，如Class300，Class900等。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计欧洲体系中常用的公称压力等级有：0.25、 0.6 、 1.0 、 1.6 、 2.5 、 4.0 、 6.3 、 10.0 、 16.0 、 25.0MPa等； 美洲体系中常用的公称压力等级：2.0、5.0、 11.0、15.0、26.0、42.0MPa等 。 PN系列和Class系列公称压力的对照见下表。PN Class 20 150 2.0 50 300 5 110 600 11 150 900 15 260
2500 42压力值 /MPa郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计（3）容器法兰标准：容器法兰分为三种： 甲型平焊法兰（JB/T） 乙型平焊法兰（JB/T） 长颈对焊法兰（JB/T）郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计（4）管道法兰标准： 国际上管法兰标准主要有欧洲体系和美洲体 系两大体系。同一体系内，各国的管法兰标准基 本上可以互相配用，但两个体系之间不能相互配 用。 目前中国管法兰标准比较多，有GB9112～ 9125、JB/T74～90、HG/T20592～ 20635等， 考虑到HG标准适用范围广、材料品种齐全，在 选用时应优先选用。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计（5）标准法兰的选用：法兰应根据容器或管道的DN、PN、工作 温度、工作介质特性、法兰材料进行选用。容器法兰的公称压力是以16Mn（Q345R） 在200℃ 时的最高工作压力为依据制订的，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。所以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 （管法兰也有类似的规定）。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计压力容器（标准）法兰连接的选用步骤： ①根据设计任务要求，确定法兰型式：郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计②由确定的法兰形式和工作温度，确定法兰材 料，或由材料确定公称压力。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计③由法兰型式、公称压力确定法兰各部分尺 寸和螺柱直径和个数。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计④由法兰型式、工作温度，确定匹配的垫片种 类、材料和螺柱、螺母材料（见下表），并由对 应的标准查取有关尺寸。⑤参照各查出尺寸绘出法兰图。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计（6）标准法兰的标记：容器法兰标记：法兰C－T 800－1.60 JB/T， 材料：16Mn(环0Cr18Ni9)郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计管法兰标记：HG/T20592 法兰 PL200(B)－6 RF Q235B郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计4.3.4.3.2 法兰密封面和垫片的选择 一、螺栓法兰连接的密封性设计 螺栓法兰连接设计关键要解决两个问题： 一是保证连接处“紧密不漏”； 二是法兰应具有足够的刚性。 实际应用中，螺栓法兰连接很少因强度不 足而破坏，大多因密封性能不良而导致泄露失 效。因此，密封设计是螺栓法兰连接中的重要 环节，而密封性能的优劣又与压紧面和垫片有 关。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计1、法兰压紧面的选择： 压紧面主要应根据工艺条件、密封口径和垫 片等选择。常用的密封面形式有：全平面（FF）、 突面（RF）、凹凸面（FM、M）、榫槽面（T、 G）和环连接面（RJ）等，其中突面、凹凸面、 榫槽面最为常用。见下图。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计①平面（突面）密封面： 结构简单，加工方便。密封面可以做成平滑 的，也可以在密封面上开2～4条、宽×深 =0.8×0.4mm 、截面为三角形的环向沟槽。 一般完全平滑的平面仅适用于PN?2.5MPa 场合；带沟槽的法兰可用到6.4MPa ，管法兰可 用到25～42MPa ，但随压力的增高，法兰公称 直径相应减小。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计② 凹凸密封面： 安装时容易对中，还能有效防止垫片被挤出 压紧面。它适用于PN?6.4MPa的容器法兰和管 道法兰。 ③ 榫槽密封面： 是由一个榫面和一个槽面相配合而成，垫片 安放在槽内。其优点是垫片较窄，并受槽面的阻 挡，所以不会被挤出压紧面，且少受介质的冲刷 和腐蚀，所需螺栓力较小。但缺点是结构复杂， 更换垫片困难。一般适用于易燃、易爆和高度或 极度危害介质等重要场合。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计2、垫片的选择 垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好 坏主要取决于垫片的密封性能。 设计时应根据介质压力、温度、腐蚀性和密 封面的形状等多个因素来选择垫片。表4-11可供 参考。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计表4-11 垫片选用表郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计3、螺栓设计 根据密封所需要的压紧力大小计算螺栓载荷， 选择合适的螺栓材料，计算螺栓直径和个数，按 螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸，最后验算螺栓间 距。 （1） 垫片压紧力 已知垫片材料的性能（y， m）和垫片的密封宽度，就可计算出一定直径和 压力下垫片所需的压紧力。 ① 预紧时需要的压紧力 按下式计算：Fa ? ? ? DG ? b ? y郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计式中： Fa―预紧状态下，需要的最小垫片压紧力，N； b―垫片有效密封宽度，mm； DG―垫片压紧力作用中心圆计算直径，mm； b0―垫片的基本密封宽度，mm，见表4-11； 当b0?6.4mm时，DG 等于垫片接触的平均直 径； 当b0 ＞6.4mm时，DG 等于垫片接触的外径减 去2b。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计垫片有效密封宽度b与基本密封宽度b0(见表411）的关系： 当b0?6.4mm时，b=b0； 当b0＞6.4mm时，b=2.53b00.5。 ②操作时需要的压紧力 由下式计算： Fp ? 2? ? DG ? b ? m ? pc 式中： Fp―操作状态下，需要的最小垫片压紧力，N； m―垫片系数，由表4-9查得， pC―计算压力，MPa。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计（2） 螺栓载荷计算 ①预紧状态下：需要的最小螺栓载荷Wa等于 保证垫片初始密封所需的压紧力Fa， 即: Wa= Fa=πDGby ②操作状态下：需要的最小螺栓载荷Wp 由两 部分组成：介质压力产生的轴向力F和保持垫片密 封所需要的压紧力Fp ，即： ? 2 Wp ? F ? Fp ? DG pc ? 2? DGbmpc 4郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计（3） 螺栓设计： 通常螺栓和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 栓材料硬度比螺母高30HB以上。 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 为所需的螺栓截面积，从而确定螺栓直径和个数。 预紧状态下：Wa Aa ? ?? ?b郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计操作状态下：Wp Ap ? t ?? ?b需要的螺栓面积Am 取Aa与Ap中较大值。假 定螺栓个数n，由Am即可确定螺栓直径：d0 ?4 Am?n根据上式算出的有效直径和螺纹标准，选取 螺栓的公称直径。一般情况下，螺栓的公称直径 dB不得小于12mm。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计另外，确定的螺栓数量一般取4的倍数，不 能太多（螺栓的最小间距通常为3.5~4 dB ） ， 但也不能太少（最大间距按式4-67计算）。实际 上确定螺栓数量时，一般要参考标准法兰所配的 螺栓数量。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计三、法兰强度设计计算简述 对非标准法兰，设计时应选定法兰、垫片 的材料和形式后，参考法兰标准系列初拟法兰 尺寸，然后一方面进行应力计算，并应满足相 应的强度条件。另一方面应进行法兰的刚度计 算，并应满足相应的刚度条件。但目前国内外 多数规范中的法兰设计方法基本上都从强度考 虑，控制法兰中的应力作为设计依据。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计法兰的计算方法大致可分为两类： 一类是以弹性分析为基础的计算方法； 另一类是以塑性分析为基础的设计方法。 由于弹性分析法应用历史长、使用经验多、 因而被世界各国广泛采用。其中Timoshenko和 Waters是最常用的两种计算方法。具体计算方 法参看GB150。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计⑴非标准法兰设计步骤：法兰设计时采用试 算法。一般先以直径和压力等级相近的标准法兰 尺寸为基础，确定非标准法兰的初步结构和尺寸， 并选择与介质相适应的或有特殊要求的法兰材料。 然后进行法兰的受力分析并计算外力和各项法兰 应力，并与相应的许用应力进行比较。 ⑵法兰强度校核条件：为使法兰设计既安全 可靠又经济合理，根据作用在法兰上各部分的应 力性质，分别给以不同的强度失效设计准则。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―螺栓法兰连接设计图4-27 waters法应力分析模型郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计4.3.4.4 高压密封设计 由于压力高，高压密封装Z的重量约占容器 总重的10～ 30%，而成本则占总成本的 15 ～ 40%，其设计是高压容器设计的重要组成部分。 一、高压密封的基本特点： 密封结构型式多种多样，但都有以下特点： ①一般采用金属密封元件：如退火铝、退火紫 铜和软钢等； ②采用窄面或线接触密封：降低预紧力，减小 螺栓直径，从而减小整个法兰和封头结构尺寸； ③尽可能采用自紧或半自紧式密封。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计二、高压密封的结构形式： ①平垫密封： 它属于强制式密封。见图，它与中低压容器 中常用的螺栓法兰连接结构类似，只是将宽面非 金属垫片改为窄面金属平垫片（退火铝、退火紫 铜、10#等）。 适用范围： t?200℃， Di?1000mm，温度和压 力不波动或波动较小的场 合。 图4-31 平垫密封结构郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计②卡扎里密封： 它也属于强制式密封， 结构见图示。为了解决拧 紧与拆卸主螺栓的困难， 改用螺纹套筒来代替主螺 栓。螺纹套筒与顶盖和法 兰上的螺纹是间断的，每 隔一定角度(10°～30°) 螺纹断开，装配时只要将 螺纹套筒旋转相应角度就 可装好。图4-32 卡扎里密封郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计其特点是利用压环和预紧螺栓将三角形垫片 压紧来保证密封，装拆方便，安装时预紧力小。 介质产生的轴向力由螺纹套筒承担，不需要大直 径主螺栓。 适用范围：大直径和较高压力的场合。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计改进卡扎里密封：为了改 善套筒螺纹锈蚀给拆卸增加困 难而提出的。它仍旧采用主螺 栓，但预紧仍依靠预紧螺栓来 完成，而主螺栓不需要拧得很 紧，从而装拆较为省力。 卡扎里密封中的压环材料 一般采用强度较高、硬度也较 高的35CrMo钢或45、35优质 钢。 密封垫片材料与金属平垫 片相同。改进型卡扎里密封郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计③双锥密封： 它是一种保留了主螺栓但属于径向自紧作用 的半自紧式密封结构，结构见图示。图4-33 双锥密封结构郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计预紧状态： 双锥环两锥面被压紧；同时双锥环本身产 生径向收缩，产生预紧密封比压。 工作状态： 两锥面上的比压降低；双锥环回弹；在内 压作用下，双锥环内圆柱表面向外扩张。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计双锥环的尺寸：为了达到比较好的密封效果， 双锥环的尺寸应满足： 双锥环的高度： A ? 2.7 Di ? ?? ?C ? (0.5 ~ 0.6) A ?双锥环的厚度：B ?A?C 20.75 pc?m式中： A―双锥环高度，mm； B―双锥环厚度，mm； ?m―双锥环中点处的弯曲应力，一般 可取50～100MPa。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计双锥环及垫片的材料： 双锥环的材料可用20、25、35、16Mn、 15CrMo、 20MnMo、S30408等；在其两个密 封面上开有半圆形沟槽，沟槽中衬有软金属垫， 材料为退火铝或退火紫铜等。 特点：结构简单、密封可靠、加工精度不高， 制造容易。 适用范围：适用于直径大、压力和温度高的 容器，在压力和温度有波动的情况下，密封性能 也很好。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计④伍德密封： 它是一种最早使用的轴 向自紧式密封结构，结构见 图示。 牵制螺栓通过牵制环拧 入顶盖，在预紧状态下形成 初始密封条件；在工作状态 时，在内部介质压力作用下 密封性能进一步提高。图4-34 伍德密封结构郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计特点：无主螺栓，密封可靠，开启速度快，压 垫可多次使用；在温度和压力波动时密封性能 也能保证。但结构复杂，高压空间占用较多。⑤“C”形环密封： 钢质“C”形密封环 是自紧式密封环，如图 所示，环的上下面有一 圈突出的圆弧，这是线 接触部分。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计预紧状态时将“C”形环弹性轴向压缩，甚至 有少量的屈服。工作时，一方面“C”形环回弹张 开，另一方面内压作用在环的内腔使环进一步张 开，达到密封，且内压越高，密封越好。 特点：结构简单，无主螺栓，一般只用于直 径小于1000mm、压力在32MPa以下、温度在 350℃以下的场合。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计⑥空心金属“O”形环密封： 空心金属“O”是外径不超过12mm的金属小 圆管弯制而成的，结构见图示。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计O形环放在密封槽内，预紧时由紧固件将 管子压扁，其回弹力即为O形环的密封面压紧力。 如果在管内充惰性气体或能升温后气化的固体, 可形成3.5～ 10.5MPa的压力，或在环内侧钻若 干小孔使环内与工作介质连通，都可加强自紧 密封作用。 特点：结构简单，密封可靠，密封压力高 （可达280MPa，个别达350 ～ 700MPa），使 用温度高（350℃ ），充气环可达到400 ～600 ℃。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计⑦楔形垫自紧密封 （N.E.C）： 工作时浮动的顶盖 受内压作用升高将楔形 垫压紧，达到自紧目的。 特点：自紧密封性 能好，但有主螺栓，使 得筒体法兰尺寸较大。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计⑧平垫自紧密封 （布里奇曼）： 结构见图示。它由螺 纹套筒进行预紧，工作时 内压载荷加在顶盖上，从 而使金属平垫更加压紧。 特点：取消了主螺栓， 预紧及工作密封载荷均由 螺纹套筒承担，但大直径 的装拆困难。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计⑨ 三角垫、B形 环、八角垫、椭圆 垫密封： 结构见图示。 前两种属于径 向自紧密封； B形 环密封的自紧力较 小； 后两种密封可 靠，结构简单，常 在炼油与加氢装Z 中应用。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计⑩ 高压管道密封： 与容器密封一样，高压管道密封也要求密封 性能好，制造容易，结构简单合理，安装维修方 便等。除外，高压管道密封还有它的特殊之处： ①管道所受到的载荷多而复杂； ②管线长，热膨胀值大，受温度波动影响大； ③管道装拆次数多，要求管道密封结构更便于 拆装。 高压管道密封结构比较多，也有强制和自紧 式两种结构。强制式密封多为平垫密封；而自紧 式密封多采用径向自紧式密封。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计下面介绍一种使用较多的透镜自紧式高压管 道密封结构。结构见图示。图4-35 高压管道的透镜垫密封图（a）为一般情况下使用的透镜垫，图（b） 为高温情况下使用的透镜垫。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计特点： ①采用球面金属垫片，形成线接触密封，一 方面可形成比较高的密封比压，另一方面能自动 适应两连接管道不直的情况，即自位性好； ②管道和法兰不用焊接，而用螺栓连接，可 减小法兰对管道的附加弯曲应力，尤其当安装不 同心不直时法兰对管道的附加弯矩可大为减少。 适用范围：由于这种密封结构中管道和法兰 不用焊接，而用螺纹连接，因而特别适用于不宜 焊接的高强度合金钢管间的连接。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计三、提高高压密封性能的措施： ⑴改善密封接触表面：即在保证密封元件原有 的力学性能和回弹能力特性的前提下，通过改善 密封表面接触状况来提高密封元件的密封性能。 常用的方法有： ①密封面电镀或喷镀软金属、塑料等，以提 高密封面的耐磨性能等； ②密封接触面之间衬软金属或非金属薄垫片； ③密封面上镶软金属丝或非金属材料。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计⑵改进垫片结构：采用由弹性件和塑性软垫组 合而成的密封元件，依靠弹性件获得良好的回弹 能力和必要的密封比压，同时依靠塑性软垫获得 良好的密封接触面。如组合“B”形垫。图4-36 组合式“B”形环郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计⑶采用焊接密封元件： 当容器或管道内盛装易 燃、易爆、剧毒介质或处 于高温、高压、温度压力 波动频繁等场合，要求封 口完全密封时，可采用这 种结构。图4-37 焊接垫片密封郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计四、螺栓载荷计算： 螺栓载荷是主螺栓、筒体端部和顶盖设计 的基础。下面对最基本的平垫密封和双锥密封结 构进行分析。 ⑴平垫密封：密封载荷和主螺栓的设计过程 同前面的中低压螺栓法兰连接部分。 ⑵双锥密封：根据双锥环的密封原理计算出 预紧状态下主螺栓载荷Wa 和操作状态下主螺栓 载荷Wp，并根据Wa 、 Wp进行主螺栓设计。郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计①预紧状态下主螺栓载荷Wa ： 预紧时应保证密封面上的软金属达到初始密 封条件，同时又应使双锥环产生径向弹性压缩 以消除双锥环与平盖之间的间隙g。 为了达到初始预紧密封，双锥密封面上必 须施加的法向压紧力WO为： WO=πDGby郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计预紧时，双锥环收缩，与顶盖有相对滑动趋 势，使双锥环受到摩擦力Fm的作用，其方向如图 所示，其大小为： Fm=W0tgρ=πDGbytgρA?C b? 2 cos ?图4-38 双锥环几何与预紧时的力分析郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计Fm和WO作矢量合成后再分解到垂直方向就 是预紧时主螺栓必须提供的载荷W1 ，即：sin(? ? ? ) W1 ? ? DG by cos ?A?C 将 b? 代入上式，得： 2 cos ?sin(? ? ? ) W1 ? DG ( A ? C ) y 2 cos ? ? cos ??郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计其中： DG―双锥环的密封面平均直径，mm； ρ―摩擦角，不同材料接触时，接触角不同； A、B、C、α―双锥环的几何尺寸。 预紧时还同时应使双锥环产生径向弹性压缩， 一般压缩至径向间隙g值完全消除，即双锥环的 内侧面与平盖的支承面相贴合。此时的主螺栓载 荷为：W1/ ? ? Ef 2g tan(? ? ? ) D1郑州大学化工与能源学院过程设备设计4.3.4 密封装Z设计―高压密封设计式中：D1―双锥环内圆柱面直径，mm； E―双锥环材料的弹性模量，MPa； g―径向间隙，mm； f―双锥环的截面积，mm2. 一般情况下， W1要比W/1大得多，这样主螺栓 的预紧载荷只要按照W1式计算，就可满足要求。 ②双锥环工作状态下主螺栓载荷Wp ： 操作状态下主螺栓将承受三部分力：内压引 起的总轴向力F 、双锥环自紧作用的轴向