法兰连接
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法兰连接. 法兰联接 (flange , joint): 由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺母组成。法兰联接是一种可拆联接。 原理 :垫片放在两法兰密封面之间,拧紧螺母后,垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形,并填满密封面上凹凸不平处,使联接严密不漏。 性能 :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 。 失效形式 : 主要表现为泄漏 , 泄漏量控制在工艺和环境允许的范围内。. 一、法兰的分类. 按所联接的部件可分为容器法兰及管法兰。 按结构型式分,有整体法兰、活套法兰和螺纹法兰。 这里重点介绍整体法兰,常见的 整体法兰有平焊法兰 及对焊法兰。.

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法兰连接

  • 法兰联接(flange,joint):由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺母组成。法兰联接是一种可拆联接。

  • 原理:垫片放在两法兰密封面之间,拧紧螺母后,垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形,并填满密封面上凹凸不平处,使联接严密不漏。 性能: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 。

  • 失效形式:主要表现为泄漏,泄漏量控制在工艺和环境允许的范围内。


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一、法兰的分类

  • 按所联接的部件可分为容器法兰及管法兰。

  • 按结构型式分,有整体法兰、活套法兰和螺纹法兰。

  • 这里重点介绍整体法兰,常见的整体法兰有平焊法兰及对焊法兰。


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左上一图为连接塔节与塔节的容器法兰左上二图为连接接管的管法兰右下一图为连接封头与筒体、管箱与筒体的容器法兰右下二图为管法兰


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平焊法兰:通过角焊缝直接与设备或管道焊接的一种法兰。其结构简单,加工方便。(1)、用在容器上又分甲型平焊法兰和乙型平焊法兰。甲型平焊法兰直接与容器焊接,其解焊缝尺寸较小或不开坡口焊接,不能保证法兰与容器同时受力;乙型平焊法兰附有一段较厚的短节,法兰与短节的焊接质量可靠,能保证法兰与容器同时受力。平焊法兰广泛用于中、低压容器和管道的连接。对焊法兰又称高颈法兰刚性较大,适用于压力温度较高的场合

  • 图(f)为甲型平焊法兰

  • 图(g)为乙型平焊法兰

  • 图(e)为法兰


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(2)、用在接管上又有板式平焊法兰、带颈平焊法兰和带颈对焊法兰三种类型。

  • 板式平焊法兰:由于法兰直接与钢管焊接,法兰盘在操作时受力状态差,易发生形变。适用于低压场合。

  • 带颈平焊法兰:由于增加了一厚壁的短节法兰颈,因此增加了法兰的刚度,大大减小了法兰变形。适用于中、低压场合。

  • 带颈对焊法兰:其颈更长,又称高颈法兰,与管子之间采用的是对焊连接,受焊接时产生的应力集中小,能承受较高的压力。


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板式平焊钢制法兰


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带颈平焊法兰


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带颈对焊法兰


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(3) 、其它形式的法兰连接

左上一图为法兰端盖右下一图为管板法兰右下二图为平板法兰


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法兰连接的密封

  • 一、密封机理

  • 泄漏途径:渗透泄漏、界面泄漏渗透泄漏: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。

  • 界面泄漏: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。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。


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二、法兰密封面的形式

  • 法兰的密封面主要根据工艺条件、密封口径以及垫片等进行选择。

  • (1)、容器法兰的形式有:平面型、凹凸面、榫槽面等其中以凹凸面、榫槽面最为常用。

  • (2)、管法兰的形式有:全平面、突面、凹凸面、榫槽面和连环接面五种。前四种为常用的密封面。


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  • 平面型密封面:是在平面上加工出几道浅槽,其结构简单但垫圈没有固定,不易压紧。适用于压力不高、介质无毒的场合;

  • 凹凸密封面:是相配合的凹形和凸形密封面。安装时便于对中,还能防止垫片被挤出。但垫片宽度较大,须较大压紧力。适用于压力稍高的场合


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榫槽密封面:是具有相配合的榫面和槽面的密封面,垫片较窄,放在槽内,由于受槽的阻挡,不会被挤出。很少受介质的冲刷和腐蚀。安装时易对中。垫片受力均匀,故密封可靠。适用于易燃、易爆、有毒介质及压力较高的重要密封。但更换垫片困难,法兰造价较高。


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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。


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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。


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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10-15


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四、法兰标准及选用

㈠ 压力容器法兰标准  

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


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1.平焊法兰:


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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。


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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。


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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。


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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。


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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。


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最大允许工作压力的确定:


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课堂作业:

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。


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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。


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例11-1: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11-2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。


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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 :P224 1、2、3


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概述:

第二节 容器支座

容器支座:支承容器重量、固定容器位置并使容器在操作中保持稳定。

结构型式由容器自身的型式决定,分:

卧式容器支座

立式容器支座

球形容器支座


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一、卧式容器的支座

㈠ 鞍式支座

 卧式容器的支座有三种:鞍座、圈座、支腿

应用最广泛的卧式容器支座。

已有标准JB/T4712-92 《鞍式支座》,根据容器公称直径和重量选用。

由横向筋板、若干轴向筋板和底板焊接而成。在与设备连接处,有带加强垫板和不带加强垫板两种结构。


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鞍座包角120°或150°,安放稳定。

高度200、300、400和500mm。

宽度b根据容器公称直径查出。


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鞍座的种类与安装:

鞍座分为A型(轻型)和B型(重型),重型又分为BⅠ~BⅤ五种型号。A型和B型的筋板和底板、垫板等尺寸不同或数量不同。

每种型式鞍座又分为固定式支座(代号F):底板上开圆形螺栓孔和滑动式支座(S) :底座开长圆形螺栓孔(安装)


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鞍座与筒体端部距离A确定:

当L/D较大,且无加强圈,应尽量利用封头对支座处筒体的加强作用,取A≤0.25D;

当筒体的L/D较小,d/D较大,或有加强圈时,取A≤0.2L。


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㈡ 圈座

采用圈座的情况:

  • 对于大直径薄壁容器和真空容器,因其自身重量可能造成严重挠曲;

  • 多于两个支承的长容器。

    除常温常压下操作的容器外,至少应有一个圈座是滑动支承的。


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㈢ 腿式支座

简称支腿

连接处造成严重的局部应力,只适用于小型设备(DN≤1600、L≤5m)。

腿式支座的结构型式、系列参数等参见标准JB/T 4714-92 《腿式支座》。


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二、立式容器的支座

立式容器的支座主要有:

耳式支座

支承式支座

裙式支座

中、小型直立容器常采用前二种,

高大的塔设备则广泛采用裙式支座。


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㈠ 耳式支座

简称耳座:垫板、筋板和支脚板。

广泛用在反应釜及立式换热器等直立设备上。

简单、轻便,但局部应力较大。

当设备较大或器壁较薄应加垫板。

不锈钢制设备,用碳钢作支座,防止合金元素流失,也需加一个不锈钢垫板。


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已标准化JB/T 4725-92 《耳式支座》。

该标准分A型(短臂)和B型(长臂)(有保温层或直接放在楼板上)

每类又分带垫板与不带垫板两种结构


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耳式支座选用的方法:

(1)估算设备总重,算每个支座(按2个计算)的负荷Q值;

(2)确定支座型式,从表11-5或表11-6按允许负荷Q允大于实际负荷Q,选支座。

  • 小型设备耳式支座,可支承在管子或型钢制的立柱上。

  • 大型设备的支座往往搁在钢梁或混凝土制的基础上。


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㈡ 支承式支座

用钢管、角钢、槽钢制作,或用数块钢板焊成,

型式、结构、尺寸及材料JB/T 4724-92 《支承式支座》。


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形式

支座号

适用的公称直径(mm)

结构特征

A

1~6

DN800~3000

钢板焊制,

带垫板

B

1~8

DN800~4000

钢管焊制,

带垫板

适用范围和结构:

支承式支座分A型和B型。


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支承式支座的选用:

选用见标准规定,尺寸按表10-8查。

简单轻便

局部应力较大,当壳体刚度较小、壳体和支座材料差异或温度差异较大时,或壳体需焊后热处理,应设置加强板。

加强板的材料应和壳体材料相同或相似。


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㈢ 裙式支座

塔设备最常用裙式支座。

目前还没有标准。

各部分尺寸均需通过计算或实践经验确定。


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思考题:

1、卧式容器和立式容器的支座有哪几种?

2、双鞍座卧式容器支座位置按哪些原则确定?


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第三节 容器的开孔与附件

一、容器的开孔与补强

容器为什么要开孔?  

工艺、安装、检修的要求。

开孔后,为什么要补强?

削弱器壁的强度,出现不连续,形成高应力集中区。


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开孔的形状:

峰值应力通常较高,达到甚至超过材料屈服极限。

局部应力较大,加之材质和制造缺陷等,

为降低峰值应力,需要对结构开孔部位进行补强,以保证容器安全运行。

应力集中和开孔形状有关,圆孔的应力集中程度最低。


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㈠ 开孔补强的设计与补强结构

在开孔附近区域增加补强金属,提高器壁强度,满足强度设计要求。

容器开孔补强的形式分为整体补强和补强圈补强

1.整体补强

增加整个壳体的厚度,或用全焊透将厚壁接管或整体补强锻件与壳体相焊,降低开孔附近的应力。

应力集中的局部性,除非制造或结构需要,一般不把整个容器壁加厚。


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2.补强圈补强

开孔周围贴焊一圈钢板,即补强圈。

补强圈与器壁搭接,材料相同,补强圈尺寸参照标准确定,或等面积补强。

为方便焊接,外面单面补强。

检验紧密性,M10螺孔通入压缩空气。


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补强圈搭焊结构的使用范围:

GB150用补强圈结构补强时,规定:

① 钢材的标准抗拉强度下限值sb≤540MPa;② 补强圈厚度小于或等于1.5dn;③ 壳体名义厚度dn≤38mm。


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㈡ 允许开孔的范围

筒体及封头开孔最大直径不允许超过:

(1) 圆筒Di≤1500mm,开孔最大直径d≤1/2Di,且d≤520mm;圆筒Di>1500mm时,开孔最大直径d≤1/3Di,且d≤1000mm; (2) 凸形封头或球壳的开孔最大直径d<1/2Di。 (3) 锥壳开孔最大直径d≤1/3Di,Di为开孔中心处的锥壳内直径。


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㈢ 不需补强的最大开孔直径

计算壁厚考虑了焊缝系数,钢板规格,壳体壁厚超过实际强度,最大应力值降低,相当于容器已被整体加强。

且容器开孔总有接管相连,其接管多于实际需要的壁厚也起补强作用。

容器材料有一定塑性储备,允许承受不是十分过大的局部应力,所以当孔径不超过一定数值时,可不进行补强。


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接管公称外径

25

32

38

45

48

57

65

76

89

最小壁厚

3.5

4.0

5.0

6.0

>540MPa,全焊透,接管腐蚀裕量1mm。

壳体开孔满足全部条件,可不另行补强:

(1) 设计压力小于或等于2.5MPa;

(2) 两相邻开孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和的两倍;

(3) 壳体名义壁厚大于12mm,接管公称外径小于或等于80mm;壳体名义壁厚小于或等于12mm ,接管公称外径小于或等于50mm

(4) 接管最小壁厚满足表11-9的要求。


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二、容器的接口管与凸缘

用于装置测量、控制仪表,或连接其他设备和介质的输送管道。

㈠ 接口管

焊接设备的接口管长度


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铸造设备接管可与筒体一并铸出。

螺纹管主要用来接温度计、压力表或液面计等,阴螺纹或阳螺纹。


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㈡ 凸缘

接管长度必须很短时可用凸缘代替(又叫突出接口)

凸缘本身有加强作用,不需另外补强。

当螺柱折断在螺栓孔中,取出较困难。

凸缘与管道法兰配用,联接尺寸应根据所选用的管法兰来确定。


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三、手孔与人孔

检查设备内部空间以及安装和拆卸内部构件。

手孔直径150mm~250mm,标准手孔公称直径有DN150和DN250两种。

手孔结构:容器上接一短管,其上盖一盲板。


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人孔:

设备直径超过900mm,有手孔也设人孔。

人孔的形状有圆形和椭圆形。

椭圆形人孔短轴与筒身轴线平行。

圆形人孔直径400mm~600mm,容器压力不高或有特殊需要时,直径可以大一些。

椭圆形人孔(或称长圆形人孔)的最小尺寸为400mm×300mm。 


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人孔:筒节、法兰、盖板和手柄。

使用中常打开,可用快开式结构人孔。


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手孔(HG21515~21527-95)和人孔(HG21528~21535-95)已有标准,

设计时根据设备的公称压力,工作温度以及所用材料等按标准直接选用。


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四、视镜与液面计

㈠ 视镜

观察内部,也可用作物料液面指示镜。

分为不带颈视镜和带颈视镜。


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不带颈视镜——凸缘构成,结构简单,不易结料,有比较宽阔的视察范围。


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当视镜需要斜装或设备直径较小时,则需采用带颈视镜。

视镜已经标准化,化工生产中常用的还有压力容器视镜、带灯视镜、带灯有冲洗孔的视镜、组合视镜等。


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㈡ 液面计

公称压力不超过0.7MPa,开长条孔,矩形凸缘或法兰把玻璃固定在设备上。

承压容器,一般都是将液面计通过法兰、活接头或螺纹接头与设备联接在一起。


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设备直径大,可同时用几组液面计接管。

现有标准中有反射式玻璃板液面计、反射式防霜液面计、透光式板式液面计和磁性液面计。


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思考题:

1、为什么压力容器壳体上开孔尺寸较小时可不另行补强?

2、GB150-1998对压力容器开孔的最大直径是如何规定的?


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