化工设备

化工设备 第四章化工设备的主要零部件课件设计：胡文娟

第一节法兰连接 压力容器零部件的材质、结构、设计、制造及使用对保证容器的整体质量和安全运行十分重要。为了便于专业生产、降低成本及零部件互换，我国有关部门对压力容器零部件进行了标准化和系列化，制定了相应的技术标准。压力容器零部件种类繁多，作用各异。本章主要介绍石油、化工生产中常用零部件的结构类型，法兰连接的组成、密封原理、结构类型与标准法兰选用；开孔补强结构与补强方法、补强圈标准及选用，人、手孔的结构、标准与选用，接管类型及与容器的连接模式；设备支座的结构类型，鞍座的结构、标准与选用，裙座的结构及其与塔体连接结构等。

一、法兰连接的组成及应用 组成：一对法兰、若干个螺栓、螺母、一个垫片

各种法兰

二、法兰结构与分类 1、按接触面形式分 • 窄面法兰（图a） • 宽面法兰（图b） 2、按整体性程度分 • 松式法兰 • 整体法兰 • 任意式法兰 3、按法兰形状分 • 圆形法兰 • 方形法兰 • 椭圆形法兰 4、按使用场合分 • 压力容器法兰 • 管法兰

一、整体式法兰 法兰与壳体或接管能有效地连接成一整体结构。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。

保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度可适当减薄；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。整体法兰

如右图， 图a、图b是整体式法兰；图c、图d是松式法兰；图e、图f是任意式法兰；

（二）松式法兰 指法兰和容器或接管不直接连成一体，如图4-2（c）、（d）所示，法兰盘直接套在翻边或焊环上，对设备壳体或管道不产生附加弯曲应力，故又称活套法兰。一般只适用于压力较低的场合。

（三）任意式法兰 任意式法兰的整体性介于整体式法兰和松式法兰之间，如图4-2（e）（f）所示。

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。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。

二、法兰连接的密封 （一）法兰连接的泄漏途径泄漏是法兰连接的主要失效型式。界面泄漏渗透泄漏泄漏分为：垫片渗透泄漏和界面泄漏。

泄漏渗透泄漏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。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。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”；

二、法兰连接的密封 （一）法兰连接的密封原理扳紧螺栓、压紧垫片、填满缝隙、实现密封

（a）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。引入概念1“预紧比压y”：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，此时垫片单位面积上所需的最小压紧力，称为“预紧密封比压”，用y表示，也称为最小压紧应力，单位为MPa。在预紧工况下，如垫片单位面积上所受的压紧力小于比压力y，介质即发生泄漏。（a）预紧工况图4-6 密封机理图 y值仅与垫片材料、结构与厚度有关。

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）操作工况导致通入介质压力上升 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。引入概念2 “操作密封比压”：当法兰密封面与垫片之间的比压下降到某一临界值以下时，介质将发生泄漏，这一临界值称为工作密封比压。它是为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加（维持）在垫片上的压应力，此压力与介质压力的比值称为“垫片系数”，用m表示。（b）操作工况图4-6 密封机理图

不同类型垫片的y和m值与垫片材料、结构、尺寸有关，同时也受介质性质、压力、温度、法兰密封面型式等许多因素影响。实际使用时可查有关垫片标准。不同类型垫片的y和m值与垫片材料、结构、尺寸有关，同时也受介质性质、压力、温度、法兰密封面型式等许多因素影响。实际使用时可查有关垫片标准。综上可知要保证法兰连接的密封，就必须使预紧时垫片单位面积上的压力，不低于预紧密封比压y；工作时垫片单位面积上的压力不得低于m倍的介质压力。

三、法兰的结构类型 （一）压力容器法兰结构类型 1.法兰的类型甲型平焊法兰乙型平焊法兰长颈对焊法兰法兰盘直接与容器的筒体或封头焊接。会对容器器壁产生一定的附加弯曲应力，法兰盘自身的刚度也较小，所以适用于压力等级较低和筒体直径较小的场合。增加了一个厚度大于筒体壁厚的短节，增加了整个法兰的刚度，又可使容器器壁避免承受附加弯曲应力的作用。因此这种法兰适用于较高压力和较大直径的场合。用根部增厚且与法兰盘为一体的颈取代了乙型平焊法兰中的短节，有效地增大了法兰的整体刚度。消除了法兰制造中可能发生的焊接变形及残余应力。

2.法兰密封面型式 压力容器法兰的密封面有平面密封面、凹凸密封面和榫槽密封面，代号如下表 1、平面密封面（RF）光滑平面，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。密封性能较差，用于所需压紧力较低且无毒的场合。

平面密封面

2、凹凸面（MFM） 凸面和凹面相配合，凹面上放置垫片，压紧时垫片不会被挤出，便于对中，密封性较好。适用于易燃、易爆、有毒介质及压力较高场合。凹凸密封面

凹凸面法兰连接

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。榫槽密封面

榫槽面法兰连接

在密封面型式中,甲型平焊法兰只有平面型与凹凸面型密封面。乙型平焊法兰与长颈对焊法兰则三种密封形式均有。在密封面型式中,甲型平焊法兰只有平面型与凹凸面型密封面。乙型平焊法兰与长颈对焊法兰则三种密封形式均有。考虑经济性，可采用衬环或衬里结构，这样隔离了腐蚀性介质的接触，既起到了放腐蚀作用又节省了费用。从带衬环的法兰结构图中可以看出；衬环上带有密封面，所以衬环要有足够的厚度，并且在带衬环法兰盘上都开有十字通孔，以便通入压缩空气检查衬环与法兰之间，衬环与容器筒体或法兰衬里焊缝的严密性。

（二）管法兰结构类型 我国现行的管法兰标准有两个：一个是有原国家技术监督局批准，并于2001年7月1日实施的管法兰国家标准，标号是GB/T 9112-9124-2000. 另一个是由原化工部于1997年颁发的《钢制管法兰、垫片、紧固件》标准。标号是HG 20592-20635-1997.HG标准中包含了欧洲体系(HG 20592-20614)和美洲体系（HG 20615-20635）。两大体系内容完整、体系清晰，广泛应用于各设计、制造、管理和生产技术部门。本书只介绍欧洲体系。

1.管法兰的类型 HG管法兰标准共规定了八种不同类型的管法兰和两种法兰盖。管法兰类型及代号见表4-4和图4-10. 其中最常用的有板式平焊法兰、带颈平焊法兰和带颈对焊法兰三种类型。

管法兰类型

板式平焊法兰直接与接管焊接，刚性较差，操作时在螺栓力作用下，泛滥盘易变形引起泄漏，因此适用于压力较低且介质无毒、非易燃易爆及真空度要求不高的配管系统。板式平焊法兰直接与接管焊接，刚性较差，操作时在螺栓力作用下，泛滥盘易变形引起泄漏，因此适用于压力较低且介质无毒、非易燃易爆及真空度要求不高的配管系统。带颈平焊法兰由于增加了与法兰盘为一整体的短颈，提高了法兰的刚度，改善了法兰的承载能力，有效较小了法兰变形，可适用于较高压力范围。带颈对焊法兰的颈部更长，又称高颈法兰，法兰刚性好且与管子采用对接焊连接，便于施焊，承压时焊接接头处产生的局部应力较小，是承载能力最好的一种管法兰，适用的压力范围广。

2.密封面型式 管法兰的密封面有五种型式：突面、凹凸面、全平面、榫槽面和环形连接面。密封面型式与代号见表4-5和图4-100. 工程中常用前四种密封面型式，其中突面和全平面密封面密封效果最差，凹凸密封面和榫槽密封面中垫片可放在凹面或槽内，密封效果得到改善。

表4-5 管法兰密封面型式及代号

图4-11 管法兰密封面型式

四、标准法兰的选用 （一）压力容器法兰的标准及选用我国目前使用的压力容器法兰标准是JB/T 4700-4707-2000（压力容器法兰标准）。 1.压力容器法兰的公称和公称压力（1）容器法兰的公称直径是指与法兰相配的筒体或封头的公称直径。筒体用钢板卷制时，此容器的公称直径指筒体的内径；若以钢管做筒体时，此容器的公称直径指钢管外径。对带衬环的甲型平焊法兰，以衬环内径作为法兰的公称直径，如图4-8所示。公称直径用“DN”表示，单位mm。（2）容器法兰的公称压力是指在规定的设计条件下，确定法兰结构尺寸所采用的设计压力，用“PN”表示，单位MPa。压力容器法兰的公称压力分为0.25、0.60、1.00、1.60、2.50、4.00、6.40（单位均为MPa）七个等级。

图4-8 带衬环平密封面的甲型平焊法兰

容器法兰的公称压力在数值上等于在规定的螺栓材料和垫片的基础上，以16Mn或16MnR材料制造的法兰，在200℃时的最大允许工作压力。容器法兰的公称压力在数值上等于在规定的螺栓材料和垫片的基础上，以16Mn或16MnR材料制造的法兰，在200℃时的最大允许工作压力。如公称压力1.6MPa的压力容器法兰,就表明用16MnR制造的法兰在200℃时，法兰所允许的最大工作压力为1.6MPa。同一公称压力级别的法兰，如果材料不是16Mn或16MnR，或材料相同但功工作温度不是200℃，则法兰的最大允许工作压力也会有所不同。容器法兰的尺寸是由法兰的公称直径和公称压力两个基本参数确定的。其系列尺寸及法兰与衬环质量可查阅JB/T 4701-4703-2000。

2.压力容器法兰的垫片 法兰垫片与介质直接接触，是法兰连接密封的核心元件。垫片材料要求既具有耐腐蚀性又不污染被密封介质，同时具有一定回弹能力和机械强度，在工作环境下不易变质硬化或软化。压力容器法兰连接中常用垫片有非金属垫片、缠绕垫片和金属包垫片三种，对应的标准号为JB/T 4704-4707-2000.

(1)非金属软垫片指耐油石棉橡胶板（GB/T 539-1995）和石棉橡胶板（GB/T3985-1995）等，强度和耐温性较差，前者使用温度≤200℃，后者使用温度≤350℃。非金属软垫片用于平面密封面、凹凸密封面、衬环密封面和衬环凹凸密封面法兰，垫片尺寸按JB/T4704-2000规定选取，厚度取3mm。

（2）缠绕垫片是用08F、0Cr13、 0Cr18Ni9等钢带与特质石棉或聚四氟乙烯等填充带相间缠绕一起绕制而成。有基本型、带内加强环、带外加强环、内外均带加强环四种结构型式。这种垫片有多道密封作用，且回弹性好，适用于温度和压力较高的场合。该垫片用于平面密封面时应带外加强环或带内、外加强环；用于凹凸密封面时应带内加强环；用于榫槽密封面时采用基本型。垫片尺寸按图4-12和JB/T 4705-2000规定选取。

图4-12 缠绕垫片结构型式

（3）金属包垫片是以石棉橡胶板作内芯，外包薄金属板构成。薄金属板可以是镀锡薄钢板、镀锌薄钢板、铜、铝、 08F、0Cr13、 0Cr18Ni9等。强度较高，耐热性良好，适用于较高压力和温度的场合。可用于各种密封面型式，垫片尺寸按图4-13和JB/T 4706-2000规定选取。

3.压力容器法兰的选用 选用压力容器标准法兰是根据容器的设计压力、设计温度、介质特性等，由法兰标准确定法兰的类型、材料、公称压力、公称尺寸、密封面的型式，垫片的类型、材料及螺栓、螺母的材料等。具体选用步骤如下。（1）初步确定法兰的公称压力等级。按照设计压力小于等于公称压力的原则，由容器法兰的公称压力等级和给定的容器设计压力，就确定一个公称压力值；若设计压力非常接近这一公称压力且设计温度高于200℃，则就近提高一个公称压力等级。（2）初步确定法兰类型。根据法兰的公称直径、容器设计温度和以上初定的公称压力查表4-1，并考虑不同类型法兰的适用温度来初步确定法兰的类型。

3.压力容器法兰的选用 （3）选定法兰材料。根据设计温度和介质特性，结合容器材料按标准选定。（4）确定法兰的公称压力和类型。根据所选法兰的材料、容器工作温度及初步确定的法兰类型和公称压力查表4-7或表4-8得其最大允许工作压力，若所得最大允许工作压力大于等于设计压力，则初定的公称压力就是所选法兰的公称压力；所最大允许工作压力小于设计压力则调换优质法兰材料或提高公称压力等级，使最大允许工作压力大于等于设计压力，最后确定出法兰的公称压力和类型。（5）根据工作介质的特性确定密封面型式；根据法兰类型及工作温度查表4-9～表4-12，确定垫片、螺柱、螺母的材料。（6）根据法兰类型、公称直径、公称压力查标准JB/T 4701～4703-2000，确定法兰的具体结构尺寸。

压力容器法兰的标记如下： 如公称压力1.6MPa，公称直径800mm的衬环榫槽密封面乙型平焊法兰的榫面法兰，标记为：法兰C-T 800-1.6 JB/T 4702-2000。公称压力2.5MPa，公称直径1000mm的平面密封面长颈对焊法兰，其中法兰厚度78mm（标准厚度68mm），标记为：法兰 RF 1000-2.5/78 JB/T 4703-2000.

（二）管法兰的标准及选用 目前生产中广泛使用的管法兰标准是HG 20592～20635-1997 《钢制管法兰、垫片、紧固件》，这里只介绍HG 20592～20614 （欧洲体系）。 1.管法兰的公称直径和公称压力（1）管法兰的公称直径是指与其相连接的管子的公称直径，既不是管子内径，也不是管子外径，而是与管子内径相接近的某个数值。为了与管件公称通径的叫法一致，习惯上也称作管子的公称通径，用“DN”表示，单位mm。

（2）管法兰的公称压力与容器法兰类似，也用“PN”表示，单位MPa,但压力等级及其含义不同。管法兰的公称压力等级有0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、.4.0、6.3、10.0、16.0、25.0（单位均为MPa）十个等级。当公称压力PN≤4.0MPa时，公称压力指用20号钢制造的法兰在100℃时所允许的最高无冲击工作压力；当公称压力PN≥6.3MPa时，公称压力指用16Mn钢制造的法兰在100℃时所允许的最高无冲击工作压力。与压力容器法兰不同的是任何材料的管法兰在任何温度的最高无冲击工作压力都不超过其公称压力。不同材料管法兰在0.6MPa和4.0MPa时的公称压力与最高无冲击工作压力的关系见表4-13（摘自HG 20592）。管法兰的尺寸系列及质量可查阅HG 20592～20635-1997 《钢制管法兰、垫片、紧固件》。

2.管法兰的密封垫片 管法兰的密封垫片有非金属平垫片、聚四氟乙烯包覆垫、柔性石墨复合垫片、金属包覆垫片、缠绕式垫片、齿形组合垫及金属环垫共七种，对应标准号为HG 20606～20612-1997。（1）非金属平垫片的材料包括天然橡胶与合成橡胶、石棉橡胶板、合成纤维橡胶压制板和改性的或填充的聚四氟乙烯板。非金属平垫片可用在全平面、突面、凹凸面和榫槽面四种密封面上，尺寸可查阅标准 HG 20606-1997。（2）聚四氟乙烯包覆垫片是由厚度为2mm的石棉橡胶板作为嵌入层，外面包覆厚度为0.5mm的聚四氟乙烯，按加工方法有机加工翘型（PMF型）、机加工矩形（PMS型）和折包型（PFT型）。该垫片用于强腐蚀性介质和不允许物料有污染的场合，如医药、食品行业等，且只用在突面密封面。标准HG 20607-1997。

（3）柔性石墨复合垫片是由冲齿的金属芯板与膨胀石墨粒子复合板材制成的一种被增强了的石墨垫片，具有耐高温、耐腐蚀、密封性能好、回弹能力高等特点，广泛用于石油化工行业。这种垫片可用于突面、凹凸面和榫槽面三种密封面，标准HG 20608-1997。（4）金属包覆垫片是由石棉橡胶板做内芯，外包厚度不小于0.25mm的薄金属板。这种垫片只适用于突面密封面，标准HG 20609-1997 。（5）缠绕式垫片在容器法兰部分已介绍，尺寸可查标准HG 20610-1997 。

（6）齿型组合垫是由金属齿型环和上下两面覆盖柔性石墨或聚四氟乙烯薄板组合而成，适用于突面和凹凸面。尺寸可查标准HG 20611-1997 。安装时要将螺栓预紧到在金属齿形垫上的非金属材料保持有0.1～0.15mm的薄层，不暴露出金属齿间，即可取得良好的密封效果。（7）金属环垫截面形状有八角形和椭圆形两种。金属环垫采用锻件，不允许拼焊；采用10号或08号钢制成的环垫，检验后表面应涂上防锈油。规格尺寸可查标准HG 20612-1997 。

3.管法兰的选用 步骤如下：（1）确定管法兰的公称直径。根据管法兰的公称直径就是与管法兰相连的接管公称尺寸确定法兰的公称直径。（2）确定管法兰材质。根据介质特性、设计温度，结合管道材料选定。（3）确定管法兰的公称压力等级。根据管法兰的材质和工作温度，按照设计压力不得高于对应工作温度下最高无冲击工作压力的原则，查管法兰的最高无冲击压力表确定出管法兰的公称压力等级。（4）根据公称压力和公称直径查表确定法兰类型和密封面型式。（5）根据工作温度、公称直径、公称压力和法兰类型查表确定垫片类型和材料，以及螺栓、螺柱材料。（6）根据法兰类型、公称直径、公称压力查标准HG20592～20635-1997，确定法兰的具体结构尺寸。

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