壓力容器密封裝置設(shè)計

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1、1 4.3 常規(guī)設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 第 四 章 壓力容器設(shè)計 CHAPTER Design of Pressure Vessels 2 本節(jié)主要內(nèi)容 密封機理及分類 影響密封性能的主要參數(shù) 螺栓法蘭連接設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 3 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 4 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 5 可拆 密封裝置 螺紋連接 承插式連接 螺栓法蘭連接 螺栓 墊片 法蘭 密封系統(tǒng) 本節(jié) 主要內(nèi)容 密封機理及分類 影響密封性能的主要因素 螺栓法蘭連接設(shè)計 6 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 7 過程設(shè)備設(shè)計 4.3

2、.4 密封裝置設(shè)計 8 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 螺栓法蘭 連接的 基本要素 被連接件 法蘭 連接件 螺栓 密封件 墊片 法蘭連接 的基本要求 密封可靠 結(jié)構(gòu)簡單 裝拆方便 9 螺栓法蘭連 接結(jié)構(gòu)設(shè)計 的主要問題 密封設(shè)計： 就是根據(jù)操作條件的要求 （如：壓力、溫度、介質(zhì)等）選取 法蘭的類型和壓緊面的形式，選取 合適的墊片確定螺栓載荷并進行螺 栓設(shè)計。 法蘭的強度設(shè)計： 確定法蘭尺寸，以 保證法蘭有足夠的強度和剛度。 即 ：根據(jù)計算得到的螺栓載荷，對法 蘭進行上述兩種工況的受力分析和 應(yīng)變校核，以確定法蘭的厚度。 10 過程設(shè)備設(shè)計 3 1 2 4.3.4 密封裝置設(shè)計 原理：

3、性能： 圖 4-22 螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu) 1-螺栓； 2-墊片； 3-法蘭 依靠螺栓預緊力把 兩部分設(shè)備或管道 法蘭環(huán)連在一起， 同時壓緊墊片，使 連接處達到密封。 較好的強度和密封 性，結(jié)構(gòu)簡單，成 本低廉，可多次重 復拆卸，應(yīng)用較廣。 11 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 12 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 13 4.3.4.1 密封機理及分類 密封機理 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 法蘭的壓緊面經(jīng)加工后總會存在凹凸不平的間 隙，當上緊法蘭螺栓時，螺栓力通過法蘭壓緊 面作用到墊片上。當墊片單位面積上所受的壓 緊力達到一定值時，使墊片產(chǎn)生彈塑性變形， 填滿法蘭面的不

4、平間隙，從而使介質(zhì)通過密封 面的阻力大于密封面兩側(cè)的介質(zhì)壓差，即達到 密封的目的。 其密封過程如圖，可分為如下三步： 14 螺栓法蘭連接的整個工作過 程： （ a） 尚未預緊工況 （ b） 預緊工況 （ c） 操作工況 （ a）尚未預緊工況 將上、下法蘭壓緊面和 墊片的接觸處的微觀尺寸放 大，表面是凹凸不平的，這 就是流體泄漏的通道。 （ a） 尚未預緊工況 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 圖 4-23 密封機理圖 4.3.4.1 密封機理及分類 15 （ b）預緊工況（無內(nèi)壓） 擰緊螺栓，螺栓力通 過法蘭壓緊面作用到墊片 上。墊片產(chǎn)生彈性或屈服 變形，填滿凹凸不平處， 堵塞泄漏通道，

5、形成初始 密封條件。 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 （ b） 預緊工況 圖 4-23 密封機理圖 16 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 （ c）操作工況（有內(nèi)壓） A: 內(nèi)壓引起的軸向力 ，使 上下法蘭壓緊面分離，墊 片壓縮量減少，密封比壓 （即，壓緊面上的壓緊應(yīng) 力）下降 B:墊片彈性壓縮變形部分 產(chǎn)生回彈 ，補償因螺栓伸 長所引起的壓緊面分離， 使壓緊面上的密封比壓力 仍能維持 一定值 以保持密 封性能。 17 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 通過墊片材料本體毛細管 的滲透泄漏，除了受介質(zhì) 壓力、溫度、粘度、分子 結(jié)構(gòu)等流體狀態(tài)性質(zhì)影響 外，主要與墊片的結(jié)構(gòu)與 材

6、料性質(zhì)有關(guān)，可通過對 滲透性墊片材料添加某些 填充劑進行改良，或與不 透性材料組合成型來避免 “ 滲透泄漏 ” ； 沿著墊片與壓緊面之間的 泄漏，泄漏量大小主要與 界面間隙尺寸有關(guān)。壓緊 面就是指上、下法蘭與墊 片的接觸面。加工時壓緊 面上凹凸不平的間隙及壓 緊力不足是造成 “ 界面泄 漏 ” 的直接原因。 “ 界面 泄漏 ” 是密封失效的主要 途徑。 介質(zhì)泄漏的形式 墊片滲漏 壓緊面泄漏 18 界面泄漏 滲透泄漏 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.1 密封機理及分類 19 防止流體泄漏的基本方法 當介質(zhì)通過密封口的阻力大于 密封口兩側(cè)的介質(zhì)壓力差時， 介質(zhì)就被密封。而介質(zhì)通

7、過密 封口的阻力是借施加于壓緊面 上的 比壓力 來實現(xiàn)的，作用 在壓緊面上的密封比壓力越大， 則介質(zhì)通過密封口的阻力越大， 越有利于密封。 在密封口增加流 體流動的阻力 泄漏時介質(zhì)通過密封口的 動力 ： 密封口內(nèi)外介質(zhì) 壓力差 泄漏時介質(zhì)通過密封口的 阻力 ： 壓緊面上的 比壓力 20 密封分類 1、按獲得密封比壓力 方法的不同 2、按被密封介質(zhì)的壓 力大小 分 類 中低壓密封 高壓密封 強制密封 自緊密封 半自緊式 密封 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 21 1、按獲得密封比壓力方法的不同 a、 強制密封 完全依靠連接件（螺栓）的作用力強行擠 壓密封元件達到密封。 特點 預緊力大，約

8、為工作壓力產(chǎn)生的軸向力的 1.1 1.6倍。 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 22 b、自緊式密封 主要依靠容器內(nèi)部的介質(zhì)壓力壓緊密封元件 （墊片）實現(xiàn)密封。 特點： 預緊力小，介質(zhì)壓力越高，密封越可靠， 約為工作壓力產(chǎn)生的軸向力的 20%以下。 軸向自緊式密封 徑向自緊式密封 半自緊式密封 密封元件的軸向剛度小于 被連接件的軸向剛度。 密封元件的軸向剛度小于 被連接件的軸向剛度。 屬于非自緊式的強制式密封， 但又具有一定的自緊性能， 如雙錐密封。 23 2、按被密封介質(zhì)的壓力大小 中、低壓密封：螺栓法蘭結(jié)構(gòu)，強制式密封。 高壓密封：自緊式密封、半自緊式密封。 24 4.3.4.2 影

9、響密封性能的主要因素 主要影響因素 一、螺栓預緊力 二、墊片性能 三、壓緊面的質(zhì)量 四、法蘭剛度 五、操作條件 25 4.預緊力應(yīng)均勻地作用到墊片上，可采取減 小螺栓直徑、增加螺栓個數(shù)等措施來提高 密封性能。 2.適當提高預緊力可增加墊片的密封能力 ,即 在正常工況下保留較大的接觸面比壓力。 1.預緊力使墊片壓緊實現(xiàn)初始密封。 3.預緊力不宜太大，否則使墊片整體屈服喪 失回彈能力，甚至將墊片擠出或壓壞。 一、螺栓預緊力（連接件） 26 二、墊片性能（密封件） （ 1） 墊片要有適宜變形能力和回彈能力 是形成 密封的必要條件。變形能力大的密封墊易 填滿壓緊面上的間隙，并使預緊力不致太 大；回彈能

10、力大的墊片，能適應(yīng)操作壓力 和溫度的波動。 （ 2）墊片應(yīng)具有能適應(yīng)介質(zhì)的溫度、壓力和腐 蝕等的性能。 （ 3）墊片比壓力 y和墊片系數(shù) m：與墊片材料、 結(jié)構(gòu)與厚度關(guān)， 還與介質(zhì)性質(zhì)、 壓力、溫 度、壓緊面粗糙度等因素有關(guān)， 而且 m和 y 之間也存在內(nèi)在聯(lián)系。 27 三、壓緊面的質(zhì)量（法蘭） 壓緊面又稱密封面，其形狀和粗糙度應(yīng) 與墊片相匹配， 使用金屬墊片時其壓緊面的質(zhì)量要求比 使用非金屬墊片時高； 壓緊面表面不允許有刀痕和劃痕； 應(yīng)能均勻地壓緊墊片，保證平面度和垂 直度。 28 過大的翹曲變形，密封失效的主要 原因之一。 四、法蘭剛度（被連接件） 增加法蘭環(huán)的厚度、縮小螺栓中 心圓直徑、

11、增大法蘭環(huán)外徑； 采用帶頸法蘭或增大錐頸部分尺 寸，提高抗彎能力。 提高法蘭 剛度： 剛度不足： 29 圖 4-24 法蘭的翹曲變形 30 在壓力、介質(zhì)和溫度的聯(lián)合作用下，尤 其是波動的高溫下，會嚴重影響密封性 能，甚至使密封因疲勞而完全失效。 操作條件： 指壓力、溫度及介質(zhì)的物理化學性質(zhì)對密封性能的影響。 特點： 高溫下，介質(zhì)粘度小，滲透性大，易泄漏； 介質(zhì)對墊片和法蘭的腐蝕作用加劇，增加 了泄漏的可能性； 法蘭、螺栓和墊片均會 產(chǎn)生較大的高溫蠕變與應(yīng)力松弛，使密封 失效； 某些非金屬墊片還會加速老化、變 質(zhì)，甚至燒毀。 原因： 五、操作條件 31 墊片的性能參數(shù) 預緊密封比壓 Y 墊片系數(shù)

12、 m 32 由以上分析，在確立法蘭設(shè)計方法時，把預緊 工況與操作工況分開處理，從而大大簡化了法 蘭設(shè)計。為此，對兩個不同的工況分別引進兩 個墊片性能參數(shù)，即 “ 最小壓緊應(yīng)力 ”或 “ 比壓力 ” y以及 “ 墊片系數(shù) ” m。 33 預緊密封比壓 y： 定義 ：預緊 (無內(nèi)壓 )時，迫使墊片變 形與壓緊面密合，以形成初始密封條件， 此時墊片所必需的最小壓緊載荷。 因以單位接觸面積上的壓緊載荷計，故 也稱 最小壓緊應(yīng)力 ，單位為 MPa。 y值僅 與 墊片材料、結(jié)構(gòu)與厚度有關(guān) 。 墊片性能參數(shù) 34 y值一般由實驗測定，它主要取決于： 1、墊片材料 2、墊片的形式 3、墊片的尺寸 4、壓緊面的

13、粗糙度，其是計算螺栓預緊力 的主要設(shè)計參數(shù) 5、與操作壓力無關(guān) 6、與介質(zhì)種類無關(guān) 其物理意義為 ：形成初始密封的難易程度 35 工作密封比壓 ： y 回彈后墊片的比壓力仍不低于某一極限值，則 檢漏仍然是合格的，可保證密封，此極限值稱 為工作密封比壓 y 36 墊片系數(shù) m： 是指操作 (有內(nèi)壓 )時，達到緊密不漏，墊片 所必須維持的比壓與介質(zhì)壓力 P的比值（無 單位）。 即 : /yimp 其物理意義是 ：表示墊片在操作狀態(tài)下，實 現(xiàn)密封的難易程度。與墊片的形狀、材料有關(guān)。 37 表 4 9 墊片性能參數(shù) 38 表 4 9 墊片性能參數(shù)（續(xù)） 39 表 4 9 墊片性能參數(shù)（續(xù)） 40 螺栓

14、法蘭連接的密封性設(shè)計 2.法蘭應(yīng)具有足夠的強度， 不致因受力而破壞。 1.保證連接處 “ 緊密不漏 ” ； 應(yīng)用中主要是泄漏，很少有強度不足而破壞。 壓緊面 墊片 密封性能的決定因素： 螺栓法蘭連 接設(shè)計關(guān)鍵 要解決兩個 問題 41 （ 1） 法蘭壓緊面的選擇 壓緊面主要根據(jù) 工藝條件 、 密封口徑 以及 墊 片 等進行選擇。 光滑型壓緊面（全平面、凸面） （ a）（ b） 凹凸面：也稱為部分約束型壓緊面 （ c） 榫槽面（ d） 梯形槽面（或：環(huán)連接面、 T型槽）（ e） 錐形槽面 其中以突面、凹凸面、榫槽面最為常用。 形式： 圖 4-25 42 （ a） 全平面 （ b） 突面 （ c）

15、凹凸面 （ d） 榫槽面 （ e） 環(huán)連接面（ T型槽） 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 P140頁圖 4-26 43 凹凸面法蘭連接 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 44 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 榫槽面法蘭連接 45 突面壓緊面： 突面 結(jié)構(gòu)簡單，加工方便， 裝卸容 易，易于防腐襯里。 壓緊面可以是 平滑 的， 適用于 PN2.5MPa場合。 帶溝槽 的適用更廣，容器 法蘭可用至 6.4MPa，管法 蘭甚至可用至 25-42MPa， 但隨著公稱壓力的提高 ， 適用的公稱直徑相應(yīng)減小。 P140頁圖 4-26 46 凹凸壓緊面： 安裝易于對中，有效防 止墊片被擠

16、出，適用于 PN6.4MPa的容器法 蘭和管法蘭。 47 榫槽壓緊面： 由榫面、槽面配合構(gòu)成， 墊片安放在槽內(nèi)，不會被 擠出壓緊面，較少受介質(zhì) 的沖刷和腐蝕，所需螺栓 力較小，但結(jié)構(gòu)復雜，更 換墊片較難，只適用于易 燃、易爆和高度或極度毒 性危害介質(zhì)等重要場合。 48 梯形槽面：（ T型槽） 它是利用槽的內(nèi)外錐面和墊 片的線接觸而形成密封的。 適用于安裝圓形、橢圓形、 八角形的自緊式金屬墊，主 要用于高壓場合。 錐形槽面： 錐面和透鏡墊相 配使用。 光潔度要 求高不允 許有任何 劃痕 R 49 （ 2）墊片的選擇 介質(zhì)的壓力、溫度、腐蝕性和壓緊面的形 狀，兼顧價格、制造、更換是否方便等因 素來

17、選擇 根據(jù)： 選擇： 墊片的結(jié)構(gòu)形式、材料、尺寸 基本 要求： 墊片的材料不污染工作介質(zhì)；耐腐蝕； 具有良好的變形能力和回彈能力；墊片 的耐用溫度應(yīng)大于操作溫度；有一定的機 械強度和適應(yīng)的柔軟性；在工作溫度下不 易變質(zhì)硬化或軟化、能重復使用等。（表 4 10 墊片選用表） 50 墊片分為非金屬，金屬、組合等三種 非金屬墊片： 非金屬墊片的優(yōu)點主要是柔軟、 耐腐蝕、價格便宜，但耐溫度和壓力性能較差。 多用于常、中溫和中、低壓容器或管道的法蘭密 封。使用最多的是石棉、橡膠及合成樹脂材料。 51 橡膠類 :橡膠因具有組織致密、質(zhì)地柔軟、 回彈性好、容易剪切成各種形狀，便宜易購等 優(yōu)點而被廣泛使用于容

18、器和管道密封中，特別 是水管道（線）上。但它不耐高壓、容易在礦 物油中溶解和膨脹，且不耐腐蝕。在高溫容易 老化、失去彈性。 常見的有： 普通橡膠、耐酸橡膠（不耐 堿）、耐油橡膠 52 石棉類 ：（板、繩、帶） 石棉橡膠類 ：使用最廣泛。它是由重量比 為 60% 80%的石棉纖維與 10% 20%的橡膠為主要 成分，加入填充劑、硫化劑后加壓加溫而成。這 種材料的耐熱性、耐寒性、耐化學性都很好，價 格也便宜，容易買到。 常見的有六種： 高、中、低壓 ； 耐油、酸、堿 53 塑料墊片： 常見的有： 聚乙烯、聚四氟乙烯、聚氟乙烯等。 主要用在常溫、低壓、耐強腐蝕場合。 比如聚四氟乙烯有塑料王之稱，乃化

19、學性、耐 熱性、耐寒性、耐油性，以及耐氣候性優(yōu)越于 現(xiàn)有任何塑料。它不易老化、不燃燒、吸水性 近乎于零。用做墊片，接觸面可做到平整光滑， 對金屬法蘭不粘著。但回彈性較差，一般用在 常壓、低溫條件下。低溫可達 -269.9 ，但價 格貴，所以多用于低壓小直徑管道上。 54 新型材料 -膨脹石墨 是近十年來在國外普遍受到重視的密封材料，適 用范圍越來越廣。它具有良好的耐熱性能和耐化 學性能，回彈性好。預緊密封比壓較小，僅為同 厚度的石棉橡膠極比壓的 1/7， M也較小，需要 的螺栓力小。國外普遍應(yīng)用于 1 10.5MPa壓力 的化工管道密封，特別適用于有毒，易燃、高溫 的密封場合，石油煉廠和化工廠

20、應(yīng)用越來越廣泛 。它在 500 的高溫下不發(fā)生蠕變，在深冷溫度 下，性能幾乎無變化。 -196 55 金屬墊片 具有耐高溫、高壓、耐油、耐腐蝕等優(yōu)點 其主要的材料有 ： 鋁： 軟鋁 銅： 黃銅、紫銅 低碳鋼： A3、 20等 不銹鋼： Cr13、 Cr18Ni9等 低碳合金鋼： 鈦： 銀： 蒙乃爾合金 等等 56 其斷面形狀主要有： 平形、波紋形、圓形、 橢圓形、梯形、 C形、 B形等等。 金屬墊片具有很高的強度， X、 Y值很大， 主要用在高溫高壓的場合。 57 組合類墊片 纏繞類： 金屬、非金屬相間纏繞。 包裹類： 金屬包裹非金屬。 適用于中低壓、中低溫場合 纏繞式墊片的優(yōu)點： 采用金屬波

21、帶形，使墊片具有較好的彈性和回 彈性，而且強度高，不易損壞。 耐高溫，并且在很寬溫度變化范圍均能良好的 適應(yīng)。 58 對法蘭密封面粗糙度要求不高，在 Ra6.3 3.2內(nèi) 也能適用，特別是對法蘭的歪斜和變形能很好的 適應(yīng)。 根據(jù)不同用途，只要適當選用纏繞材料，既可 滿足各種使用要求。 能承受較高的介質(zhì)壓力。 59 根據(jù)密封所需壓緊力大小計算螺栓載荷， 選擇合適的螺栓材料， 計算螺栓直徑與個數(shù)， 按螺紋和螺栓標準確定螺栓尺寸， 最后驗算螺栓間距。 內(nèi) 容 （ 3）螺栓設(shè)計 60 a. 墊片壓緊力 b.螺栓載荷計算 c. 螺栓設(shè)計 計算內(nèi)容 61 已知墊片材料的 性能參數(shù) （ m， y） 及墊片

22、的 計算密封寬度 ，就可計算出一定直徑和 壓力下墊片所需的壓緊力。 a. 墊片壓緊力 62 A、預緊時的螺栓力： 因沒有內(nèi)壓、螺栓拉力等于保證墊片初始密 封所需的預緊力。 即： aGa WbyDF D G Fa Wa 預緊狀態(tài)下 63 aF GD aW 式中： -預緊狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力 - 墊片壓緊力作用中心圓計算直徑， mm b - 預緊有效密封寬度 , mm y - 預緊密封比壓 , MPa -預緊時的螺栓載荷 64 GD 0 6 . 4 m mb GD 0 6 . 4 m mb GD b2 0b 其中： 需根據(jù)墊片與法蘭面接觸情況定： 等于墊片接觸的平均直徑。 時， 等于墊片接

23、觸的外徑減去 - 墊片的基本寬度 （與實際結(jié)構(gòu)及墊片型式有關(guān)） 當 當 時， 65 b obb 0 6 . 4 m mb o bb 0 6 . 4 m mb 02 . 5 3bb 其中： 墊片有效寬度 接觸情況確定。因為預緊之后，法蘭有一 定偏轉(zhuǎn)，可能造成外緊內(nèi)松或外松內(nèi)緊， 而使密封面變小，所以要用有效寬度，即 當 時，取 當 時，取 要根據(jù)法蘭密封面與墊片的 66 B. 操作狀態(tài)下螺栓力計算： F PF PP FFW 螺栓力等于介質(zhì)壓力產(chǎn)生的軸向力 的壓緊力 之和。即： 與墊片工作時 F W p F p D G 操作狀態(tài)下 Pc 67 PW F cG PDF 2 4 PF cGP b mP

24、DF 2 m b2 cmP b2 式中： -操作狀態(tài)下需要的最小螺栓力 -介質(zhì)產(chǎn)生的軸向力 - 操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力 -考慮操作時，認為工作密封比壓 均勻分布在 接觸得更好。 - 墊片系數(shù) 的寬度上， 68 表 4 10 墊 片 選 用 表 0Cr13、 0Cr18Ni9、 0Cr17Ni12Mo2 金屬環(huán)墊 環(huán)連接面 451 530 10、 0Cr13、 0Cr18Ni9 金屬齒形墊 凹凸 450 6.4 10.0 0Cr13鋼帶 -石棉板 石墨 -0Cr13等骨架 纏繞墊、金屬包墊、 柔性石墨復合墊 凹凸 41 450 0Cr13鋼帶 -石棉板 石墨 -0Cr13等骨架 纏繞墊、

25、柔性石墨 復合墊 凹凸 40 4.0 0Cr13鋼帶 -石棉板 石墨 -0Cr13等骨架 纏繞墊、金屬包墊、 柔性石墨復合墊 突（凹凸） 201 450 耐油橡膠石棉板、 0Cr13鋼帶 -石棉板 耐油墊、纏繞墊、 金屬包墊、柔性石 墨復合墊 突（凹凸） 200 2.5 0Cr13鋼帶 -石棉板 石墨 -0Cr13等骨架 纏繞墊、金屬包墊、 柔性石墨復合墊 突（凹凸） 201 250 耐油橡膠石棉板、 聚四氟乙烯板 耐油墊、四氟墊 突（凹凸） 200 1.6 油品、油 氣，溶劑 （丙烷、 丙酮、苯、 酚、糠醛、 異丙醇）， 石油化工 原料及產(chǎn) 品 材 料 型 式 墊 片 密封面 工作溫度 /

26、法蘭公稱 壓力 /MPa 介 質(zhì) 69 0Cr13、 0Cr18Ni9 金屬環(huán)墊 環(huán)連接面 450 10.0 紫銅板 紫銅墊 凹凸 400 6.4 3.5M Pa 0Cr13鋼帶 -石棉板 石墨 -0Cr13等骨架、紫銅 板 纏繞墊、柔性石墨復合墊、紫 銅墊 300 4.0 2.5 MPa 0Cr13鋼帶 -石棉板 石墨 -0Cr13等骨架 纏繞墊、柔性石墨復合墊 突 280 1.6 1.0M Pa 中壓橡膠石棉板 橡膠墊 突 200 1.0 0.3MPa 蒸 汽 中壓橡膠石棉板 橡膠墊 突 150 1.6 壓縮空氣 中壓橡膠石棉板 橡膠墊 凹凸 150 2.5 氨 0Cr18Ni9、 0Cr

27、17Ni12Mo2 金屬環(huán)墊 環(huán)連接面 401 530 0Cr13、 0Cr18Ni9 金屬環(huán)墊 環(huán)連接面 251 400 10、 0Cr13、 0Cr18Ni9 金屬環(huán)墊 環(huán)連接面 250 6.4 10.0 0Cr18Ni19鋼帶 -石墨帶、 0Cr18Ni9、 0Cr17Ni12Mo2 纏繞墊、金屬齒形墊 凹凸 451 530 0Cr18Ni19鋼帶 -石墨帶 石墨 -0Cr18Ni19等骨架 纏繞墊、柔性石墨復合墊 凹凸 251 450 0Cr13鋼帶 -石棉板 石墨 -0Cr13等骨架 纏繞墊、柔性石墨復合墊 凹凸 250 4.0 氫氣、氫氣 與油氣混合 物 表 4 10 墊 片 選

28、用 表（續(xù)） 70 耐油橡膠石棉板、石墨 - 0Cr13等骨架 耐油墊、柔性石墨 復合墊 突 -20 0 4.0 低溫油氣 蒙乃爾合金帶 -石墨帶、 蒙乃爾合金板 纏繞墊、金屬平墊 凹凸 170 4.0 氫氟酸 紫銅 金屬平墊 260 1.0 環(huán)氧乙烷 0Cr13鋼帶 -石棉板 石墨 -0Cr13等骨架 纏繞墊、柔性石墨 復合墊 突 50 2.5 耐油橡膠石棉板 耐油墊 突 50 1.6 液化石油氣 0Cr13鋼帶 -石棉板 石墨 -0Cr13等骨架 纏繞墊、柔性石墨 復合墊 凹凸 450 2.5 中壓橡膠石棉板 橡膠墊 突 300 1.6 弱酸、弱減、 酸渣、堿渣 0Cr13鋼帶 -石墨帶

29、纏繞墊 環(huán)連接面 1.6 劇毒介質(zhì) 中壓橡膠石棉板 橡膠墊 突 300 1.6 水 0Cr13（ 0Cr18Ni9）鋼帶 - 石棉板 纏繞墊 凹凸 60 6.4 0Cr13鋼帶 -石棉板 石墨 -0Cr13等骨架 纏繞墊、柔性石墨 復合墊 凹凸 60 4.0 中壓橡膠石棉板 橡膠墊 突 200 1.6 惰性氣體 表 4 10 墊 片 選 用 表（續(xù)） 71 表 4-11 墊片密封基本寬度 bo 72 表 4-11 墊片密封基本寬度 bo（續(xù)） 73 b 螺栓尺寸和數(shù)目： 為了保證預緊和操作時都能形成可靠的密封，應(yīng) 分別求出兩種工況下螺栓的截面積，擇其大者為 所需螺栓截面積，從而確定螺栓直徑與個

30、數(shù)。 a 選擇螺栓材料： 螺栓與螺母應(yīng)采用不同材料或同種材料但不同的 熱處理條件，使其具有不同的硬度，螺栓材料硬 度應(yīng)比螺母高 30HB以上。 c. 螺栓設(shè)計 原則： 74 預緊狀態(tài)下 :按常溫計算，螺栓所需截面積為 aA b a a W A aW b 式中： - 預緊狀態(tài)下的螺栓載荷 - 常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力 ,MPa 操作狀態(tài)下 : 按螺栓設(shè)計溫度計算， 螺栓所需總截面積為 PA 75 P P t b W A PW t b 式中： - 操作狀態(tài)下的螺栓載荷 -設(shè)計溫度下螺栓材料的許用應(yīng)力 ,MPa 76 ,m a x pam AAA kn 4 0d mo Adn 2 4 4 1 . 1

31、 3mmo AA d nn 實際所需取 : 若選用螺栓個數(shù) : 則每個螺栓的直徑為： 則有： （式中： k取正整數(shù)，即： k=1， 2， 3 ） 77 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 機械設(shè)計手冊所包含的部分內(nèi)容： 第 1篇 常用資料、常用數(shù)學公式和常用力學公式 第 2篇 機械工程材料 第 3篇 零部件設(shè)計常用基礎(chǔ)標準 第 4篇 零件結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝性 第 5篇 連接與緊固 第 6篇 帶傳動和鏈傳動 第 7篇 摩擦輪傳動與螺旋傳動 第 8篇 齒輪傳動 78 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 79 C、根據(jù)上面計算的螺紋根徑 0d查相應(yīng)手冊，向上圓整至標準值。 D、驗算螺栓間距： 也就

32、是說 n到底需要選多少？ 從密封的角度考慮似乎越多越好，但如果多 到不能用扳手也不合格。所以要校核螺栓間距。 根據(jù)螺栓中心圓的直徑和螺栓個數(shù) n確定螺栓 間距： b D L n 80 m a xm i n LLL min L max L )5.0( 6 2m a x m dL f B Bd f 并且滿足下述關(guān)系式： 最小間距： 按 P147表 4-13選取 最大間距： 按下式計算： 式中： - 螺栓公稱直徑 - 法蘭有效厚度 m - 墊片系數(shù) 81 L表 4-13 LA、 Le及螺栓間距 的最小值 /mm L 注： A組數(shù)據(jù)適用于（ a）圖所示的帶頸法蘭結(jié)構(gòu)； B組數(shù)據(jù)適用于（ b）圖所示的焊

33、制法蘭結(jié)構(gòu)。 70 80 90 102 116 30 36 42 48 55 35 38 44 48 56 60 70 30 36 42 48 56 32 38 46 52 56 62 16 18 20 24 26 28 16 20 24 26 27 30 20 24 30 32 34 38 12 16 20 22 24 27 B組 A組 B組 A組 Le LA 螺栓公稱 直徑 dB Le LA 螺栓公稱直徑 dB 螺栓最 小間距 L 螺栓最 小間距 L 82 設(shè)計時： do與 n是互相關(guān)聯(lián)的未知數(shù)， 先假設(shè)螺栓個 數(shù) n 算出螺栓根 徑 do 將 do圓整為 羅紋標準公 稱直 徑 n應(yīng)為偶

34、數(shù)，最好 是 4的倍數(shù) 實際螺栓截 面積不小于 Am 保證 螺栓公稱直徑 一般不小于 M12 83 法蘭結(jié)構(gòu)類型及標準 1、法蘭類型 (見 P138頁） a.按使用場合分： 分為如下兩種 容器法蘭： 用于容器的殼體和封頭連接的法蘭 用于容器的筒節(jié)和筒節(jié)連接的法蘭 管法蘭： 用于管道連接的法蘭 84 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 容器法蘭 管法蘭 85 b、按法攔接觸面的寬窄分：分為如下兩種 寬面法蘭： 即螺栓孔兩側(cè)都有墊片 - 螺栓從墊片中穿過。 主要用于中、低壓設(shè)備上 窄面法蘭： 即螺栓孔一側(cè)墊片 86 C、按法蘭自身的結(jié)構(gòu)型式分： 分為如下的三種型式 整體法蘭： 其結(jié)構(gòu)將法蘭與殼

35、體鍛或鑄成一 體或經(jīng)全熔透的平焊法蘭。 松式法蘭： 指法蘭不直接固定在殼體上，或 者雖固定而不能保證與殼體作為 一個整體承受螺栓載荷的結(jié)構(gòu)。 任意法蘭； 從結(jié)構(gòu)來看，這種法蘭與殼體連 成一體，但剛性介于整體和松式 法蘭之間。 87 a、 松式法蘭（ P139頁圖 4-25） 活套法蘭 螺紋法蘭 搭接法蘭 指法蘭不直接固定在殼體上或者雖固定而不能 保證與殼體作為一個整體承受螺栓載荷的結(jié)構(gòu)。 如： 活套法蘭、螺紋法蘭、搭接法蘭 等 。 88 活套法蘭 89 90 螺紋法蘭 91 92 搭接法蘭 93 94 a、 松式法蘭 活套 法蘭 但法蘭剛度小，厚度較厚，一般只適 用于壓力較低的場合 典型的松式

36、法蘭，其法蘭的力矩完全 由法蘭環(huán)本身來承擔，對設(shè)備或管道 不產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力 適用于有色金屬和不銹鋼制設(shè)備或管 道上，且法蘭可采用碳素鋼制作，以 節(jié)約貴重金屬 95 b、 整體法蘭 將法蘭與殼體鍛或鑄成一體或經(jīng)全熔透的平焊法蘭 96 整體法蘭 97 98 99 100 整體法蘭 101 b、 整體法蘭 特點 保證殼體與法蘭同時受力，使法蘭厚度 可適當減??；但會在殼體上產(chǎn)生較大應(yīng) 力。 帶頸法蘭： 提高法蘭與殼體的連接剛度，適用 于壓力、溫度較高的重要場合。 102 c、 任意式法蘭 從結(jié)構(gòu)來看，這種法蘭與殼體連成一體，但剛 性介于整體法蘭和松式法蘭之間。 103 任意式法蘭 104 任意式法蘭

37、 105 任意式法蘭 106 107 108 109 110 111 112 c、 任意式法蘭 計算按整體法蘭，當法蘭頸部厚度 o15 mm，法蘭內(nèi)直 徑 Di/o300， 計算壓力 Pc2MPa， t370 時， 可簡化為不帶頸的松式法蘭計算。 這類法蘭結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，故在 中低壓容器或管道中得到廣泛應(yīng)用。 113 (2)法蘭標準 為簡化計算、降低成本、增加互換性，世界各國 都制訂了一系列法蘭標準。 實際： 分類： 應(yīng)盡可能選用標準法蘭。只有使用大直徑、 特殊工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式時才需自行設(shè)計。 管法蘭、容器法蘭 。相同公稱直徑、公稱 壓力的管法蘭與容器法蘭的連接尺寸各不 相同，二者不能相

38、互套用。 選擇法蘭的主要參數(shù) 公稱壓力（ PN） 公稱直徑（ DN） 114 公稱直徑 （ DN ） 公稱直徑是容器和管道標準化后的尺寸系列，按 國家標準規(guī)定的系列選用。 容器法蘭 管法蘭 是指 名義直徑 ，是與內(nèi)徑相近的某個 數(shù)值，公稱直徑相同的鋼管，外徑是 相同的，由于厚度是變化的，所以內(nèi) 徑也是變化的，如 DN100的無縫鋼管 有 108 4、 108 4.5、 108 5等規(guī) 格。 是容器 內(nèi)徑 （用管子作筒體的容器除外） 115 容器與管道的公稱直徑應(yīng)按國家標準規(guī)定的 系列選用。如： 管子 10 15 20 25 32 40 50 70 80 100 管件 125 150 200 2

39、50 300 400 450 500 等等 容器 300 （ 350） 400 （ 450） 500 （ 550） 600 （ 650） 700 800 900 1000 （ 1100） 1200 116 公稱壓力 是壓力容器或管道的標準化壓力等級，即按 標準化要求將工作壓力劃分為若干各壓力等級。 也指規(guī)定溫度下的最大工作壓力，也是一種 經(jīng)過標準化后的壓力數(shù)值 。 在容器設(shè)計選用零部件時，應(yīng)選取設(shè)計壓力 相近且有稍高一級的公稱壓力。當容器零部件設(shè) 計溫度升高且影響金屬材料強度極限時，則要按 更高一級的公稱壓力選取零部件。如： 常見的公 稱壓力等級有： 0.25、 0.4、 0.6、 1.0、

40、1.6、 2.5、 4.0 117 例： PN2.5長頸對焊法蘭，在 -20 200 時的允許工作 壓力為 2.5MPa，但若將它用于 400 ，它的最高允 許工作壓力為 1.93MPa；若改用 20號鋼制造，則 - 20 200 的允許工作壓力為 1.81MPa，而溫度升 高到 400 時，允許工作壓力降低為 1.26MPa。因 此，選用的法蘭壓力等級應(yīng)不低于法蘭材料在工 作溫度下的允許工作壓力。 公稱壓力 是以 16Mn在 200 時的最高工作壓 力為依據(jù)制定的 ，因此當法蘭材料和工作溫度不 同時，最大工作壓力將降低或升高。 容器法蘭標準 容器法蘭標準： JB4700-07 118 過程設(shè)

41、備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 119 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 120 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 121 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 122 國際上兩個體系，即 歐洲體系 （以 DIN標準為代 表）以及 美洲體系 （以 ASME B16.5、 B16.47 標準為代表）。同一體系內(nèi)，各國的管法蘭標準 基本上可以互相配用（指連接尺寸和密封面尺 寸），但兩個體系之間不能互相配用。較明顯的 區(qū)分標志為公稱壓力等級不同。 管法蘭標準 中國管法蘭標準： 國家標準 GB9112 9125；機械標準 JB/T74 90； 以及 化工標準 HG20592 20635

42、（包括歐洲體系 和美洲體系）等。 123 考慮到 HG20592 20635管法蘭標準系列的適 用范圍廣、材料品種齊全，在選用管法蘭時建 議優(yōu)先采用該標準。 根據(jù)容器或管道的公稱直徑、公稱壓力、工作 溫度、工作介質(zhì)特性以及法蘭材料進行選用。 依據(jù)： 標準法蘭的選用 管法蘭標準 124 標準法蘭尺寸分析 D 1 D 3 2 1i 0 D D N （ D ) d h 125 1、壓緊面尺寸： 也稱是密封面尺寸，由 法蘭的連接的密封設(shè)計確定，與選定的壓緊 面形勢有關(guān)，如圖所示的 D3。 2、連接尺寸： 主要指法蘭的外徑 D、螺 栓孔中心圓直徑 D1、螺栓孔直徑 d、 螺栓個 數(shù) n,這些尺寸滿足可拆

43、聯(lián)接的要求，既要求 足夠的工作空間。 126 4、結(jié)構(gòu)尺寸： 由法蘭的結(jié)構(gòu)型式而定。 如整體法蘭的頸部斜度、活套法蘭的套合直 徑、平焊法蘭的焊縫尺寸和螺紋法蘭的螺紋 尺寸等等。 3、強度尺寸： 只要包括厚度 、法蘭高 度 H 、錐徑厚度 1、 2等。主要尺寸和操作 條件、法蘭型式及材料強度有關(guān)，有計算確 定。法蘭標準中繪出的尺寸數(shù)據(jù)是經(jīng)過標準 化圓整后的強度計算值。 127 法蘭強度設(shè)計計算簡述 說 明 對非標準法蘭，應(yīng)在選定法蘭、墊片的 材料和形式后，參考法蘭標準系列初擬法蘭 尺寸，然后進行應(yīng)力計算，使其各部分尺寸 能夠滿足相應(yīng)強度要求。 法蘭結(jié)構(gòu)雖然簡單，但因影響因素較多， 受力情況復雜，

44、所以很難用嚴密的理論進行 分析計算。 另一方面，雖然法蘭剛度不足是導致過大 變形而引起泄漏的原因之一，但目前國內(nèi)外 多數(shù)規(guī)范中的法蘭設(shè)計方法基本上仍從強度 考慮，控制法蘭中的應(yīng)力值作為設(shè)計依據(jù)。 128 一類 是以彈性分析為基礎(chǔ)的計算方法，即將 法蘭中的應(yīng)力控制在彈性范圍內(nèi)； 使用經(jīng)驗豐富，世界各國廣泛使用。 另一類 是以塑性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法， 對法蘭的強度以塑性失效設(shè)計準則加以控制。 計算方法分類：兩類： 129 a. 法蘭環(huán)和殼體（或接管）均處在彈性狀態(tài)，即不發(fā)生屈服 或蠕變； b. 作用于法蘭的外力矩，近似地認為由均勻作用于法蘭環(huán)內(nèi) 外圓周上的力所組成的力偶來代替； c. 把法蘭環(huán)視

45、為一矩形截面的圓環(huán)或環(huán)板，在外力矩作用 下，矩形截面的變形只是使橫截面旋轉(zhuǎn)一定的角度 ，法 蘭的截面并不發(fā)生任何畸變和彎曲； d. 將螺栓孔的影響略去，把法蘭視為實心圓環(huán)或環(huán)板； e. 法蘭環(huán)和殼體都只受螺栓力所引起的力矩作用，忽略介質(zhì) 內(nèi)壓（或外壓）對法蘭環(huán)或殼體直接引起的應(yīng)力。 1、彈性分析法簡述 力學模型近似假設(shè)： 130 計算活套法蘭： 把法蘭當作受扭轉(zhuǎn)的 矩形截面圓環(huán) 來考慮，即矩 形截面的法蘭環(huán)在受扭轉(zhuǎn)作用后 只能繞環(huán)的形心旋轉(zhuǎn)而不會產(chǎn)生 彎曲或畸變 ，因而法蘭環(huán)的形狀 仍保持矩形 ；計算準確性高。 計算整體法蘭： 把法蘭和與之相連的筒體視為一個整體，在法蘭 環(huán)與筒體連接處 結(jié)構(gòu)不

46、連續(xù) ，需通過變形協(xié)調(diào)方程進行求解。步 驟較繁，對高頸法蘭，由于忽略了高頸的作用，所得結(jié)果偏于保 守。 兩種彈性分析法計算方法： 鐵木辛哥法（ Timoshenko）和沃特斯法 (Waters) 鐵木辛哥法： 從計算角度將法蘭劃分為 活套法蘭 和 整體法蘭 兩大類，劃分 方法與前述法蘭結(jié)構(gòu)的分類基本一致。 131 對法蘭的應(yīng)力分析和鐵木辛哥法計算整體法 蘭的方法類似，所不同的是，沃特斯法將法 蘭環(huán)不是作為圓環(huán)，而是作為 環(huán)板 進行分析， 并且考慮了法蘭 錐頸 的作用。 沃特斯法： 高頸法蘭的應(yīng)力分析的力學模型如圖 4-27所示。 132 作用于法蘭的螺栓載荷 W、 軸向流體靜壓力 P1、 P2

47、 及墊片 反力 P3都是已知的。 圖 4-27Waters法應(yīng)力分析模型 (a) 力的單位是 N 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.3 螺栓法蘭連接設(shè)計 133 根據(jù)這些力計算出作用于法蘭的 外力矩，并將此外力矩由均勻作 用于法蘭環(huán)內(nèi)外圓周的力 P所組 成的當量力偶來代替。 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 圖 4-27Waters法應(yīng)力分析模型 (b) 4.3.4.3 螺栓法蘭連接設(shè)計 134 4.3.4 密封裝置設(shè)計 將法蘭分成殼體、錐頸和法蘭 環(huán)三部分，在殼體至錐頸、錐 頸至法蘭環(huán)兩個邊緣處，存在 邊緣力和邊緣力矩。在力學分 析上，將殼體部分作為圓柱薄 殼，錐頸作

48、為變厚度圓柱殼， 法蘭環(huán)作為薄圓環(huán)板進行計算。 然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)方程求得邊 緣力和邊緣力矩，再分別由薄 殼和薄板公式求出各部分應(yīng)力。 圖 4-27Waters法應(yīng)力分析模型 (c) 135 圖 4-27(a)： 作用于法蘭的螺栓載荷 W、軸向流體靜壓力 P1、 P2 及墊片反力 P3都是已知的。 圖 4-27(b)： 根據(jù)這些力計算出作用于法蘭的外力矩，并將此外 力矩由均勻作用于法蘭環(huán)內(nèi)外圓周的力 P所組成的 當量力偶來代替。 圖 4-27（ c） ： 將法蘭分成殼體、錐頸和法蘭環(huán)三部分，在殼體 至錐頸、錐頸至法蘭環(huán)兩個邊緣處，存在邊緣力和邊 緣力矩。 在力學分析上，將殼體部分作為圓柱薄殼，錐

49、頸作為變厚度圓 柱殼，法蘭環(huán)作為薄圓環(huán)板進行計算。然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)方程 求得邊緣力和邊緣力矩，再分別由薄殼和薄板公式求出各部分 應(yīng)力。 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.3 螺栓法蘭連接設(shè)計 136 4.3.4 密封裝置設(shè)計 沃特斯等人認為控制法蘭強度的三個主要應(yīng)力為 法蘭環(huán)上的 最大徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力 ， 錐頸上的最大軸向彎曲應(yīng)力。 上述理論求解過程十分繁瑣，應(yīng)力公式也很復雜， 難以實現(xiàn)工程應(yīng)用。 工程上： 在大量實驗資料的基礎(chǔ)上，把復雜的理論計算中要 用到的各項系數(shù)繪制成一系列圖表。計算法蘭應(yīng)力時，只需 查用有關(guān)圖表得到相應(yīng)的系數(shù)值，即可算得各向應(yīng)力并進行 強度校核，因而

50、形式簡單，計算方便，是目前世界各國規(guī)范 標準中主要采用的法蘭設(shè)計方法。 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.3 螺栓法蘭連接設(shè)計 137 4.3.4 密封裝置設(shè)計 以直徑和壓力等級相近的標準法蘭尺寸為基礎(chǔ) 確定非標法蘭的初步結(jié)構(gòu)和尺寸，對整體法蘭，是在假設(shè) 法蘭錐頸和法蘭環(huán)厚度的基礎(chǔ)上計算法蘭力矩及各項法蘭 應(yīng)力。 當應(yīng)力與相應(yīng)的許用應(yīng)力相差較大時，應(yīng)調(diào)整法蘭 錐頸或法蘭環(huán)的尺寸，重復計算過程， 直至各項法 蘭應(yīng)力小于相應(yīng)的許用應(yīng)力，并較接近時為止。 參見 GB150-1998 鋼制壓力容器 。 （ 2）非標準法蘭設(shè)計步驟 試算法： 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.3 螺栓法蘭連接設(shè)計 138 4.3.4 密

51、封裝置設(shè)計 計算公式 軸向應(yīng)力 徑向應(yīng)力 環(huán)向應(yīng)力 過程設(shè)備設(shè)計 0 2 1 =H i fM D 0 2 1 .3 3 1 ) = fR fi eM D （ 0 2 =TR fi YM Z D 139 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 tf 其中 法蘭材料在操作溫度下的許用應(yīng)力， tn 殼體或接管材料在操作溫度下的許用應(yīng)力。 針對不同部分應(yīng)力 性質(zhì)不同，分別采用 不同強度失效 設(shè)計準則 （ 3）法蘭強度校核條件 錐頸上的最大 軸 向應(yīng)力 H： tfH 5.1 tn5.2H 取小值 法蘭環(huán)上的最大 徑 向應(yīng)力 R： t fR tfT 法蘭環(huán)上的最大 環(huán) 向應(yīng)力 T： 140 4.3.4 密

52、封裝置設(shè)計 錐頸部分和法蘭環(huán)所承受的力矩將重新分配，錐頸已屈服部分不 能再承受載荷，其中大部分需要法蘭環(huán)來承擔，這就使法蘭環(huán)的 實際應(yīng)力有可能超過以上的強度條件。因此為使法蘭環(huán)不產(chǎn)生屈 服，保證密封可靠， 尚需對錐頸部分和法蘭環(huán)的平均應(yīng)力加以限 制， 即 錐頸有少量屈服： t f RH 2 t f TH 2 及 焊接法蘭的角焊縫或活套法蘭的支承凸緣處的剪應(yīng)力 ： 預緊螺栓時： 0.8n tn操作情況下： 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.3 螺栓法蘭連接設(shè)計 141 4.3.4 密封裝置設(shè)計 受內(nèi)壓法蘭的設(shè)計步驟 1、根據(jù)操作要求選擇 法蘭型式，參考法蘭 標準初定法蘭尺寸 2、計算所需要的螺栓力 3、

53、計算法蘭的外力矩 過程設(shè)備設(shè)計 4、應(yīng)力驗算：先按相應(yīng)型式的法蘭應(yīng)力計算公式法蘭中的 應(yīng)力，然后用 5個應(yīng)力驗算條件進行應(yīng)力驗算。應(yīng)力驗算不 能滿足強度要求時，必須修改初選的法蘭尺寸，并把上述 過程計算。 2 mb b AA W m a x t f O a pM M M f 、 142 4.3.4 密封裝置設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 重量： 10% 30%，成本： 15% 40% （ 1）一般采用金屬密封元件，常用退火鋁、退火紫銅和軟鋼； （ 2）采用窄面或線接觸密封 ； （ 3）盡可能采用自緊或半自緊式密封，壓力越高，密封越可靠。 一、高壓密封的基本特點 二、高壓密封的結(jié)構(gòu)形式 強制

54、式密封，主螺栓預緊。與中低壓容器中常用的螺栓 法蘭連接結(jié)構(gòu)相似，只是將 寬面 非金屬墊片改為 窄面 金 屬平墊片。常用退火鋁、退火紫銅或 10號鋼。 特點： (1)平墊密封 過程設(shè)備設(shè)計 143 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 圖 4-28 平墊密封結(jié)構(gòu) 1-主螺母； 2-墊圈； 3-平蓋； 4-主螺栓； 5-筒體端部； 6-平墊片 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 144 高壓平墊密封結(jié)構(gòu) 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 145 4.3.4 密封裝置設(shè)計 溫度 200 、內(nèi)徑 1000mm的中小型高壓容器上。 它的結(jié)構(gòu)簡單，在壓力不高、直徑較小時密封可靠。 但其主螺栓直徑過大，不

55、適用于溫度與壓力波動較 大的場合 。 應(yīng)用： (1)平墊密封（續(xù)） （ 2）卡扎里密封 特點：強制式密封，利用壓環(huán)和預緊螺栓將三角形墊片壓緊 來保證密封，裝卸方便，安裝預緊力較小。介質(zhì)產(chǎn)生 的軸向力由螺紋套筒承擔，不需要大直徑主螺栓。 分類：外螺紋、內(nèi)螺 紋和改良卡扎里密封三種結(jié)構(gòu)形式； 應(yīng)用：大直徑和較高的壓力范圍，但鋸齒形螺紋加工精度要 求高，造價較高。 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 146 4.3.4 密封裝置設(shè)計 1-平蓋 2-螺紋套筒 3-圓筒端部 4-預緊螺栓 5-壓環(huán) 6-密封墊片 圖 4-29 外螺紋卡 扎里密封 結(jié)構(gòu) 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計

56、147 卡扎里密封結(jié)構(gòu) 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 148 4.3.4 密封裝置設(shè)計 預緊： 擰緊主螺栓，使雙錐環(huán)兩錐面上的軟金屬墊片和平蓋、 筒體端部上的錐面相接觸并壓緊，達到足夠的預緊密 封比壓；雙錐環(huán)本身徑向收縮，使間隙 g消失； （ 3）雙錐密封 特點：主螺栓預緊，徑向半自緊式密封。 內(nèi)壓升起，預緊密封比壓減小，雙錐環(huán)徑向回彈，使 兩錐面上繼續(xù)保留一部分比壓；同時，雙錐環(huán)內(nèi)圓柱 表面向外擴張，導致兩錐面上的比壓進一步增大，大 于操作密封比壓。 工作： 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 149 4.3.4 密封裝置設(shè)計 圖 4-30 雙錐密封結(jié)構(gòu) 1-主螺母； 2-

57、墊圈； 3-主螺栓； 4-平蓋； 5-雙錐環(huán)； 6-軟金屬墊片； 7-筒體端部； 8-螺栓； 9-托環(huán) 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 150 4.3.4 密封裝置設(shè)計 雙錐環(huán)剛性大，要求預緊螺栓力大，工作內(nèi)壓所引 起的徑向自緊作用力小。 設(shè)計： 雙錐環(huán)采用， 20、 25、 35、 16Mn、 20MnMo、 15CrMo及 0Cr18Ni9等材料； 兩個密封面上均開有半圓形溝槽，溝槽中襯有軟金屬墊， 如退火鋁或退火紫銅等。 雙錐環(huán)應(yīng)具有適當?shù)膭傂砸员３只貜椬跃o力。 截面尺寸過大： 截面尺寸過?。?剛性不足，彈性回彈力不足，影響徑向自緊力。 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封

58、設(shè)計 151 4.3.4 密封裝置設(shè)計 （ 3）雙錐密封（續(xù)） 雙錐環(huán)高度 iD7.2A A)6.05.0(C 雙錐環(huán)厚度 m cpCAB 75.0 2 式中 A 雙錐環(huán)高度， mm； B 雙錐環(huán)厚度， mm； C 雙錐環(huán)外側(cè)面高度， mm； m 雙錐環(huán)中點處的彎曲應(yīng)力，一般可按 50 100MPa選取。 設(shè)計 尺寸 應(yīng)用： 結(jié)構(gòu)簡單，密封可靠，加工精度要求不高，制造容易， 用于直徑大、壓力和溫度高的容器。在壓力和溫度波 動的情況下，密封性能也良好。 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 152 4.3.4 密封裝置設(shè)計 (4)伍德密封 特點： 軸向自緊式密封，最早使用的結(jié)構(gòu)。無主螺栓連

59、接，密 封可靠，開啟速度快，壓墊可多次使用；對頂蓋安裝誤 差要求不高；在溫度和壓力波動的情況下，密封性能仍 良好。但其結(jié)構(gòu)復雜，裝配要求高，高壓空間占用較多。 預緊： 擰緊牽制螺栓，使壓墊和頂蓋及筒體端部間產(chǎn)生預緊密 封力。 工作： 內(nèi)壓升起，密封力隨壓力升高、頂蓋向上頂起而迅速增 大，同時卸去牽制螺栓與牽制環(huán)的部分甚至全部載荷。 設(shè)計： 壓墊和頂蓋之間按線接觸密封設(shè)計。壓墊與筒體端部接 觸的密封面略有夾角（ =5 ），另一個與端蓋球形部 分接觸的密封面做成傾角較大的斜面（ =30 35 ） “ C”形環(huán)密封、金屬 “ O”形環(huán)密封、三角墊密封、八角墊密封、 “ B”形環(huán)密封及楔形墊自緊密封（

60、 N.E.C）等高壓密封結(jié)構(gòu)。 （ 5）其它 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 153 圖 4-31 伍德密封結(jié)構(gòu) 1-頂蓋； 2-牽制螺栓； 3-螺母； 4-牽制環(huán)； 5-四合環(huán)； 6-拉緊螺栓； 7-壓墊； 8-筒體端部 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 154 與容器密封一樣，要求具有密封性能良好、制造容易、 結(jié)構(gòu)簡單合理、安裝維修方便等特點。 特殊 （ 6）高壓管道密封 特點 形式 強制式 平墊密封 自緊式 徑向自緊式 透鏡自緊式 管道將承受很大的附加彎矩或剪力； 管較長，熱膨脹值大，受溫度波動影響大； 要便于拆卸。 4.3.4 密封裝置設(shè)

61、計 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 155 4.3.4 密封裝置設(shè)計 結(jié)構(gòu)： 密封面 管端加工成 =20 錐面，透鏡墊圈 2個球面； 預緊： 擰緊螺栓，使透鏡球面與管端錐面形成線接觸密封，單位面積 上的壓緊力很大，使透鏡墊與管端錐面之間有足夠的彈性變形 和局部塑性變形。 工作： 升壓后透鏡墊徑向膨脹，產(chǎn)生自緊作用，使密封面貼合得更為 緊密。 高溫型透鏡墊： 如圖 4-32（ b）所示，有一個內(nèi)環(huán)形空腔，當受內(nèi)壓作用后， 內(nèi)部介質(zhì)壓力作用在透鏡墊的環(huán)形空腔內(nèi)，使透鏡墊向外膨 脹，更緊密地與密封面貼合，使密封效果更好，同時還有一 定的彈性，能補償溫度波動所造成的密封不實的影響。 過程設(shè)

62、備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 156 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 D D D R 圖 4-32 高壓管道的透鏡式密封 采用這種密封結(jié)構(gòu)，管道與法蘭不用焊接， 而用螺紋連接，因而特別適合不宜焊接的 高強度合金鋼管的連接。 （ a）一般透鏡墊 （ b） 高溫透鏡墊 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 157 高壓管道的透鏡式密封 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 158 4.3.4 密封裝置設(shè)計 即在保持密封元件原有的力學性能和回彈性能等特性的前提下， 通過改善密封表面接觸狀況來提高密封元件的密封性能。 密封面電鍍或噴鍍軟金屬、塑料等，以提高密封面的耐磨 性能，保護密封面不受擦

63、傷，同時降低實現(xiàn)密封所需的密 封比壓，減小預緊力，如在空心金屬 “ O”形環(huán)表面鍍銀； 密封接觸面之間襯軟金屬或非金屬薄墊片，如在雙錐密封 面襯退火鋁或退火紫銅等； 密封面上鑲軟金屬絲或非金屬材料。 五、提高高壓密封性能的措施 （ 1）改善密封接觸表面 常用方法： 過程設(shè)備設(shè)計 159 4.3.4 密封裝置設(shè)計 （ 2）改進墊片結(jié)構(gòu) 采用由彈性件和塑性軟墊組合而成的密封元件，依靠彈性件 獲得良好的回彈能力和必要的密封比壓，同時依靠塑性軟墊 獲得良好的密封接觸面。 圖 4-33 組合式 “ B”形環(huán) 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 160 4.3.4 密封裝置設(shè)計 （ 3）采用焊接密

64、封元件 應(yīng)用： 1、容器或管道內(nèi)盛裝易燃、易爆、 劇毒介質(zhì)，或處于高溫、高壓、 溫度壓力波動頻繁等場合； 2、當容器或管道內(nèi)清潔、無需更 換內(nèi)件時。 結(jié)構(gòu)： 在兩法蘭面上先行焊接 不同形式的密封焊接元件，然 后在裝配時再將密封焊元件的 外緣予以焊接。 圖 4-34 焊接墊片密封結(jié)構(gòu) 過程設(shè)備設(shè)計 161 4.3.4 密封裝置設(shè)計 螺栓載荷是主螺栓、筒體端部和頂蓋設(shè)計的基礎(chǔ)。下面 對最基本的平墊密封和雙錐密封結(jié)構(gòu)進行分析。伍德密封、 卡扎里密封等高壓密封的主螺栓載荷計算方法參閱文獻 2 第 181頁至第 215頁附錄 G。 六、螺栓載荷計算 與中低壓容器的平墊密封原理一樣，密封力全部由主螺栓提

65、供。既要保證預緊時能使墊片發(fā)生塑性變形（達到預緊比壓 y），又要保證工作時仍有足夠的密封比壓（即 mpc）。但 高壓平墊采用窄面的金屬墊片。墊片的 y、 m值按表 4-9選用， 密封載荷和主螺栓的設(shè)計計算見螺栓法蘭連接。 （ 1）平墊密封 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 162 a. 雙錐環(huán)的幾何參量 b. 預緊時的力分析 圖 4-35 雙錐環(huán)幾何與預緊時的力分析 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 4.3.4 密封裝置設(shè)計 163 4.3.4 密封裝置設(shè)計 預緊時應(yīng)保證密封面上的軟金屬墊片達到初始密封條件，同時 又應(yīng)使雙錐環(huán)產(chǎn)生徑向彈性壓縮以消除雙錐環(huán)與平蓋之間的徑 向間

66、隙。 根據(jù)雙錐環(huán)的密封原理計算出預緊狀態(tài)下主螺栓載荷 Wa和操 作狀態(tài)下主螺栓載荷 Wp，并根據(jù) Wa、 Wp進行主螺栓設(shè)計。 （ 2）雙錐密封 a.預緊狀態(tài)下主螺栓載荷 Wa 為達到初始預緊密封，雙錐密封面上必須施加的法向壓緊力 Wo=DGby。預緊時，雙錐環(huán)收縮，與頂蓋有相對滑動趨勢， 使雙錐環(huán)受到摩擦力 Fm的作用，摩擦力的方向如圖 4-35所示， 其大小為 b y t gDtgWF Gom 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 164 4.3.4 密封裝置設(shè)計 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4 高壓密封設(shè)計 圖 4-36 雙錐環(huán)工作時的力分析 (a). 壓力自緊力分析 (b). 回彈自緊力分析 165 4.3.4 密封裝置設(shè)計 Fm和 Wo作矢量合成后再分解到垂直方向就是預緊時主螺 栓必須提供的載荷 Wa，即 a.預緊狀態(tài)下主螺栓載荷 Wa（續(xù)） c o s )s in ( byDW Ga （ 4-68） 由圖 4-35（ a）可知 c os2 CAb ，代入上式得 c o sc o s )s i n (y)CA(D 2W Ga （ 4-69） 過程設(shè)備設(shè)計 4.3.4.4