第六章化工设备的主要零部件.docx

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第六章化工设备的主要零部件

第六章第一节法兰连接

目的要求：

使学生了解法兰连接的分类，法兰连接的密分机理以及容皿法兰的选用，管法兰的选用。

重点难点：

1、什么是法兰连接及其分类（压力容皿法兰、管法兰）

2、法兰连接密封机理

3、法兰的选用

教学方法及手段：

讲授和学生提问相结合

第六章化工设备的主要零部件

第一节法兰连接

化工设备，管道的联接通常分为：

不可拆连接（焊接）、可拆卸的连接（焊接）、可拆卸的连接（法兰连接、螺纹连接，插套连接）但化工设备、管道由于检修、安装等原因，通常选择一种可拆连接。

其中法兰连接是一种能同时刚度、强度、密封性及耐蚀性要求的可拆连接

一、法兰的分类：

法兰连接可分为压力容皿法兰和管法兰

1、压力容皿法兰

标准压力容皿法兰有：

甲型平焊法兰：

刚度较小，适用压力低，筒体直径小。

乙型平焊法兰：

同甲型相比有一较厚的短节，用与筒体或封头焊接（这样组成增加了法兰的刚度）适用于大直径和较高压力场合。

长颈对焊法兰：

用根部增厚的颈取代了乙型的短节更有效地增大了法兰的刚度，适用于压力更高，直径更大的场合。

2、管法兰：

板式平焊法兰：

它直接与钢管焊接，在操作时法兰盘会产生形变→弯曲应力→应力

带颈平焊法兰：

由于增加了一厚壁的短节法兰颈增加了刚度，能承受附加弯曲应力，大大减小了法兰变形。

带颈对焊法兰：

颈更长、承受附加弯曲应力的效果更好，法兰与管子间是对焊连接，且焊接接头产生的应力集中小，承载能力高，适用范围广。

二、法兰连接的密封

1、密封机理：

流体在密封处的泄露两种路径：

1、通过垫片材料本体毛细管的渗透。

2、介质沿垫片与压紧面之间泄漏。

机理：

在螺栓压紧力的作用下，使垫片产生变形以填满法兰密封面上凹凸不平的间隙，阻止流体沿界面泄漏。

过程分为预紧与工作两阶段：

给螺栓一预紧力，使压紧面紧压扩建圈，当垫圈变形填满法兰密封面上的不平处，阻止泄漏；垫圈单位面积上的压紧力称：

热圈预紧密封比压

工作过程：

当设备管道打压后，螺栓受到拉伸，使密封面与垫圈的压紧力下降，达到一定值时，开始泄漏，这个一定值叫工作密封比压。

要使密封有效：

使法兰密封面上实际存在的比压不低于预紧时垫圈的预紧密封比压。

2、法兰密封的形式

压力容皿法兰密封有平面型，凹凸型及榫槽型。

1、平面型密封：

在突出的平面上加工出几道浅沟，垫圈不定位，上紧螺栓易向两侧伸展，不易压紧，适用于压力、温度较低的设备。

2、凹凸面密封：

用一凹面一凸面组成，凹面上放垫圈，垫圈固定，密封效果比平面好。

3、榫槽型密封：

用一个榫和一个槽组成，垫卷放槽内密封效果良好。

总结：

压力、温度低、密封要求不严格的设备采用平面密封，温度高、压力高、密封要求严用榫槽型密封、凹凸型介子两者之间

甲型平焊法兰配：

平面型、凹凸型密封面。

乙型平焊法兰与长颈对焊法兰有三种密封面。

2、管法兰密封面形式有：

突出、凹凸面、榫槽面和连环接面。

其实突出和全平面密封的垫圈设有定位挡台，密封效果差。

凹凸型和榫槽型的垫卷放在凹面或槽内，不易挤出，效果较好。

三、压力容皿法兰的标准及选用

由于化工生产过程中，法兰使用量大，为了批量生产及管理国内统一的标准—《压力容皿法兰标准》

1）法兰的公称直径与公称压力

压力容皿法兰的公称直径：

与法兰相配套的筒体，封头的内径

管法兰的公称直径：

与其相连的管子的公称直径；

压力容皿法兰及管法兰的公称压力指：

在设计条件下，确定法兰结构尺寸时，所采取的设计压力七个等级：

0.25、0.6、1.0、1.6……

管法兰分十个等级：

0.25、0.6、……25.0

2）压力容皿法兰的尺寸系列：

由不同类型的法兰其公称直径与公称压力不同时得到的尺寸是不同的，见6~6-5结构6-5~6-7

四、管法兰标准及选用

着重介绍《钢制管法半、垫片、紧固件标准》

1、管法兰的连接尺寸：

着重介绍中国广泛使用的钢管外径、“公制管”系列

由法兰的结构尺寸和连接尺寸均可查出法兰标准。

表6-7合出由管法兰的连接尺寸求得管法兰。

2、管法兰及其允许的最大工作压力：

材料尽量与管子一致，法兰盖可用20R、16MnR、15CrMoR。

最大工作压力允用原则：

管道设计压力不得高于设计温度下法兰允许的最大工作压力的原则。

3、标准管法兰的选用。

见P137

第六章第三节开孔与补强

目的要求：

先通过给学生分析开孔附近的应力集中，再引入对压力容皿开孔的限制与补强的要求；使学生了解补强的结构。

重点难点：

1、开孔附近的应力集中

2、补强的结构

第二节开孔与补强

设备上通常用于工艺需要会开孔，并安装接管、容皿开孔后，必会使容皿擘强度有削弱，而且孔周边由于结构不连续造成很高的应力集中，因此必须虑容皿开多大的孔较为安全，如何对大径直开孔进行补强，这为此节课的内容。

一、开孔附近的应力集中

容皿开孔后，在开孔处由于结构不连续必会在该区域产生较大的附加应力，这种局部应力急剧增长的现象称为应力集中。

接下来以单向受拉的矩形薄板上开孔为例说明，应力集中现象的基本特点。

板两侧作用均匀的拉应力%，平衡状态，选一处远离开孔的载面a-a，其截面上各点的应力将是均匀分布且等于%（力学平衡原理可知）

如果选取的截面穿过小孔，孔边缘由于结构不连续，应力集中，安上应交片测应力变化，发现，小孔缘边缘处会急剧增长，但应力急剧增长→

=3%，离开小孔边缘后，应力又会迅速衰减到

，如图所示

为了描述小孔处应力集中的程度，引入后力集中系数

—开孔边缘处的最大应力

—不受开孔影响的横截面上的应力

即：

开孔处应力比不开孔处受应力增大的倍数，对于承内压容皿，壁皿本来受有拉应力，开孔处必然K倍

，这样必然会导致开孔处强度失效，为了压力容皿的安全，尽量降低开孔处的应力集中，先分析应力集中的现象，有何特点，从而才降

开孔处应力集中有局部性，且范围有限

开孔的相对尺寸d/D越长，集中系数越大

开孔不宜过大。

被开孔壳体

越小，集中系数K越大，尽量让开孔处壳体厚度大些，降低应力集中系数。

增大接管壁厚也可降低应力集中系数，缓解应力集中。

二、对压力容皿开孔的限制

压力容皿上开孔后，不仅削弱强度，还引起应力集中由应力集中特点可知，筒体直径一定时，开孔越大越受状状况不好，所以根据GB150规定，开孔尺寸有一定限制见6-9

若由于工艺的需求，开孔直径超过表6-9范围应按特殊开孔处理。

当开孔同时满足三个条件时，可不进行体强。

相对开孔

公称外径小于≤89mm

三、补强结构

常采用：

补强圈补强、接管补强、整体锻件补强

1、补强圈补强（贴板补强）

开孔的周围焊上一块圆球状金属来进行补强一种方法；（由于开孔削弱了强度，补上一块厚壁金属板从而让金属板分担开孔处集中应力，降低应力从而起到补强效果）

由于施焊条件的限制，通常采用补强圈设容皿外部进行单面补强（a）（b）

优点：

结构简单，价格低，使用径成熟用于中、低压容皿。

缺点：

在高温、高压或载荷反复波动的压力容皿上，最好不采用补强圈补强。

2、接管补强

利用在补强有效区内的接管增加壁管进行补足被挖去的（壳壁且承压的壳壁部分）

这种结构补强的金属全部集中在最大应力区域有效降低开孔周围应力集中。

优点：

结构简单，焊缝少，焊接质量检验，效果好，广泛高强度低合刚制造化工设备。

3、整锻件补强

在开孔处焊上一个持制的整体锻件，相当于把补强圈金属与开孔周围的壳体之间金属熔合在一起，而且补强圈与壳体采用接接头受力状态好。

优点：

是补强中效果最好的，抗疲劳性能也好。

缺点：

机械加工量大，锻件来源比接管补强。

五、标准补强圈及其选用

根据HG21506—1992和GHJ527—1990来介绍一下补强圈的选用。

根据内侧焊接坡口不同，可分为ABCDE下六种

1）A型：

如图A，设有开坡开，适用于无疲劳，无低温及大的温度梯度。

2）B型：

开有梯形坡口，角度大于50°左右，适用见P143

（2）

3）C型：

开有斜坡口，角度为20°左右，适用于P144

4）D型：

开斜坡口，采用完全透焊的形式

5）E型：

开有35°左右的坡口，采用完全透焊形式

六、人手与人孔

为了便于压力容皿内部的安装、检修、检测，一般在压力容皿上开设人孔、手孔。

1、人孔和手孔的分类，结构形式：

1）按是否承压

常压人孔、承压人孔

2）按开启方式分

回转盖

水平吊盖

为了实现较好的工作效果，人孔结构仍是几种功能的组合。

例如：

1）常压手盖人孔：

就是在带有法兰的接管上加上一块音扳，如图6-12（a）用于常压、不需常检修设备。

2）快开人孔：

用于经常需要检修的设备。

回转拱盖快开人孔：

采用铰链螺栓，不用将螺栓全部拧下，旋出螺设的地方可以打开，快启快速用于高空设备。

手摇快开人孔：

用螺杆上下拉紧两个半圆的锥面卡环进行开启和密封，用于间歇生产中快速装卸料。

旋柄快开人孔：

用如图上方旋柄旋转达到开启，闭合的目的、适用间歇操作材料、清洁等。

3）受压人孔：

就在承压设备上安装。

如6-13

4）手孔：

手孔的安装与结构通常与人孔一致的，从开启方式也可分：

回转盖、常压快开、回转盖快开式、常压法兰上加音板口形式。

只是手孔的公称值小些。

2、设置原则

从需不需要开设人孔：

，不开人孔，可开1~2手孔。

以上，至少于一个

顶盖；筒体开一个人孔。

设备使用过程中，常开启的三快开式人手孔。

若受压设备人孔盖较重，采用吊盖式人孔或回转盖式人孔。

无腐蚀或轻微腐蚀的压力容皿，制冷、热皿不开设查检孔。

3、人孔和手孔的选用

参照以下步骤：

用设备内径初选人孔、手孔类型、数量

选材，应与设备主体材质相同近

用《》和《》选用标准根据管道元件的相同，查公称直径及公称压力。

校核筒节强度：

圆整到钢管壁厚与标准人孔、手孔壁厚S相比

满足强度要求。

七、接管

化工设备上的接管大致可分两类：

一类是与物料进行的工艺管相联，短接管较粗。

另一类是用于检测温度、压力、液面，联以温度计，压力表等，此类接管直径小，可带法兰。

第六章第三节支座

目的要求：

先从支座的分类引出各种容皿的典型支座，如卧式容皿支座、立式容皿支座、球形容皿支座。

重点难点：

1、立式容皿的支座、耳式支座

2、卧式容皿支座：

鞍式、圈式支座

3、球形容皿支座：

赤道正切柱式支座

第三节支座

化工设备通常利用支座来固定、支撑，常用的支座主要有：

卧式容皿支座、立式容皿支座、球形容皿支座

臣式容皿支座：

鞍式支座：

由于形状酷似与鞍形而得名，通常用于卧式储罐，而且多用于双鞍座形式（焊制，弯制）

圈式支座：

由于容皿自身重力造成大直径薄壁容皿和真空容皿生产严重找曲，这种情况采用圈式支座：

两个作用：

支撑筒体

使薄壁筒体得到加强，降低局部应力（加强圈）

支腿式支座：

支承容皿的筒体部分即圆柱部分，并不承支封头，通常用于高度小、中小型容皿。

立式容皿：

耳式、支承工、腿式支座、裙式支座

中小型立式支座采前三种，高大塔设备采用裙式支座。

耳式支座双称悬持式支座，由筋板和支腿板组成，广泛用于反应釜及立式换热皿等直立设备上。

特点：

结构简单、轻便，但会对壁皿产生较大局部应力

支承式：

对于高度不大，安装位距基础面较近且具有凸形封头的立式容皿，在容皿封头底部焊上数根支柱，直接支承在基础地面上。

特点：

简单方便，但会对封头产生较大局部应力

裙式支座：

对于高大的立式容皿，特别是塔皿应采用裙式支座，分两种形式：

圆筒形裙座、圆锥形裙座。

着重介绍赤道正切柱式支座：

以多根圆柱状支柱在球壳赤道带等距离布置，支柱中心浅与球壳相切或相割而焊接起来，支柱之间设置连接拉杆。

优点：

受力均匀，弹性好，还能承受风载荷和地震载荷，保证球罐的稳定性。

裙式支座：

由裙座体、基环和地脚螺栓座组成。

裙座可市制人孔、引出管孔、排气孔和排污孔（见156）裙座的结构

半埋式支座：

常用球形储罐，将储罐近

埋入地下。

第四节安全附件

目的要求：

使学生了解三大类安全附件的组成，作用原理及应用场合。

重点难点：

1、视镜2、安全阀3、爆破片

第四节安全附件

安全附件的作用：

防止设备进行过量而发生超压事故。

一、视镜

作用：

观察设备内物料的化学、物理变化情况

由于视镜很可能与物料直接接触，所以要求试镜能承压、耐高温、耐腐蚀。

分类、结构：

ⅰ凸像视镜即不带颈视镜：

结构简单，不易结料直接焊接于设备上。

ⅱ带颈视镜：

在视镜的接缘下方焊一段与镜相匹配的钢管，钢管与设备焊接。

发展又出现了新型视镜：

（1）组合视镜：

由设备接管的法兰与视镜相接避免与设备直接焊（法兰连接）

（2）带灯视镜：

将带照明灯与视镜合二为一，可减小开孔数，选用于设备开孔较多的情况。

（3）钢和玻璃烧结视镜：

二、安全阀：

是安全泄压装置之一，用于由于物理过程而产生的超压；对介质允许有微量泄漏。

1、安全阀概念：

它是一种自动阀门，利用介质本身压力，通过阀瓣开启来排放，额定娄得的流体，以防止设备内的压力超过允许值，压力降下后，阀瓣自动关闭阻止介质排出。

开启压力：

使阀瓣开起时介质的压力（稍开一点）

排放压力：

阀瓣达到规定开启高度时介质的压力（全开）

回座压力：

开启高度为0时介质压力

背压力一安全阀出几处压力

开启高度一离开关闭位置的实际开程。

2、安全阀动作原理：

工作的全过程分四个阶段：

（1）正常工作状态阶段：

阀瓣密闭

（2）泄漏阶段：

个个阀瓣密封力降低，密封开始泄漏，阀瓣未开启。

（3）开启、泄放阶段：

介质压力达到开启压力时，阀开启，介质连续排出，安全泄放。

（4）关闭阶段：

随介质不断泄放，压力下降，压力阀瓣闭合，重新达到密封状态。

3）安全阀结构类型：

1）弹簧式安全阀

2）带散热套安全阀

3）内装式安全阀：

使阀的一部分置于设备内，靠容皿法兰与设备联热。

4）全启式安全阀：

适用于反应迅速的压力容皿。

三、爆破片装置：

它也是化工设备中的安全附件之一，适用于不允许有泄漏的各类介质。

1、破爆片装置的结构：

爆破片由爆破片或爆破片组件以及夹持皿

分两类：

普通式：

爆破片+夹持四装配

组合式：

由爆破片，夹持皿，背压托架，加强的保护膜，密封膜

工作原理：

正常工作状态下密封的，一旦超压，膜片爆破，超压，介质迅速泄放。

2、爆破片适用范围。