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1、4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计本节的密封装置主要讲解法兰连接。法兰是英文本节的密封装置主要讲解法兰连接。法兰是英文Flange的音义，法兰连接是石化装置中最常见的可拆连接，其组成部分见图。的音义，法兰连接是石化装置中最常见的可拆连接，其组成部分见图。1螺栓螺母（联接件）螺栓螺母（联接件）2垫片（密封元件）垫片（密封元件）3法兰（被联接件）法兰（被联接件）4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计常见的法兰结构形式见图常见的法兰结构形式见图不锈钢法兰盘不锈钢法兰盘4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密
2、封装置设计任意式法兰任意式法兰4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计常见垫片见图常见垫片见图4.3
3、 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计泄漏途径：垫片本身毛细管的泄漏为渗透泄漏，而垫片与压紧面之间的泄漏为界面泄漏。界面泄漏是密封失效的泄漏途径：垫片本身毛细管的泄漏为渗透泄漏，而垫片与压紧面之间的泄漏为界面泄漏。界面泄漏是密封失效的(1)密封机理及分类密封机理及分类主要途径。主要途径。4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计密封过程：密封口处的阻力大于密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封住。预紧工况下形成密封过程：密封口处的阻力大于密封
4、口两侧的介质压力差时，介质就被密封住。预紧工况下形成“垫片比压力：垫片比压力：y”，操作工况下形成，操作工况下形成“操作密封比压力：操作密封比压力：mp”。4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计密封分类：密封分类：强制密封强制密封靠螺栓力产生密封比压，用于中低压。靠螺栓力产生密封比压，用于中低压。自紧密封自紧密封根据结构特点，介质压力越大，密封比压也越大。用于高压等恶劣环境。根据结构特点，介质压力越大，密封比压也越大。用于高压等恶劣环境。4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计螺栓预紧力螺栓预紧力：通过预紧力产生：通过预紧力产生“垫片比压力垫片比压力y
5、”，形成初始密封比压。但预紧力过大可使垫片挤出或压坏。，形成初始密封比压。但预紧力过大可使垫片挤出或压坏。垫片性能垫片性能：有适宜的变形及良好的回弹能力。至今，垫片的性能是根据：有适宜的变形及良好的回弹能力。至今，垫片的性能是根据(y，m)来确定。（来确定。（p160表表4-9）压紧面质量压紧面质量：压紧面形状和粗糙度与垫片相匹配，不允许有径向划痕。：压紧面形状和粗糙度与垫片相匹配，不允许有径向划痕。法兰刚度法兰刚度：法兰刚度不足易引起变形泄漏，增大法兰盘厚度可提高法兰刚度。另外，螺栓数目4n。：法兰刚度不足易引起变形泄漏，增大法兰盘厚度可提高法兰刚度。另外，螺栓数目4n。操作条件操作条件：主
6、要指压力、温度和介质性能，其中尤以温度影响较大。高温下，介质对垫片溶解和腐蚀加剧，同时蠕变使密封系统产生应力松弛。温度若为波动，会产生疲劳。：主要指压力、温度和介质性能，其中尤以温度影响较大。高温下，介质对垫片溶解和腐蚀加剧，同时蠕变使密封系统产生应力松弛。温度若为波动，会产生疲劳。(2)影响密封性能的主要因素影响密封性能的主要因素4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计 螺栓法兰连接的密封性设计 螺栓法兰连接的密封性设计(3)螺栓法兰连接设计螺栓法兰连接设计Waters法兰压紧面选择密封设计 垫片选择螺栓法兰连接设计螺栓设计强度设计（法弹性设计）螺栓法兰连接失效的主要原因
7、是，密封性能不良而导致泄漏。因此，法兰连接的设计主要是其密封性能的设计。螺栓法兰连接失效的主要原因是，密封性能不良而导致泄漏。因此，法兰连接的设计主要是其密封性能的设计。4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计（）法兰压紧面的选择（）法兰压紧面的选择4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计(a)(a)和和(b)(b)用于中低压范围，结构简单，对中容易。用于中低压范围，结构简单，对中容易。(c)、(d)(c)、(d)和和(e)(e)用于高压、高温，或易燃易爆，介质有毒性等危险场合。用于高压、高温，
8、或易燃易爆，介质有毒性等危险场合。(d)(d)和和(e)(e)通常配备的是金属垫圈。通常配备的是金属垫圈。4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计（）垫片的选择（）垫片的选择非金属垫片材料类型 金属金属与非金属组合板材裁制而成（橡胶石棉板垫）不同材料包合而成（金属包垫片）垫片结构类型不同材料缠绕而成（缠绕式垫片）由坯料机加工而成（金属垫片）4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计板材裁制式垫片板材裁制式垫片：橡胶板、橡胶石棉板、石棉纸板与塑料板：橡胶板、橡胶石棉板、石棉纸板与塑料板包合式垫片包合
9、式垫片：在石棉的外面包上黑铁皮，或铜等金属。使垫片具有耐高温防腐同时，强度较高。：在石棉的外面包上黑铁皮，或铜等金属。使垫片具有耐高温防腐同时，强度较高。缠绕式垫片缠绕式垫片：以钢带与石棉板或橡胶石棉板相间缠绕而成。防腐好，用于较高温度(达600)和压力(6.4MPa)的场合。：以钢带与石棉板或橡胶石棉板相间缠绕而成。防腐好，用于较高温度(达600)和压力(6.4MPa)的场合。金属垫片金属垫片：金属垫片强度高，耐热好。常用金属垫有铁、钢、合金钢、铜、铝、镍等。其中，铝垫片应用较广泛。：金属垫片强度高，耐热好。常用金属垫有铁、钢、合金钢、铜、铝、镍等。其中，铝垫片应用较广泛。p164表4-10
10、，列举了常用垫片的选用说明。p164表4-10，列举了常用垫片的选用说明。4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计（）螺栓设计（）螺栓设计螺栓设计主要是根据所需压紧力大小，计算螺栓载荷、选择螺栓材料、计算螺栓直径和个数等。螺栓设计主要是根据所需压紧力大小，计算螺栓载荷、选择螺栓材料、计算螺栓直径和个数等。4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计预紧时所需压紧力预紧时所需压紧力(460)aGFD by=操作时所需压紧力操作时所需压紧力2(461)pGFD bmp=（4-61）式中，系数“2”的来历见p163最后一段。（4-61）式中，系数“2”的来历见p1
11、63最后一段。预紧时所需螺栓载荷预紧时所需螺栓载荷(462)aaGWFD by=操作时所需螺栓载荷操作时所需螺栓载荷22(463)4ppGGWFFD pD bmp=+=+4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计这里，轴向力这里，轴向力221224GpRFRtR pD pt=预紧时，螺栓所需面积（常温下）预紧时，螺栓所需面积（常温下）(464)aabWA=操作时，螺栓所需面积（设计温度下）操作时，螺栓所需面积（设计温度下）(465)pptbWA=实际所需螺栓面积实际所需螺栓面积(),mapAMax AA=4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计04(466
12、)mAdn=螺栓直径和个数螺栓直径和个数通常，n为偶数且为4的倍数。螺栓根径圆整至螺纹标准公称直径后，不小于M12。此外，螺栓间距不得超过式（4-67）。同时，螺栓间要能容下扳手的空间。通常，n为偶数且为4的倍数。螺栓根径圆整至螺纹标准公称直径后，不小于M12。此外，螺栓间距不得超过式（4-67）。同时，螺栓间要能容下扳手的空间。法兰结构类型及标准 法兰结构类型及标准根据法兰的结构类型和使用场合，分类方法有以下几种：根据法兰的结构类型和使用场合，分类方法有以下几种：4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计（）按法兰接触面宽窄分为：窄面法兰和宽面法兰（）按法兰接触面宽窄分为：
13、窄面法兰和宽面法兰通常，宽面法兰变形能够收到法兰外缘接触部位的抑制，使其刚性增加。但宽面法兰不常用。通常，宽面法兰变形能够收到法兰外缘接触部位的抑制，使其刚性增加。但宽面法兰不常用。4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计（）按用途分为：容器法兰和管法兰（）按用途分为：容器法兰和管法兰（）按工作介质的压力分为：内压法兰和外压法兰（）按工作介质的压力分为：内压法兰和外压法兰（）按法兰盘的形状分为：圆形法兰、方形法兰、椭圆形法兰等（）按法兰盘的形状分为：圆形法兰、方形法兰、椭圆形法兰等（）按是否标准分为：标准法兰和非标准法兰（）按是否标准分为：标准法兰和非标准法兰4.3 常规设
14、计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计（）按法兰结构类型分为：活套法兰（）按法兰结构类型分为：活套法兰(松式法兰松式法兰)、任意式法兰、任意式法兰(平焊法兰平焊法兰)和整体法兰和整体法兰4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计多数情况下，任意式法兰多数情况下，任意式法兰(平焊法兰平焊法兰)采用焊接结构。螺纹连接任意式法兰对中性能好，可用于高压管道中。采用焊接结构。螺纹连接任意式法兰对中性能好，可用于高压管道中。4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计(a)为铸造法兰；为铸造法兰；(b)为整体锻制法兰；为整体锻制法兰；(c)为全部焊透的焊接法兰。为
15、全部焊透的焊接法兰。4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计法兰为法兰为标准件标准件。选取标准法兰依据的参数是（公称直径。选取标准法兰依据的参数是（公称直径DN，公称压力，公称压力pN）公称直径公称直径DN是容器和管道标准化后的尺寸系列。对于容器而言，是内径；对于管子而言，是名义直径。公称直径相同的管子，外径相同，而厚度不同。是容器和管道标准化后的尺寸系列。对于容器而言，是内径；对于管子而言，是名义直径。公称直径相同的管子，外径相同，而厚度不同。公称压力公称压力pN是容器或管道的标准化压力等级。在容器设计选用零部件时，应选取设计压力相近稍高一级的公称压力选取零部件。是容器或
16、管道的标准化压力等级。在容器设计选用零部件时，应选取设计压力相近稍高一级的公称压力选取零部件。标准法兰选取时，应根据公称直径、公称压力、工作温度、工作介质以及法兰材料进行选用。（具体的选用方法在毕业设计中会用到）标准法兰选取时，应根据公称直径、公称压力、工作温度、工作介质以及法兰材料进行选用。（具体的选用方法在毕业设计中会用到）4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计 法兰强度设计计算简介 法兰强度设计计算简介法兰强度计算用于非标准法兰设计中。该部分不做要求。法兰强度计算用于非标准法兰设计中。该部分不做要求。高压密封的基本特点 高压密封的基本特点()采用金属密封元件()采用
17、窄面或线接触密封()多采用自紧密封结构要求掌握几种典型的自紧密封结构和密封原理。()采用金属密封元件()采用窄面或线接触密封()多采用自紧密封结构要求掌握几种典型的自紧密封结构和密封原理。4.3 常规设计常规设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计压力容器开孔或开孔接管是非常普遍的。压力容器开孔或开孔接管是非常普遍的。4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计我们知道，压力容器上开孔后，必然会有应力集中出现，产生很高的局部应力，对压力容器运转带来
18、隐患。因此，压力容器上开孔和开孔接管，必须要考虑补强问题。我们知道，压力容器上开孔后，必然会有应力集中出现，产生很高的局部应力，对压力容器运转带来隐患。因此，压力容器上开孔和开孔接管，必须要考虑补强问题。基础知识：开孔应力集中基础知识：开孔应力集中平板开小孔，单向拉伸，讨论由于小孔而引起的应力集中。平板开小孔，单向拉伸，讨论由于小孔而引起的应力集中。4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计开小孔平板上任意位置处，应力大小为开小孔平板上任意位置处，应力大小为224224222224244311cos222311cos222231sin22rrqaqaarrrqaq
19、arrqaarr=+=+=+径向应力：周向应力：剪应力：分析：分析：r=0 时，为孔边缘位置，有时，为孔边缘位置，有()0,1 2cos2,0rrq=4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计0,()3,3()2230,150,120,3300qq=时为压应力，注意的方向时为拉应力，注意的方向时4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计远离孔边缘后的分布趋势，显示应力集中具有局限性。远离孔边缘后的分布趋势，显示应力集中具有局限性。,r4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计承受内压壳体开孔接管的实际受力
20、非常复杂承受内压壳体开孔接管的实际受力非常复杂4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计壳体上的开孔接管补强结构壳体上的开孔接管补强结构Nozzle：接管：接管Reinforcement:补强圈补强圈Shell:壳体壳体Tell-tale hole:信号孔信号孔：直径不小于信号孔信号孔：直径不小于M6的泄漏信号孔。的泄漏信号孔。GB150规定，补强圈须通过信号孔通入规定，补强圈须通过信号孔通入0.40.5MPa的压缩空气检查焊缝质量。此外，信号孔还具有焊接以及热处理时排气以防在补强圈和壳体之间产生多余约束力的作用。的压缩空气检查焊缝质量。此外，信号孔还具有焊接以及
21、热处理时排气以防在补强圈和壳体之间产生多余约束力的作用。(1)补强结构类型补强结构类型（下图中，为补强圈补强结构）（下图中，为补强圈补强结构）4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计压力容器中的开孔接管补强结构（1）压力容器中的开孔接管补强结构（1）4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计压力容器中的开孔接管补强结构（2）压力容器中的开孔接管补强结构（2）4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计压力容器中的开孔接管补强结构（3）压力容器中的开孔接管补强结构（3）4.3 常规设计常规设计4.3.5 开
22、孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计在开孔部位进行局部补强，主要补强形式有：整锻件补强（图中(a)）；接管补强（图中(b)(d)）；补强圈补强（图中(e)(g)）。在开孔部位进行局部补强，主要补强形式有：整锻件补强（图中(a)）；接管补强（图中(b)(d)）；补强圈补强（图中(e)(g)）。4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计 等面积补强法 等面积补强法认为壳体因开孔而被削弱的承载面积，须有补强材料在孔边予以等面积补偿。等面积补强法有长期实践经验，简单易行。但针对性不强。认为壳体因开孔而被削弱的承载面积，须有补强材料在孔边予以等面积补偿。等面积补强法有长期实践
23、经验，简单易行。但针对性不强。GB150采用此方法。采用此方法。(2)开孔补强设计准则开孔补强设计准则 极限分析补强法 极限分析补强法采用弹塑性安定性原则，对开孔接管结构进行定量的分析，提出补强方案。采用弹塑性安定性原则，对开孔接管结构进行定量的分析，提出补强方案。(3)允许不另行补强的最大开孔直径允许不另行补强的最大开孔直径由于存在各种强度裕量，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强，具体尺寸见由于存在各种强度裕量，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强，具体尺寸见p184。4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计等面积补强法是各国很早以来一直沿用的方法，
24、尤其对于小直径的开孔，安全可靠。其中心思想是：等面积补强法是各国很早以来一直沿用的方法，尤其对于小直径的开孔，安全可靠。其中心思想是：开孔局部补强的金属截面积必须等于或大于开孔所挖去的壳壁截面面积。开孔局部补强的金属截面积必须等于或大于开孔所挖去的壳壁截面面积。(4)等面积补强计算等面积补强计算4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计123AAA 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 有效补强区内焊缝金属的截面积4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计因开孔而消去的金属截面积为因开孔而消去的金属截面积为Ad=补强区内有效的补强区内有效的“多余多余”金属截面积为金属截面积为123eAAAA=+这样，需要补强的金属截面积为这样，需要补强的金属截面积为4eAAA=以上是等面积补强法的基本考虑思路，具体操作要参考以上是等面积补强法的基本考虑思路，具体操作要参考GB150规范。参考规范。参考p188例例4-2。