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2、载：/ziti/电电子子课课件件过过程程设备设计设备设计第五版第五版 密封装置密封装置设计设计过程设备设计压力容器设计主讲人：郑津洋目录 4.1 概述 4.2 设计准则 4.3 常规设计 4.4 分析设计 4.5 疲劳分析 4.6 压力容器设计技术进展目录4.3.3 封头设计 4.3.4 密封装置设计 4.3.5 开孔和开孔补强设计 4.3.6 支座和检查孔4.3.7 安全泄放装置 4.3.2 圆筒设计 4.3.1 概述 4.3.8 焊接结构设计 4.3.9 压力试验 可拆密封装置螺纹连接承插式连接螺栓法兰连接：螺栓垫片法兰密封系统本节主要内容密封机理及分类影响密封性能的主要因素螺栓法兰连接设
3、计密封装置设计图4-22 螺栓法兰连接结构1-螺栓；2-垫片；3-法兰依靠螺栓预紧力把两部分设备或管道法兰环连在一起，同时压紧垫片，使连接处达到密封。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。密封装置的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原理：性能：泄漏途径渗透泄漏界面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，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”。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
4、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。密封机理及分类一、密封机理（a a）尚未预紧的工况将上、下法兰压紧面和垫片的接触处的微观尺寸放大，表面是凹凸不平的，这就是流体泄漏的通道。螺栓法兰连接的整个工作过程可用：图4-23（a）尚未预紧工况、（b）预紧工况、（c）操作工况来说明界面泄漏渗透泄漏（a）尚未预紧工况（b b）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。（b）预紧工况预紧(无内压)时，迫使垫片变形与压紧面
5、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“垫片比压力”，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。引入概念1“预紧比压y”：y值仅与垫片材料、结构与厚度有关。通入介质，压力上升（c c）操作工况一方面，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；导致另一方面，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。（c）操作工况 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
6、的压应力，称为操作密封比压。操作密封比压往往用介质计算压力的m倍表示，这里m称为“垫片系数”，无因次。引入概念2“操作密封比压”：防止流体泄漏的基本方法在密封口增加流体 流 动 的 阻 力 泄漏时介质通过密封口的动力：密封口内外介质压力差 泄漏时介质通过密封口的阻力：压紧面上的比压力垫片比压力y操作密封比压当介质通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封。而介质通过密封口的阻力是借施加于压紧面上的比压力来实现的，作用在压紧面上的密封比压力越大，则介质通过密封口的阻力越大，越有利于密封。由以上分析，在确立法兰设计方法时，把预紧工况与操作工况分开处理，从而大大简化了法兰设计。为此，
7、对两个不同的工况分别引进两个垫片性能参数，即“最小压紧应力”或“比压力”y y以及“垫片系数”m m。预紧比压y：定义为预紧(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，此时垫片所必需的最小压紧载荷，因以单位接触面积上的压紧载荷计，故也称最小压紧应力”，单位为MPa。y值仅与垫片材料、结构与厚度有关。垫片系数m：是指操作(有内压)时，达到紧密不漏,垫片所必须维持的比压与介质压力p的比值。不少生产实践和广泛的研究表明y和m值还与垫片尺寸，介质性质、压力、温度、压紧面粗糙度等许多因素有关，而且m与y之间也存在内在联系。1 1、按获得密封比压力方法的不同分分类类强制密封自紧密封半自紧式
8、密封2 2、按被密封介质的压力大小中低压密封高压密封二、密封分类1 1、按获得密封比压力方法的不同a a、强制密封完全依靠连接件的作用力强行挤压密封元件达到密封。特点：预紧力大，约为工作压力产生的轴向力的1.11.11.61.6倍。b b、自紧式密封：主要依靠容器内部的介质压力压紧密封元件实现密封。特点：预紧力小，介质压力越高，密封越可靠，约为工作压力产 生的轴向力的20%20%以下。2 2、按被密封介质的压力大小中、低压密封：螺栓法兰结构，强制式密封。高压密封：多用自紧式密封、半自紧式密封。半自紧式密封：轴向自紧式密封：径向自紧式密封：密封元件的径向刚度小于被连接件的径向刚度。密封元件的轴向
9、刚度小于被连接件的轴向刚度。属于非自紧式的强制式密封，但又具有一定的自紧性能，如双锥密封。主要影响因素一、螺栓预紧力二、垫片性能三、压紧面的质量四、法兰刚度五、操作条件影响密封性能的主要因素4.预紧力应均匀地作用到垫片上，可采取减小螺栓直径、增加螺栓个 数等措施来提高密封性能。3.预紧力不宜太大，否则使垫片整体屈服丧失回弹能力，甚至将垫片 挤出或压坏。2.适当提高预紧力可增加垫片的密封能力，即在正常工况下保留较大 的接触面比压力。1.预紧力使垫片压紧实现初始密封。一、螺栓预紧力（3）垫片比压力y和垫片系数m：与垫片材料、结构与厚度关，还与 介质性质、压力、温度、压紧面粗糙度等因素有关，而且m和
10、y 之间也存在内在联系。见表49，1943年Rossheim和Markl推荐而沿用至今。（1）垫片变形能力和回弹能力是形成密封的必要条件。变形能力大 的密封垫易填满压紧面上的间隙，并使预紧力不致太大；回弹 能力大的垫片，能适应操作压力和温度的波动（2）垫片应具有能适应介质的温度、压力和腐蚀等性能。二、垫片性能表49 垫片性能参数表49 垫片性能参数（续）压紧面又称密封面，其形状和粗糙度应与垫片相匹配。使用金属垫片时其压紧面的质量要求比使用非金属垫片时高。压紧面表面不允许有刀痕和划痕。应能均匀地压紧垫片，保证平面度和垂直度。三、压紧面的质量刚度不足：过大的翘曲变形，密封失效的主要原因之一。提高法
11、兰刚度：增加法兰环的厚度、缩小螺栓中心圆直径、增大法兰环外径；采用带颈法兰或增大锥颈部分尺寸，提高抗弯能力。四、法兰刚度图4-24 法兰的翘曲变形操作条件：指压力、温度及介质的物理化学性质对密封性能的影响。压力、介质在温度的联合作用下，尤其是波动的高温下，会严重影响密封性能，甚至使密封因疲劳而完全失效。特点：高温下，介质粘度小，渗透性大，易泄漏；介质对垫片和法兰的腐蚀作用加剧，增加了泄漏的可能性；法兰、螺栓和垫片均会产生较大的高温蠕变与应力松弛，使密封失效；某些非金属垫片还会加速老化、变质，甚至烧毁。原因：五、操作条件法兰分类方法较多按法兰接触面宽窄窄面法兰：法兰的接触面处在螺栓孔圆周以内宽面
12、法兰：法兰的接触面扩展到螺栓孔圆周外侧按法兰应用场合容器法兰管法兰由此对应，法兰标准也有容器法兰和管法兰螺栓法兰连接设计一、法兰结构类型及标准（1 1）法兰结构类型法兰的基本结构形式按组成法兰的圆筒、法兰环、锥颈三部分的整体性程度分为：松式法兰整体法兰任意式法兰图4-25 法兰结构类型a a a a、松式法兰松式法兰指法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构。如活套法兰、螺纹法兰、搭接法兰等，这些法兰可以带颈或者不带颈，见图4-24-25 5（a a）、（b b）、（c c）。其中活套法兰是典型的松式法兰，其法兰的力矩完全由法兰环本身来承担，对设备或管道不
13、产生附加弯曲应力。因而适用于有色金属和不锈钢制设备或管道上，且法兰可采用碳素钢制作，以节约贵重金属。但法兰刚度小，厚度较厚，一般只适用于压力较低的场合。b b b b、整体法兰整体法兰将法兰与壳体锻或铸成一体或经全熔透的平焊法兰，见图4-25（d）、（e）、（f）所示。这种结构能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。其中的带颈法兰可以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。c c c c、任意式法兰任意式法兰从结构来看，这种法兰与壳体连成一体，但刚性介于整体法兰和松式法兰之间，见图4-24-25 5（g g）、（h h）、（i i）。其计算按
14、整体法兰，当法兰颈部厚度o o15 mm15 mm，法兰内直径 D Di i/o o300300，计算压力p pc c2MPa2MPa，t370t370时，可简化作为不带颈的松式法兰计算。这类法兰结构简单，加工方便，故在中低压容器或管道中得到广泛应用。为简化计算、降低成本、增加互换性，世界各国都制订了一系列法兰标准。实际：应尽可能选用标准法兰。只有使用大直径、特殊工作参数和结构形式时才需自行设计。分类：管法兰、容器法兰。相同公称直径、公称压力的管法兰与容器法兰的连接尺寸各不相同，二者不能相互套用。选择法兰的主要参数是公称压力和公称直径。（2）法兰标准a.a.公称直径（公称直径（DNDN）公称直
15、径是容器和管道标准化后的尺寸系列，按国家标准规定的系列选用。容器法兰：是容器内径（用管子作筒体的容器除外）；是指名义直径，是与内径相近的某个数值，公称直径相同的钢管，外径是相同的，由于厚度是变化的，所以内径也是变化的，如DN100的无缝钢管有1084、1084.5、1085等规格。管法兰：b.b.公称压力（公称压力（PNPN）公称压力是压力容器或管道的标准化压力等级。指规定温度下的最大工作压力，并经过标准化后的压力数值。选取：与设计压力相近且又稍高一级的公称压力。当容器零部件设计温度升高且影响金属材料强度极限时，则要按更高一级的公称压力选取零部件。用PN表示，如PN0.25、PN4.0等。国际
16、通用的公称压力等级有两大体系，即欧洲体系和美洲体系。Class系列中常用的公称压力等级有2.0MPa、5.0MPa、11.0MPa、15.0MPa、26.0MPa、42.0MPa等。欧洲体系常用PN系列表示公称压力等级，如PN2.5等，PN系列压力等级有0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0、16.0、25.0MPa等；美国等一些国家习惯采用Class系列表示公称压力等级，如Class150、Class600等。表4-14-10 0 PNPN系列与ClassClass系列公称压力对照表PN2050110150260420Class150300600900150025
17、00压力值/MPa2.0511152642c.c.容器法兰标准容器法兰标准标准中给出了甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰等三种法兰的分类、技术条件、结构形式和尺寸，以及相关垫片、螺栓型式等。公称压力范围为0.256.4MPa，公称直径为3003000mm。中国压力容器法兰标准为JB/T 47004707压力容器法兰。d.d.管法兰标准管法兰标准国际上管法兰标准主要有两个体系，即欧洲体系（以EN 1092.11092.4为代表）以及美洲体系（以ASME/ANSI B16.5管法兰和附件、B16.47大直径钢法兰标准为代表）。中国管法兰标准，主要有国家标准GB/T 91129125钢制管法兰
18、，机械行业标准JB/T 7490管路法兰和垫片以及化工行业标准HG/T 2059220635钢制管法兰、垫片、紧固件（包括欧洲体系和美洲体系）等。e.e.标准法兰的选用标准法兰的选用依据：根据容器或管道的公称直径、公称压力、工作温度、工作介质特性以及法兰材料进行选用。例：PN2.5PN2.5长颈对焊法兰（JB/T 4703JB/T 4703），在-20-20200200时的允许工作压力为2.52.5MPaMPa，但若将它用于400400，它的最高允许工作压力为1.931.93MPaMPa；若改用2020号钢制造，则-20-20200200的允许工作压力为1.811.81MPaMPa，而温度升高
19、到400400时，允许工作压力降低为1.261.26MPaMPa。因此，选用的法兰压力等级应不低于法兰材料在工作温度下的允许工作压力。管法兰也有类似的规定，具体可参阅有关标准。容器法兰：公称压力是以1616MnMn在200200时的最高工作压力为依据制订的，因此当法兰材料和工作温度不同时，最大工作压力将降低或升高。螺栓法兰连接设计关键要解决两个问题1.保证连接处“紧密不漏”；2.法兰应具有足够的强度，不致因受力而破坏。实际应用中主要是泄漏，很少有强度不足而破坏。密封性能：压紧面垫片二、法兰密封性面和垫片的选择(1)(1)法兰压紧面的选择 压紧面主要根据工艺条件、密封口径以及垫片等进行选择。全平
20、面（a）突面（b）凹凸面（c）榫槽面（d）环连接面（或称梯型槽）（e）其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。形式：图4-26（a）全平面;（b）凸面;（c）凹凸面;（d）榫槽面;（e）环连接面（T型槽）图4-26 压紧面的形式突面压紧面：简单，加工方便，装卸容易，易于防腐衬里。压紧面可以是平滑的，适用于PN2.5MPa场合。带沟槽的（24条、宽深为0.8mm0.4mm、截面为三角形周向沟槽），防止非金属垫片被挤出，适用更广。容器法兰可用至6.4MPa，管法兰甚至可用至2542MPa，但随着公称压力的提高，适用的公称直径相应减小。榫槽压紧面：由榫面、槽面配合构成，垫片安放在槽内，不会被挤出压紧面，
21、较少受介质的冲刷和腐蚀，所需螺栓力较小，但结构复杂，更换垫片较难，只适用于易燃、易爆和高度或极度毒性危害介质等重要场合。各压紧面结构简介凹凸压紧面：安装易于对中，有效防止垫片被挤出，适用PN6.4MPa的容器法兰和管法兰。选择：垫片的结构形式、材料、尺寸基本要求：垫片的材料不污染工作介质、耐腐蚀、具有良好的变形能 力和回弹能力，在工作温度下不易变质硬化或软化、能重 复使用等。（表411 垫片选用表）（2 2）垫片的选择根据：介质的压力、温度、腐蚀性和压紧面的形状，兼顾价格、制造、更换是否方便等因素来选择螺栓法兰连接结构的失效模式既有强度失效又有密封失效，而这两种失效中，密封失效又是主要的失效模
22、式。但由于首先被认识到的是结构的强度失效以及在研究基于密封失效的设计方法中所遇到的困难，长期以来，各国规范和标准主要采用了以弹性分析为基础的强度设计方法，使用最为广泛的是Waters法（或又称为Taylor-Forge法）。（1 1）WatersWaters方法（沃特斯法）作用于法兰的螺栓载荷W W、轴向流体静压力P1P1、P2 P2 及垫片反力P3P3都是已知的。图4-27(a)力的单位是N三、非标法兰设计方法简介图4-27(b)根据这些力计算出作用于法兰的外力矩，并将此外力矩由均匀作用于法兰环内外圆周的力P所组成的当量力偶来代替。将法兰分成壳体、锥颈和法兰环三部分，在壳体至锥颈、锥颈至法兰
23、环两个边缘处，存在边缘力和边 缘力矩。在力学分析上，将壳体部分作为圆柱薄壳，锥颈作为变厚度圆柱壳，法兰环作为薄圆环板进行计算。然后根据变形协调方程求得边缘力和边缘力矩，再分别由薄壳和薄板公式求出各部分应力。图4-27(c)沃特斯等人认为控制法兰强度的三个主要应力为法兰环上的最大径向应力和周向应力，以及锥颈上的最大轴向弯曲应力。上述理论求解过程十分繁琐，应力公式也很复杂，难以实现工程应用。工程上：在大量实验资料的基础上，把复杂的理论计算中要用到的各项系数绘制成一系列图表。计算法兰应力时，只需查用有关图表得到相应的系数值，即可算得各向应力并进行强度校核，因而形式简单，计算方便，是目前世界各国规范标
24、准中主要采用的法兰设计方法。根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，选择合适的螺栓材料，计算螺栓直径与个数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸，最后验算螺栓间距。内容：2）螺栓设计1）选择法兰结构按工艺操作条件所给出的压力、温度、介质的危害程度等确定法兰形式、密封面的形式、垫片种类和尺寸以及大部分法兰的结构尺寸。按Waters法进行法兰设计应按以下步骤：已知垫片材料的性能（m，y）及垫片的计算密封宽度，就可计算出一定直径和压力下垫片所需的压紧力。a.a.垫片压紧力垫片压紧力预紧时：（4-60）式中 Fa预紧状态下，需要的最小垫片压紧力；b垫片有效密封宽度；y垫片比压力，由表4-9查得，MPa；DG垫片压
25、紧力作用中心圆计算直径，mm；当bo6.4mm时，DG等于垫片接触的平均直径；当bo6.4mm时，DG等于垫片接触的外径减去2b。（4-61）式中 Fp操作状态下，需要的最小垫片压紧力，N；m垫片系数，由表4-9查得；pc计算压力，MPa。操作时：需要的压紧力由操作密封比压引起，由于原始定义m时是取2倍垫片有效接触面积上的压紧载荷等于操作压力的m倍，所以计算时操作密封比压应为2mpc，则:关于（4-60）和（4-61）试中的有效密封宽度b和密封基本宽度bo:bo垫片基本宽度（bo见表411）当bo6.4mm时，b=bo当bo6.4mm时，表411 垫片选用表0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr
26、17Ni12Mo2金属环垫环连接面45153010、0Cr13、0Cr18Ni9金属齿形垫凹凸4506.410.00Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫凹凸414500Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸404.00Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫突（凹凸）201450耐油橡胶石棉板、0Cr13钢带-石棉板耐油垫、缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫突（凹凸）2002.50Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、金属包垫、柔性石墨复合垫突（凹凸）201250耐油橡胶石棉板、聚四
27、氟乙烯板耐油垫、四氟垫突（凹凸）2001.6油品、油气，溶剂（丙烷、丙酮、苯、酚、糠醛、异丙醇），石油化工原料及产品材 料型 式垫 片密封面工作温度/法兰公称压力/MPa介 质0Cr13、0Cr18Ni9金属环垫环连接面45010.0紫铜板紫铜垫凹凸4006.43.5MPa0Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架、紫铜板缠绕垫、柔性石墨复合垫、紫铜垫3004.02.5 MPa0Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫突2801.61.0MPa中压橡胶石棉板橡胶垫突2001.00.3MPa蒸汽中压橡胶石棉板橡胶垫突1501.6压缩空气中压橡胶石棉板橡胶垫凹凸1502.
28、5氨0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2金属环垫环连接面4015300Cr13、0Cr18Ni9金属环垫环连接面25140010、0Cr13、0Cr18Ni9金属环垫环连接面2506.410.00Cr18Ni19钢带-石墨带、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2缠绕垫、金属齿形垫凹凸4515300Cr18Ni19钢带-石墨带石墨-0Cr18Ni19等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸2514500Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸2504.0氢气、氢气与油气混合物耐油橡胶石棉板、石墨-0Cr13等骨架耐油垫、柔性石墨复合垫突-2004.0低温油气蒙乃尔
29、合金带-石墨带、蒙乃尔合金板缠绕垫、金属平垫凹凸1704.0氢氟酸紫铜金属平垫2601.0环氧乙烷0Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫突502.5耐油橡胶石棉板耐油垫突501.6液化石油气0Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸4502.5中压橡胶石棉板橡胶垫突3001.6弱酸、弱减、酸渣、碱渣0Cr13钢带-石墨带缠绕垫环连接面1.6剧毒介质中压橡胶石棉板橡胶垫突3001.6水0Cr13（0Cr18Ni9）钢带-石棉板缠绕垫凹凸606.40Cr13钢带-石棉板石墨-0Cr13等骨架缠绕垫、柔性石墨复合垫凹凸604.0中压橡胶石棉板橡
30、胶垫突2001.6惰性气体表4-12 垫片密封基本宽度bo表4-12 垫片密封基本宽度bo（续）预紧状态：（4-62）需要的最小螺栓载荷等于保证垫片初始密封所需的压紧力，式中 Wa预紧状态下需要的最小螺栓载荷，N；操作状态：需要的最小螺栓载荷，由二部分组成：介质产生的轴向力和保持垫片密封所需的垫片压紧力，即（4-63）式中 Wp操作状态下，需要的最小螺栓载荷，N；b.b.螺栓载荷计算螺栓载荷计算原则：为了保证预紧和操作时都能形成可靠的密封，应分别求出两种工况下螺栓的截面积，择其大者为所需螺栓截面积，从而确定螺栓直径与个数。螺栓与螺母应采用不同材料或同种材料但不同的热处理条件，使其具有不同的硬度
31、，螺栓材料硬度应比螺母高30HB以上。c.c.螺栓设计螺栓设计 预紧状态：按常温计算，螺栓所需截面积Aa为（4-64）式中常温下螺栓材料的许用应力，MPa。操作状态：按螺栓设计温度计算，螺栓所需截面积Ap（4-65）式中设计温度下螺栓材料的许用应力，MPa。Am=max（Aa，Ap）需要的螺栓截面积确定螺栓直径与个数do螺纹根径或螺栓最小截面直径n 螺栓个数设计时：do与n是互相关联的未知数，算出螺栓根径d do o先假设螺栓个数n nN应为偶数，最好是4的倍数实际螺栓截面积不小于A Am m保证将d do o圆整为螺纹标准公称直径螺栓公称直径一般不小于M12（4-67）dB螺栓公称直径，mm
32、f法兰有效厚度，mm查表4-13螺栓个数n：个数多，垫片受力均匀，密封效果好。个数太多，螺栓间距变小，可能放不下扳手，引起装拆困难。法兰环上两个螺栓孔中心距 =Db/n应该在（3.54）dB 的范围。个数太少，螺栓间距太大，螺栓孔之间将引起附加的 法兰弯矩，且垫片受力不均导致密封性下降，因此，螺栓最大间距不超过 。表4-13 LA、Le及螺栓间距 的最小值 3）法兰力矩计算 同螺栓设计一样，计算法兰受到的扭矩也应考虑预紧和操作两个工况。在预紧工况中仅由垫片反力和螺栓力所产生的力矩作用在法兰上。这时，考虑到螺栓装配时预紧力矩的不确定性，标准中规定螺栓力为：所产生的扭矩为：式中 Am 所需要的螺栓
33、截面积，mm2；Ab 实际的螺栓截面积，mm2；LG 螺栓中心至垫片力作用点的距离，mm。（4-68）（4-69）操作工况下的法兰力矩Mp可通过作用在筒体和法兰环上的压力以及作用在密封面上的垫片反力对螺栓中心取矩得到。然后，取法兰设计力矩为：中大值 （4-70）其中法兰材料在操作温度下的许用应力，壳体或接管材料在操作温度下的许用应力。4）应力计算和校核锥颈上的最大轴向应力H：取小值法兰环上的最大径向应力R：针对不同部分应力性质不同，分别采用不同强度失效设计准则法兰环上的最大环向应力T：锥颈部分和法兰环所承受的力矩将重新分配，锥颈已屈服部分不能再承受载荷，其中大部分需要法兰环来承担，这就使法兰环
34、的实际应力有可能超过以上的强度条件。因此为使法兰环不产生屈服，保证密封可靠，尚需对锥颈部分和法兰环的平均应力加以限制，即锥颈有少量屈服：及焊接法兰的角焊缝或活套法兰的支承凸缘处的切应力：预紧螺栓时：0.8n操作情况下：虽然到目前为止，包括美国、欧盟、日本以及中国等许多国家的压力容器规范都采用Waters法进行螺栓法兰连接接头的设计，但在使用中发现该方法存在以下问题：a）Waters法中所使用的垫片参数m和y都是在很早以前实验得到的数据，没有一个国家的规范对当前出现的新型垫片给出这两个数据，也没有对老的数据进行更新。这就阻碍了用该方法对采用了新型垫片的法兰结构进行设计。目前使用的垫片参数m和y是
35、否反映了垫片的真实密封性能也不得而知；b）用Waters法无法对法兰结构的密封性能进行定量估计和设计，即用该方法无法得到在各工况下都能保证密封要求的装配时所需的螺栓力。WatersWaters方法存在的问题方法存在的问题重要性：高压密封装置的重量约占容器总重的10%30%，而成本则占总成本的15%40%，是高压容器设计的重要组成部分。基本组成：承力构件；大螺栓、螺纹套筒、内螺塞、抗剪销等密封元件；平垫、双锥环、八角垫、椭圆垫等 （1）金属密封元件，常用退火铝、退火紫铜和软钢：（2）窄面或线接触密封；（3）自紧或半自紧式密封,压力越高，密封越可靠。一、高压密封的基本特点高压密封结构 二、高压密封
36、的结构形式（1）金属平垫密封特点：特点：强制式密封，主螺栓预紧，窄面金属平垫片。平垫材料：平垫材料：退火铝、退火紫铜或10号钢。适用范围：适用范围：设计温度0200 设计压力上限35MPa 内直径上限1000mm图4-28 平垫密封结构（2）双锥密封图4-30 双锥密封结构特点：半自紧式密封，主螺栓预紧，双锥环径向自紧。双锥环材料：35、16Mn、20MnMo、15CrMo、S30408和S32168 等的级或级锻件。软垫片和金属丝：银、退火铝、退火紫铜、柔性石墨等。适用范围：设计温度0400；设计压力范围6.435MPa；内直径范围4003200mm（原标准为2000mm）。（3）伍德密封特
37、点：轴向自紧式密封，牵制螺栓预紧，线接触，预紧力小，温度压力波动场合密封性好。结构复杂、占高压空间大。适用范围：设计压力上限35MPa。图4-31 伍德密封结构（4）卡扎里密封特点：强制式密封，装卸方便，安装预紧力较小介质产生的轴向力由螺纹套筒承担，不需要大直径主螺栓。锯齿螺纹加工困难。适用范围：设计压力上限35MPa图4-29 外螺纹卡扎里密封结构内螺纹卡扎里密封改良卡扎里密封（5）八角垫和椭圆垫密封特点：特点：自紧式密封，结构简单，易于自紧式密封，结构简单，易于安装，适用范围广。顶盖、端安装，适用范围广。顶盖、端部法兰厚，结构笨重。部法兰厚，结构笨重。适用范围：适用范围：设计压力上限设计压
38、力上限35MPa35MPa（6）高压管道密封 形式强制式平垫密封自紧式径向自紧式透垫自紧式特点：与容器密封一样，要求具有密封性能良好、制造容易、结构 简单合理、安装维修方便等特点。特殊：管道将承受很大的附加弯矩或剪力；管较长，热膨胀值大，受温度波动影响大；要便于拆卸。结构：密封面管端加工成=20锥面，透镜垫圈2个球面；预紧：拧紧螺栓，使透镜球面与管端锥面形成线接触密封，单位面积上的压紧力很大，使透镜垫与管端锥面之间有足够的弹性变形和局部塑性变形。工作：升压后透镜垫径向膨胀，产生自紧作用，使密封面贴合得更为紧密。高温型透镜垫：如图4-32（b）所示，有一个内环形空腔，当受内压作用后，内部介质压力
39、作用在透镜垫的环形空腔内，使透镜垫向外膨胀，更紧密地与密封面贴合，使密封效果更好，同时还有一定的弹性，能补偿温度波动所造成的密封不实的影响。（a）一般透镜垫 （b）高温透镜垫采用这种密封结构，管道与法兰不用焊接，而用螺纹连接，因而特别适合不宜焊接的高强度合金钢管的连接。图4-32 高压管道的透镜式密封 即在保持密封元件原有的力学性能和回弹性能等特性的前提下，通过改善密封表面接触状况来提高密封元件的密封性能。（1）改善密封接触表面密封面电镀或喷镀软金属、塑料等，以提高密封面的耐磨性能，保 护密封面不受擦伤，同时降低实现密封所需的密封比压，减小预紧 力，如在空心金属“O”形环表面镀银；密封接触面之
40、间衬软金属或非金属薄垫片，如在双锥密封面衬退火 铝或退火紫铜等；密封面上镶软金属丝或非金属材料。常用方法：三、提高高压密封性能的措施（2）改进垫片结构 采用由弹性件和塑性软垫组合而成的密封元件，依靠弹性件获得良好的回弹能力和必要的密封比压，同时依靠塑性软垫获得良好的密封接触面。图4-33 组合式“B”形环（3）采用焊接密封元件应用：容器或管道内盛装易燃、易爆、剧毒介质，或处于高温、高压、温度压力波动频繁等场合，可使封口完全密封时；当容器或管道内清洁、无需更换内件时也可采用该方法。结构：在两法兰面上先行焊接不同形式的密封焊元件，然后在装配时再将密封焊元件的外缘予以焊接。图4-34 焊接垫片密封结
41、构螺栓载荷是主螺栓、筒体端部和顶盖设计的基础。下面对最基本的平垫密封和双锥密封结构进行分析。伍德密封、卡扎里密封等高压密封的主螺栓载荷计算方法参阅文献2第181页至第215页附录G。与中低压容器的平垫密封原理一样，密封力全部由主螺栓提供。既要保证预紧时能使垫片发生塑性变形（达到预紧比压y），又要保证工作时仍有足够的密封比压（即mPc）。但高压平垫采用窄面的金属垫片。垫片的y、m值按表4-9选用，密封载荷和主螺栓的设计计算见螺栓法兰连接。（1）平垫密封 四、螺栓载荷计算 （a）双锥环的几何参量 （b）预紧时的力分析图4-35 双锥环几何与预紧分析 根据双锥环的密封原理计算出预紧状态下主螺栓载荷W
42、a和操作状态下主螺栓载荷Wp，并根据Wa、Wp进行主螺栓设计。（2）双锥密封 预紧时应保证密封面上的软金属垫片达到初始密封条件，同时又应使双锥环产生径向弹性压缩以消除双锥环与平盖之间的径向间隙。a.预紧状态下主螺栓载荷Wa 为达到初始预紧密封，双锥密封面上必须施加的法向压紧力Wo=DGby。预紧时，双锥环收缩，与顶盖有相对滑动趋势，使双锥环受到摩擦力Fm的作用，摩擦力的方向如图4-35所示，其大小为图4-36 双锥环工作时的力分析 Fm和Wo作矢量合成后再分解到垂直方向就是预紧时主螺栓必须提供的载荷Wa，即（4-68）由图4-35（a）可知，代入上式得（4-69）式中 DG双锥环的密封面平均直
43、径，mm；D1双锥环内圆柱面直径，mm；摩擦角，钢与钢接触时=830，钢与铜接触时=1031，钢与铝接触时=15；A、B、C、双锥环的几何尺寸，见图4-35（a）。四、螺栓载荷计算预紧时还同时应使双锥环产生径向弹性压缩，一般压缩至径向间隙g值完全消除，即双锥环的内侧面与平盖的支承面相贴合。此时的主螺栓载荷Wa为（4-70）式中 E双锥环材料的弹性模量，MPa；g径向间隙，g=（0.1%0.15%）D1，mm；f双锥环的截面积，mm2。一般情况下，Wa要比Wa大得多，这样主螺栓的预紧载荷只要按式（4-69）计算就可满足要求。b.双锥环操作状态时的主螺栓载荷Wp操作状态下主螺栓将承受三部分力：内压
44、引起的总轴向力F、双锥环自紧作用的轴向分力Fp和双锥环回弹力的轴向分力Fc。即（4-71）（4-72）内压对平盖的轴向力双锥环自紧作用的轴向分力Fp，由内压作用在密封环内圆柱表面的径向扩张力Vp引起。Vp可由下式求出径向扩张力Vp式中 b双锥环的有效高度，mm；因双锥面有两个锥面，每一锥面受到的推力为Vp/2，锥面上相应有一法向力G。向外扩张时受到摩擦力fm的作用，方向与预紧时相反，如图4-36（a）所示。G与fm的合力再分解，其垂直分力即为Fp（4-73）Fc由环内的变形回弹力引起。存在回弹力的条件是双锥环始终处于压缩状态。压缩越大，环的回弹力越大。最大回弹力VR为双锥环回弹力的轴向分力Fc
45、 操作状态压紧面上的摩擦力方向如图4-36（b）所示，压紧面上的法向力和摩擦力的合力在垂直方向的分力Fc为（4-74）将式（4-72）（4-74）代入式（4-71）即得Wp操作状态下主螺栓载荷Wp（4-75）修订目的：满足压力容器大型化的发展需求，减少设计计算工作量。面临的问题：（1）原有设计方法是否适用于更大直径的场合；（2）自紧系数和径向间隙是否需要进行调整。修订依据：（1）理论分析C.3 C.3 修订目的和依据修订目的和依据双锥环几何尺寸与预紧状况受力分析 双锥环操作状况受力分析 产生的径向回弹量内压引起的总轴向力 双锥环自紧作用的轴向分力双锥环回弹力的轴向分力操作工况的螺栓力操作密封比
46、压事实上，在双锥环内表面与顶盖分离前，随着操作压力的升高，由于主螺栓的伸长，密封比压是逐渐减少的。分离后，操作密封比压才按式（1）变化。图中，A点为预紧结束时的密封比压,C点为刚要分离时的密封比压。ABCD操作状态下双锥环密封比压随内压的变化关系经简化(1)双锥环自紧系数越大，斜率M越大；内压越高时，密封比压越大。取最小密封比压系数作为判断指标C点的密封比压双锥环几何尺寸的影响径向间隙g的影响 为保证操作状态下的密封性能，必须大于垫片所需的操作密封比压系数m。综上所述，操作状态下随内压不断升高，密封性能的主要影响因素应分两个阶段考虑：(1)当双锥环内圆柱和平盖支撑面分离前，初始径向间隙对密封性
47、能的影响占据主导地位；(2)随着内压不断升高，当双锥环内圆柱和平盖支撑面分离后，自紧系数对密封性能的影响占据主导地位。将已验证的模型适量放大,以氨合成塔用双锥密封结构为研究对象考虑不同的自紧系数对双锥密封性能的影响,验证标准中取值的合理性考虑不同的径向间隙对双锥密封性能的影响,获取合理的取值范围（2）数值分析和实验验证 3.2.1 双锥密封模型的建立及实验验证3.2.2 自紧系数的影响3.2.3 径向间隙的影响 通过整个密封过程的数值模拟，研究初始径向间隙和自紧系数对密封性能的影响。双锥密封模型的建立及实验验证双锥密封实验装置 双锥密封实验装置实体模型 单个螺栓预紧力与顶盖轴向位移量的关系 1
48、#双锥环2#双锥环预紧状态下单个螺栓力与双锥环应变的关系 操作状态下内压与双锥环环向应变的关系 模拟结果与试验数据具有较好的一致性，表明有限元模型能够较好的分析双锥密封过程.3200mm氨合成塔双锥密封为研究对象,分析自紧系数和径向间隙对密封性能的影响。结构尺寸 有限元网格模型 大直径双锥密封结构模型模型设计参数双锥环几何尺寸/mm结构尺寸/mmDi/mm设计压力/MPa设计温度/ABCgplNo.1320012.630015339691.8303.16600200142040762.041842.243912.545992.8No.1 系列双锥密封结构模型参数 不同自紧系数对密封性能的影响模
49、型设计参数双锥环几何尺寸/mm结构尺寸/mmDi/mm设计压力/MPa设计温度/ABCg/D1 plNo.2320012.63001534184300.04%60020014200.05%0.0625%0.075%0.0875%0.1%0.1125%0.125%0.135%0.14%No.2 系列双锥密封结构模型参数 不同径向间隙对密封性能的影响 自紧系数对双锥密封性能的影响(A)预紧状态Di/mm双锥环尺寸A/mm双锥环尺寸C/mm自紧系数A/(A-C)单根螺栓力大小/N3200153691.8681880762.0625056842.2560115912.5503292992.843835
50、1经过分析，预紧结束时密封比压都达到垫片所需的预紧密封比压。在适当范围内,自紧系数越大,达到预紧密封比压需要的总法向力和螺栓力越小，螺栓力加载越容易实现。自紧系数和所需预紧螺栓力大小(B)操作状态操作状态下锥面上密封比压随内压的变化关系 下锥面ABC操作状态下双锥密封结构的密封比压随内压变化曲线可以分为以下几段:A-C:常温加载阶段,B点处存在最小密封比压;C-D:温度升高引起密封比压波动;D-E:高温升压操作阶段。DE为保证操作状态下密封结构不发生泄漏，应当同时满足以下3点:a)最小密封比压B点不低于操作密封比压;b)预热完成后密封比压D点不低于操作密封比压;c)密封比压的增长斜率M不低于操