江苏省压力容器设计审核人员培训班
过程装备通用零部件
南京工业大学过程装备与控制工程研究所 董金善
压力容器（过程装备）零部件是容器不可缺少的组成部分。压力容器特定的操作条件不仅要求其主体必须满足设计要求，而且零部件也应符合结构、材料、性能等方面的要求。作为受压元件的零部件，如同壳体一样，应纳入质量管理与保证的监控范围。所以能否按照要求合理地选用各零部件，对压力容器的整体质量和确保安全使用有着十分重要的意义。
为了便于组织生产，降低成本，利于互换，我国各有关部门对压力容器零部件进行了标准化和系列化工作，并制定了国家标准和满足行业特点的行业标准。随着经济的发展和生产技术的不断提高曾多次修定，目前已日臻完善。
压力容器零部件种类很多，涉及面较广，但总体可以分为两类：
1通用零部件。如筒体、封头、法兰、支座、人孔与手孔、安全附件等。
2各种典型化工设备零部件。包括搅拌器、机械密封、填料密封、管板、塔盘等。
一、 筒体
1.1钢制焊接压力容器的筒体
按GB9019—1988《压力容器公称直径》，筒体用钢板卷制时，容器公称直径按表1-1规定，此公称直径指筒体的内径。
表1-1 压力容器公称直径 mm
300 1200 2600 350 1300 2800 400 1400 3000 450 1500 3200 500 1600 3400 550 1700 3600 600 1800 3800 650 1900 4000 700 2000 4200 750 2100 4400 800 2200 4600 900 2300 4800 1000 2400 5000 1100 2500 5200
1.2钢管作筒体
钢管作筒体的容器，公称直径按表1-2规定，此公称直径系指钢管的外径。
表1-2 mm 159 219 273 325 377 426
二、 封头
在中、低压压力容器中，与筒体焊接连接而不可拆的端部结构称为封头，与筒体以法兰等连接的可拆端部结构称为端盖。通常所说的封头则包含了封头和端盖两种连接形式在内。压力容器的封头或端盖，按其形状可以分为三类，即凸形封头、锥形封头和平板封头。凸形封头包括：半球形，椭圆形，碟形和球冠形.
其中平板封头在压力容器中除用做人孔及手孔的盖板以外，其他很少采用；凸形封头是压力容器中广泛采用的封头结构形式；锥形封头则只用于某些特殊用途的容器。
JB/T4746－2002《钢制压力容器用封头》
封头 EHA1000×10 JB/T4746－2002 内径为基准的椭圆形封头 封头 EHB273×6 JB/T4746－2002 外径为基准的椭圆形封头
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封头 DHA2400×20 JB/T4746－2002 r=0.15Di的碟形封头 封头 DHB2400×20 JB/T4746－2002 r=0.1Di的碟形封头
封头 CHA1000×8 JB/T4746－2002 α=30o的无折边锥形封头 封头 CHB1000×8 JB/T4746－2002 α=45o的无折边锥形封头 封头 CHC1000×8 JB/T4746－2002 α=60o的带折边锥形封头 封头PSH1000×8 JB/T4746－2002 球冠形封头
三、 法 兰
法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。缺点是不能快速拆卸、制造成本较高。
? 法兰分类
法兰分类主要有以下方法：
1按其被连接的部件分为管法兰和容器法兰。
2按法兰接触面的宽窄可分为窄面法兰和宽面法兰。
a宽面法兰是指垫片接触面分布于法兰螺栓中心圆内外两侧的法兰连接，一般用于压力很低场合。
b窄面法兰是指垫片接触面位于法兰螺栓孔包围的圆周内的法兰连接。
3按整体性程度分为整体法兰、松式法兰和任意式法兰。
a整体法兰：指法兰环、颈部及圆筒三者有效地连接成一整体的法兰，共同承受法兰力矩的作用。
b松式法兰：指法兰与圆筒未能有效地连接成一整体的法兰，计算中认为法兰力矩完全由法兰环本身来承担。典型松式法兰有活套法兰。
c任意式法兰：指整体性程度介于上述二者间的法兰。其圆筒与法兰环虽未形成一整体结构，但可作为一个接构元件，共同承受法兰力矩。
? 法兰连接设计
法兰连接设计分为三部分：垫片设计、螺栓设计和法兰设计。
a 垫片设计：应根据设计条件和使用介质，选定适当垫片种类、材质、并确定垫片尺寸（内径和外径），以此计算预紧和操作状态下压紧力。
b螺栓设计：在选用适当螺栓材料基础上，根据垫片所需压紧力分别计算螺栓面积，取大者作计算面积，实际螺栓面积应不小于计算面积。螺栓设计的关键是须确定一尽可能小螺栓中心圆直径，通过试算合适螺栓规格和数量进行。
c法兰设计。
垫片强制密封有两个条件：预紧密封条件和操作密封条件。法兰连接在形成预紧密封条件时，垫圈单位面积上的压紧力称为垫片的密封比压力，用y表示。垫片材料越硬，y越高。法兰连接在形成操作密封条件时，垫圈单位面积上的压紧力与其内压力的比值，称为垫片系数，用m表示。m 随垫片硬度增大而增大。
密封面主要根据工艺条件、密封口径以及垫片等进行选择。 形式有:
全平面（FF）、突面（RF）、凹凸面（MFM）、榫槽面（TG）及环连接面（或称梯型槽）（RJ）等；其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。
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图3-1 各密封面结构简介
突面法兰密封面具有结构简单，加工方便，且便于进行防腐衬里等的优点，由于这种密封面和垫片的接触面积较大，如预紧不当，垫片易被挤出密封面。也不宜压紧，密封性能较差，适用于压力不高的场合，一般使用在PN≤2.5MPa的压力下。
凹凸面法兰密封面相配的两个法兰结合面是一个凹面和一个凸面。安装时易于对中，能有效地防止垫片被挤出密封面，密封效果优于平面密封。
榫槽面法兰密封面相配的两个法兰结合面是一个榫面和一个槽面。密封面更窄。由于受槽面的阻挡，垫片不会被挤出压紧面，且少受介质的冲刷和腐蚀。安装时易于对中，垫片受力均匀，密封可靠，适用于易燃、易爆和有毒介质的运用。只是由于垫片很窄，更换时较为困难。
? 法兰强度校核（GB150-1998 P97）
1.轴向应力：
对整体法兰（除图9-1（c）、（g）外）：σH≤1.5［σ］ft与2.5［σ］nt小值。［σ］ft
是法兰材料在设计温度下的许用应力，［σ］nt是壳体或接管材料在设计温度下的许用应力。
对按整体法兰计算的任意法兰及图9-1（g）所示的整体法兰：σH≤1.5［σ］ft与1.5［σ］nt小值。
对图9-1（c）所示的整体法兰：σH≤1.5［σ］ft 2.环向应力：σT≤［σ］ft 3.径向应力：σR≤［σ］ft
4.组合应力：σH+σT≤2［σ］ft及σH+σR≤2［σ］ft
5.剪应力：在预紧和操作两种状态下的剪应分别小于或等于翻边（或圆筒）材料在常温和设计温度下许用应力的0.8倍。
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锥颈小端锥颈大端1HfhHRRTT1 h图3-2 f（一）、压力容器法兰
JB4701 ~4707-2000《压力容器法兰》 包括：法兰、垫片及等长双头螺柱等8个标准。其中法兰分三种：甲型平焊法兰、乙型平焊法兰及长颈法兰。
标准适用范围：公称压力0.25MPa至6.40 MPa ，工作温度-70℃至450℃的碳钢、低合金钢制压力容器法兰。
标准中甲、乙型法兰是以板材16MnR，工作温度为200℃时的最大允许工作压力为公称压力作基准；长颈法兰是以锻材16Mn，工作温度为200℃时的最大允许工作压力为公称压力作基准。在同一公称压力下，温度升高或降低，允许的工作压力可以相应地降低或提高；若温度不变而所选的材料不同，则允许的工作压力也不同。
(1) 甲、乙型法兰的比较
甲型法兰，特别是当与其相连接圆筒较薄时，由于在圆筒与法兰环焊缝上存在 很高的轴向应力σH，为降低其应力，通常可采取两种处理方法：（1）增加法兰厚度。由于法兰厚度对σH的作用并不明显，因此往往需要增加较大的法兰厚度才能使σH的满足要求。计算表明，此法效果不明显。（2）增加圆筒和焊缝厚度（此结构类似乙型法兰设计结构）。可明显降低σH值。
乙型法兰较甲型法兰有较大强度优势，乙型法兰的使用范围比甲型法兰扩大了许多。 (2)乙型法兰与长颈对焊法兰比较
乙型法兰由于直接加大了圆筒及锥颈的尺寸，对降低σH起着积极的作用，σH的最大值往往发生于锥颈的小端端面上。为有效地降低此起比控制作用的小端σH，更为直接的办法是拉开小端与大端距离，即加长锥颈的长度，使σH在锥颈上有较大的衰减，使σH满足许用应力要求。
对于平焊法兰来说，其锥颈长度取决于焊缝高度。由于焊缝高度是有限的，这就限制了较大地降低小端σH的可能。而锻制法兰可具有较大的锥颈，从而有效地降低其小端σH。
长颈法兰较乙型法兰有较大强度优势，长颈法兰的使用压力等级及尺寸范围比乙型法兰大。
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(3)锥颈及法兰环尺寸对法兰应力影响
锥颈及法兰环尺寸对法兰三项主要应力σH（轴向应力）（径向应力）（环向应、σR、σT
力）的影响关系较为复杂。增加锥颈尺寸，可以明显降低σH，σT↘（影响较小），σR↗。增加法兰环厚度，可以明显降低σR，σH↘（影响较小），对σT影响更小，且作用效果并不肯定。由此可见：法兰设计中σH过大或过小时，应调整锥颈尺寸；法兰设计中σR过大或过小时，应调整法兰环厚度尺寸；法兰设计中σT过大或过小时，应调整锥颈尺寸。
以上根据法兰不同应力的情况，分别调整“颈”和“环”的做法。 法兰设计优化原则：法兰设计应使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材料在各