压力容器设计(5)

南京工业大学 备课笔记 21

碟形封头中r=0时，即为球冠形封头。 优：结构简单，制造方便

常用于容器隔开二独立受压空间的中间封头。

4.3.3.2锥壳 Conical Shell

分为无折边和折边 P151图4－18 缺：几何形状不连续，应力分布较差

优：有利于物料排放和分散，用于中、低压容器。 结构设计：

大端半顶角??30°可采用无折边

?>30°采用带过渡段的折边结构

r?10%Di r?3?

小端 ??45°可采用无折边

?>45°采用带过渡段的折边结构

小端 rs?5%Di rs?3? 当?>60°，厚度按平盖计算： （1）受内压无折边锥壳

a.锥壳厚度

最大薄膜应力为锥壳大端的周向应力 即???PD

2?Cos?D：圆筒平均直径

由最大拉应力准则，且D?Dc??e?Cos? 所以?e?1 （4－51） t2?????PcCos??PcDcDc：锥壳计算内直径（大端）

?c：锥壳计算厚度 b.锥壳大端

大端与圆筒连接处，曲率半径突变，过接处产生显著边缘应力，根据需要决定是否设加强（增加厚度）

南京工业大学 备课笔记 22

见图4－19，由

Pc

????

t

与?的交点决定。曲线上方，无需加强。曲线下方需

Q?PcDi2?????PCt增加厚度，即设置加强段，加强段厚度为?r?Di：大端内直径

Q：应力增值系数，由图4－20查P153

（4－52）

加强段在锥壳圆筒段的长度有相应规定，小端厚度与大端类似。 （2）受内压折边锥壳

锥壳厚度仍按（4－51） a.锥壳大端

厚度接下二式中取较大值

??KPcDi2?????0.5Pct （4－53） 查表4－6

K：系数，根据?,rDi??fPcDi?????0.5Pct （4－54）

1?f：系数f?2r?1?Cos??Di由表4－7查 2Cos?r：大端过渡段转角半径 b.锥壳小端 分两种情况

??45°若无折边，则按无折边小端计算公式 ??45°若有折边，厚度另行计算，参照文献

（3）受外压锥壳

??60°按等效圆筒，??60°按平盖计算

4.3.3.3平盖 Flat Head

由于实际支承情况，介于简支与固支之间，工程计算，以圆平板理论为基础，通过系数K来反映支承情况。

平盖与筒体常见连接形式见表4－8

南京工业大学 备课笔记 23

（1）圆形平盖厚度

?D?最大应力?max??KP?? （4－55）

???引入焊接接头系数?： 所以?p?DcKPc2???t? （4－56）

K：结构特征系数，表4－8 Dc：平盖计算直径，见表4－8简图 （2）非圆形平盖厚度

根据表4－8中，不同连接形式，取不同公式

4.3.3.4锻制平封头 Forged flat head

图4－21，厚度为

?p?Dc0.27Pc???t?? （4－59）

Dc??2di Dc? ：开孔削弱系数???di:Dc（内直径）范围内沿直径断面开孔内径总和最大值。

4.3.4密封装置设计 Sealing Device

压力容器，管道的连接形式 ①不可拆：焊，铆。

②可拆：从制造，工艺安装，运输，维修等各面考虑。

形式有：法兰连接，螺纹连接，承插式连接

螺栓法兰结构 P157 图4－22

由联接件（螺栓、母），被联接件（法兰），密封件（垫片）组成。 螺栓法兰连接的基本要求： 1.密封可靠

尤其在操作压力及温度有波动时，介质有腐蚀性的情况下，仍保证紧密不漏。 2.足够的强度和刚度：不削弱整体结构强，也不产生过大变形转角 3.装拆方便：可多次重复使用

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本节内容：

密封原理，影响密封因素，密封结构分类及选用，密封结构强度计算。

4.3.4.1密封机理及分类 Principle and Classification

（1）密封机理 Sealing mechanism

下面以螺栓法兰结构，说明密封机理 结构简图如右；

如将压紧面与垫片的表面放大， 可看到二个面都是凹凸不平。 a.流体在密封口的泄漏途径 ①通过垫片本身泄漏——渗透泄漏

通过材料本体毛细管的泄漏。因素：介质压力，温度，粘度，垫片结构。 ②通过压紧面泄漏——界面泄漏 因素：界面的间隙

b.密封机理

压力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，而这种阻力的增加是依靠增大密封面上的密封比压来实现的。

密封比压：保证密封性而在垫片上必须施加的压应力。

c.保证密封的措施 ensure ①预紧时

螺栓力通力压紧面作用到垫片上，当垫片的单位面积上所受压紧力达到某一值时，使垫片压实，形成的始密封条件，压紧力过小，垫片压不紧，不能阻止泄漏，压紧力过大，使垫片压出或损坏。

②操作时

有了压力，螺栓伸长，法兰分开，但垫片具有足够回弹能力，依靠回弹量来补偿螺栓的伸长和压紧面的分离，从而保证良好的密封。

d.垫片的性能参数 Performance parameters of gasket ①垫片比压力 y,MPa

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预紧时，使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件。此时垫片的单位接触面积上的最小压紧力。

②垫片系数 m无因次

操作密封比压与介质压力之比称垫片系数。操作密封比压指操作状态下，保证法兰的密封性能而必须施加在垫片上的压应力。

常用垫片的垫片比压力y和垫片系数m是P160，表4－9。

从表中可以看出y,m的值与垫片的材料，结构厚度有关。但据研究还应与垫片尺寸，介质性质、压力、温度，压紧面粗糙度有关。 （2）密封分类 Sealing classification

根据获得密封比压力的方法之不同，压力容器密封可分为：强制式和自紧式两种。

强制式密封，完全依靠过接件的作用力，强行挤压密封元件达到密封。需较大预紧力，约为工作压力产生的轴向力的1.1～1.6倍。

自紧式密封：主要依靠容器内部的介质压力压紧元件实现密封。 所需预紧力较小，约工作压力产生轴向力的20%以下。 自紧式又可分为：

轴向自紧密封：密封元件的轴向刚度小于被连接件的轴向刚度。 径向自紧密封：密封元件的径向刚度小于被连接件的径向刚度。

半自紧密封，密封结构按分类原则属于非自紧式的强制式密封，又具有一定的自紧性能，如：高压容器中的双锥密封结构。

4.3.4.2影响密封性能的主要因素 Main Factors

以螺栓法兰连接结构为例，说明影响因素。 （1）螺栓预紧力

适当提高螺栓预紧力可增加垫片密封能力（可使垫片保留较大的接触面比压力），此外，可通过减小螺栓直径，增加螺栓数量，使预紧力尽可能均匀地作用在垫片上，来提高密封性能。 （2）垫片性能

变形能力大，使垫片易填满压紧面上间隙，回弹能力大，能适应操作压力和温度的波动，能适应介质的压力，温度和腐蚀性。

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