压力容器法兰的合理设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

法兰通过紧固螺栓压紧垫片实现密封 ，属于强制密封。华特斯在其论文中指出： 法兰设计”实际上包括垫片设计，螺栓设计和法兰设计三部分，并且依次进行，任何-步设计失利都会直接影响以后步骤的进行，设计结果将相差甚远。法兰的合理设计应从垫片设计开始。

1垫片设计垫片是构成密封的重要元件，是螺栓法兰连接设计的基矗密封效果好坏主要撒于垫片的密封性能。因工件介质、压力和温度的不同，影响选择垫片的因素很多。而垫片材料的选择和垫片宽度均是影响螺栓法兰联接设计结果的重要因素。为此需对垫片设计进行分析。

1.1垫片比压力垫片比压力与强制密封的预密封条件相联系。为消除法兰密封面与垫片接触表面间的缝隙，保证垫片表面嵌入法兰密封面的沟槽中去，以消除泄漏通道，在垫片上必须施加足够大的预紧力，这种为建立预密封条件，需作用在单位垫片密封面积上的最小压紧力称为垫片比压力，用v表示，单位MPa。由此可得垫片在预紧时所需的最小压紧力为Fa3.14Doby1.2垫片系数垫片系数与强制密封的操作密封条件相联系。垫片在内压作用下保持密封的条件是：介质在通过密封面时所产生的阻力大于介质压力与大气压力的压差形成的推动力。显然阻力与垫片和法兰密封面间的密封力相关。为保证介质不发生泄漏，需作用在单位垫片有效密封面积上的最小压紧力与介质压力的比值，称垫片系数，用m表示。材料愈硬，硬度愈高，其m值愈大。

由于m系由试验所得，鉴于试验基准修正，m值需乘以修正系数2，故单位压紧面积上的压紧力为2mp。由此可得垫片在操作状态下的最小压紧力为：Fp6.28Dobmp。

1.3垫片宽度从以上两个垫片载荷计算式可以看出，它们都与垫片有效计算宽度b有关。显然b愈小 (即垫片宽度愈小)，Fa、Fp也愈小，对减少垫片载荷有利。然而垫片的宽度还受到垫片预紧时的 压碎强度”的限制。垫片在预紧时应是既被压紧以保证垫片表面能嵌入法兰密封面中，建立起预密封条件；而又不能过度压紧，使垫片失去弹性而进入塑性状态。因法兰在加压以后，密封面必然要产生或多或少的分离，如果垫片在预紧状态下已经进入塑性状态，丧失回弹性，则随着法兰面的分离不是出现间隙就是保持不了足够大的压紧力，从而导致泄漏发生。

为保证垫片在弹性状态下工作，在预紧时单位密封面积上的压紧力应该控制在4y左右。因此正常垫片 单位面积”的预紧力应在Y～4y之间。

控制垫片单位面积上的预紧力小于4y的措施是使垫片具有足够的宽度。

- - - - - - 。 。 。 。

作者简介：张焱 (1978-)，女，辽宁人，本科，工程师·从事压力容器设计、制造工作。

较硬、强度较高的垫片材料，虽然其m和Y都较大，会造成较大的Fa、Fp，然而 由于其 压碎强度”亦高，则可采用较小的垫片宽度，从而最终获得不太大的垫片载荷，达到设计的经济性。

但在给定的设计条件 (压力、直径)下，采用何种垫片并使用多大的宽度是-个需要计算比较的问题，并非可以简单决定。

2螺栓设计螺栓设计与垫片压紧力相对应，分别以预紧和操作两种工况进行计算。垫片材质、形式和尺寸确定后，垫片在预紧和操作情况下所需要的压紧载荷便可求出，这种压紧力由螺栓提供，由此可相应的确定所需要的螺栓面积。

在预紧状态下所需的螺栓面积为Aa，在操作状态下所需的螺栓面积为Ap。

通常情况下，实际配置的螺栓总根径截面积Ab应稍大于Aa和Ap之大者，其大值称为螺栓计算面积，以Am表示。

整个螺栓组设计的核心是使螺栓中心圆直径具有最紧凑的尺寸。因为螺栓中心圆直径的大小直接影响到法兰力矩中各个分力矩的力臂的大小，为了使法兰设计力矩能控制在旧能小的数值，限制旧能小的螺栓中心圆直径成为问题的关键。

合适的螺栓设计应 围绕 最小螺栓 中心圆直径”进行。为此应分析螺栓中心圆直径受何控制，又应如何确定的问题。

根据结构要求，螺栓中心圆直径 (以Db表示)受三方面的限制：2.1沿法兰密封面的径向结构要求，见图1。

DDgo2Ad式中：Dgo.垫片外径；A-垫片外径与螺孔内缘间距，随不同密封面形式及法兰直径而异；d-螺孔直径，-般比螺栓直径大2～3mm。

D 与螺孔直径d有关，随所选螺栓直径 (d )的增大而增大。

图1最小螺栓中心圆直径的确定Db三Di2gl2R式中：gl-法兰大端厚度；R.为保证扳手上紧螺栓所需要的最卸向空间距离，此值随所选螺栓直径的增大而增大； D 随所选螺栓直径 (db)的增大而增大。

为保证扳手上紧螺栓所需要的每两个相邻螺栓的最袖距为 6 min，当所选的螺栓个数为n，其所要求的最小螺栓中心圆直径Db必须满足：D 6min·n/式中：6 min-螺栓最袖距。

D 随所选螺栓直径增大因6 min值增加而有所增大。但由于随d 增大，每个螺栓的根径截面积fb与db成二次方增大，为此造成螺栓个数nAm/fb。

-J4- -论文广场 石油和化工设备 2013年第16卷快下降，最终使D 随db增大而减小，呈-种单调减小的变化趋势。

综上所述，螺栓中心圆直径D 应取上述三者之大值。但当所选用的螺栓直径(Ib过小时，往往由于为满足2.3条的要求造成D 很大；而当所选d 过大时，为满足2.1条和2.2条的要求，同样导致大的D 。只有当上述三条要求的D 相接近时，才具有最小的螺栓中心圆直径，这就是所谓的最适宜的螺栓配置设计。

以上所述的垫片设计和螺栓设计两个步骤对应地确定了法兰计算力矩的两个方面：即垫片设计确定了法兰力矩中 力”的大小，而螺栓设计由于确定了螺栓中心圆直径D ，因此也就确定了法兰力矩的力臂的大校适宜的垫片设计和螺栓设计的目的是控制尽可能小的法兰力矩。

3法兰设计图2是-组在同-法兰力矩值作用下，均恰好满足设计要求五项强度条件的七个法兰设计结果。

图2同-法兰力矩值作用下的七个法兰设计结果图2左端法兰为小锥颈大板厚结构，右端法兰为大锥颈绣厚结构。因为法兰力矩是由锥颈、简体和法兰环共同承载的，所以采用较小的锥颈势必要求较大的法兰环厚度。由此形成图2中法兰厚度 自右至左随锥颈变小而逐渐加大的分布情况。

大量计算表明：上述各种结构比例的设计结果中，只有图2中间位置 (有剖面线图)的情况下，法兰才具有较小的重量和紧凑的体积，法兰材料的强度得到较充分的利用，各项机械性能得到充分发挥。具体分析如下：(1)对于图2中最左端的法兰，因锥颈很小，接近活套法兰，该法兰在法兰力矩作用下，法兰环偏转得不到有效的抑制，法兰环产生较大的偏转，在法兰中引起较大的环向应力。同时，法兰的径向应力却极校因此该法兰只在环向存在应力，即材料的强度只在环向发挥了作用，径向性能未能得到利用。故整个法兰环的受力相当于仅承受环向弯曲的梁。

(2)对于图2右端的大锥颈法兰，由于存在较大的锥颈，对法兰环的偏转能起到很大的抑制作用，致使法兰环在法兰力矩作用下偏转很小，于是法兰环的环向弯曲应力极小，与此同时，法兰环的径向却产生很大的弯曲应力。法兰环沿径向宽度方向相当于-悬臂梁。由于这种法兰只在径向存在较大的应力，使材料的径向强度性能得到发挥，但其环向性能未得到利用。这种结构比例的法兰环的受力相当于仅承受径向弯曲的梁。

(3)对于图2中间位置的法兰，由于结构比例得当，由计算可知：其不仅存在环向应力，而且也存在径向应力，整个法兰环的受力相当于板”的承载形式 (两向受弯曲)，为此其材料利用率比梁承载形式的活套法兰和大锥颈法兰要高得多，且其锥颈的应力也接近满应力 (即许用应力)状态，因此其设计结果为较小的体积和重量 。

因此应尽量将结构设计成使材料在各个方向都能发挥强度性能，并且使其应力趋于许用应力的状态，这种设计思路，称满应力设计准则。也是法兰本体设计的关键所在。

4法兰合理设计由以上各节分析得出，法兰连接的合理设计有三个关键环节：(1)在垫片设计时，应控制旧能小的垫片载荷；(2)在螺栓配置设计中，应控制旧能小的螺栓中心圆直径，从而使它们构成旧能小的法兰力矩，即所谓 最小载荷准则”。

(3)在以上基础上，将法兰的锥颈和法兰环第4期 张焱等 压力容器法兰的合理设计 -J -比例设计得当，使它们能够充分发挥各项强度性能，即趋于满应力状态，遵循 满应力准则”。

由于影响法兰设计的因素很多，它是1 1个设计变量的优化设计问题 (如垫片材料、垫片直径、垫片宽度，螺栓材料、螺栓规格、螺栓数量、螺栓中心圆直径、法兰厚度)，且这些因素互相影响，是个比较复杂的问题。

5法兰的合理设计准则及对策(1)在 设计 垫 片 时 ，应 考 虑 使垫 片 的预紧载荷Fa与操作载荷状态下 的总轴 向载荷(FpO.785DG2p)相接近。如出现Fa>>(Fp十0.785DJp)，表明垫片过硬，预紧力太大，则应改严软的垫片 (y较小)，以使Fa下降，达到减小垫片压紧载荷的目的。如出现相反的情况，则应改严硬的垫片，并适当减小垫片的宽度，以降低垫片操作压紧载荷。

(2)在设计螺栓时，应使螺栓预紧面积Aa与操作面积Ap相接近。出现Aa>>Ap时 (往往发生在设计温度较高情况下)，则应改选在设计温度下具有较高许用应力的螺栓材料，减d，Aa，达到减小螺栓面积使螺栓设计趋于紧凑的目的。

(3)在螺栓配置设计 (确定螺栓规格、数量及螺栓中心圆直径)中，应控制螺栓中心圆直径按两个方向的设计值相接近。如果出现按环向计算的D >>按径向计算的D ，则应改严大的螺栓直径，反之亦然。

(4)在法兰力矩计算中应控制法兰的预紧力矩Ma[O]f /[o]屿 法兰的操作力矩Mp相接近。如出现Ma[o]fI/[0]f>>Mp，则应旧能增大垫片直径 (宽度不变)，使法兰预紧力矩的力臂S。减小，从而达到减d'Ma以降低法兰力矩M的目的 (法兰力矩取Ma[0]f /[0]f-Mp之大值)。

在法兰应力计算中，应使各项应力分别与相应的许用应力相接近，即趋于满应力状态。

本文仅对法兰设计中的几个问题进行了归纳总结。法兰的优化设计是-个复杂的问题，诸多影响因素有待于进-步分析。