3.2法兰的设计

3.2法兰的设计法兰连接是化工容器、管通常用的一种可拆连接型式。本节从如何满足法兰连接密封的可靠性、足够的强度等出发，简要介绍垫片、螺栓及法兰本体的设计等问题。3.2.1基本要求1、正确理解法兰连接的密封原理，了解影响密封的因素。2、掌握垫片材料类型及垫片的选择，并理解垫片性能参数的物理意义。3、掌握螺栓载荷的计算及螺栓的设计问题。4、了解法兰的结构及其特点，并能使用法兰标准正确选用法兰。5、掌握非标准法兰结构尺寸的确定和强度计算方法。3.2.2内容提要1、法兰连接通过紧固螺栓压紧垫片实现密封。法兰密封的泄漏形式包括渗透泄漏和界面泄漏。当法兰通过螺栓压紧垫片时，使垫片发生变形，并提供垫片与密封面的压紧力，以形成压力介质通过密封面的阻力，当这种阻力大于密封元件两侧的介质压力差时，介质即被密封住。垫片性能、螺栓力大小、密封面型式及尺寸精度、法兰刚度及操作条件等均影响密封的可靠性。2、法兰连接设计中首先面临垫片选择。垫片是法兰密封中的主要元件，为形成密封，主要要求垫片具有适宜的变形和回弹能力。垫片按材料分为非金属垫、金属垫和组合垫三种。由于法兰密封面有平面、凹凸面、榫槽面、梯形槽等，因此与不同密封面相匹配的垫片结构也不完全相同。设计时主要根据介质的特性、温度、压力，确定垫片的材料、结构型式及尺寸。预紧密封比压y和垫片系数m是表征垫片特征的两个主要参数。预紧密封比压y是指预紧时迫使垫片变形与密封面接触以形成初始密封条件，垫片上所必须的单位面积上的最小压紧载荷。垫片系数m是指操作时达到密封不漏，垫片上所必须维持的工作密封比压8与介质压力p的比值。y、m的大小与垫片材料、结构等因素有关。设计时，由y、m确定垫片在预紧和操作状态下的压紧力大小。3、在法兰连接结构中，连接螺栓提供压紧力。螺栓力既要保证预紧和操作时密封不漏，又要不致把垫片压坏。计算螺栓预紧和操作状态所需最小载荷和螺栓最小截面积如表3-2所示。设计所需螺栓面积Am取Aa与Ap之大值，并按下式计算螺栓的根径。mmnAdm41（3-7）为满足法兰环刚度和安装等要求，设计时必须合理调配螺栓的大小和个数，并要求实际螺栓面积Ab≥Am。由法兰环的刚度要求螺栓的最大间距为：mmmtdSB)5.0(62max（3-8）4、法兰按法兰环、锥颈和筒体的整体程度分为松式法兰、整体法兰和任意式法兰。松式法兰被认为法半未能有效地地与筒体连接成一整体，筒体不与法兰共同承受法兰力矩的作用；如果法兰环、颈部和筒体三者能有效地连成一整体，共同承受法兰力矩的作用，则为整体法兰；其受力的整体性程度介于以上二者之间的法兰为任意式法兰。法兰标准有压力容器法兰标准（JB4700—4707—92）和钢制管法兰标准（HGJ44-76—91）。前者将法兰分为平焊（包括甲型和乙型）和对焊法兰，后者则分为平焊、对焊、承插焊、平焊环松套板式等法兰。使用法兰标准时，按不同公称直么（DN）和公称压力（PN）选择。应当指出，由于标准法兰的PN是一定的法兰材料和温度下的最大工作压力，例如，压力容器法兰的PN是按材料16MnR或16Mn在200℃条件下确定的。因此选择标准法兰时，应注意法兰材料和温度对法兰PN与最大工作压力的对应关系。5、法兰设计方法很多，其中应用较多的是Waters法，它是以弹性应力分析为基础的设计方法。分析过程是将带颈整体法兰分为壳体、锥颈和法兰环三部分，然后利用薄壳理论和平板理论对三部分进行应力分析，并经简化得设计公式。非标准法兰从设计角度分为整体法兰和活套法兰，其受力如图3-1所示。（1）法兰载荷计算（表3-3）。（2）法兰应力计算如表3-4所示。法兰的最大轴向弯曲应力总发生在颈的大端或小端处；法兰环的最大径向应力由径向弯曲应力和径向正应力两部分组成，并位于环内缘面与锥颈的连接点处；法兰环的最大环向应力由弯曲应力和正应力两部分组成，位于内缘面靠近垫片密封面处，而表中σt为环内缘面与锥颈的连接点处的应力。对于活套法兰及平焊法兰，还应按预紧和操作两种工况计算剪应力，即AWAAWppba/][2AAbm（3-9）式中，Aτ为剪切面积。（3）应力校核tnnarztfttfz][8.0][8.0][)0.5()(5.0][][]2.5[][5.1ptftztftn及及之小值与（3-10）颈部的轴向弯曲应力σz按极限载荷设计法，取1.5[tf]与2.5[tn]的小值作为它的最大允许应力。法兰的σr、σt则按制在材料的弹性范围内。为避免法兰环材料部分屈服，故应对锥颈和法兰环的应力平均值加以限制。当不满足应力校核条件时，需调整法兰锥颈或法兰环的尺寸，使应力校核条件满足。法兰的剪应力应分别小于或等于翻边或筒体材料在常温和设计温度下许用应力的0.8倍。3.2.3复习思考题1、法兰垫片密封的原理是什么？影响密封的因素有哪些？2、法兰垫片密封面型式有哪些？各有何特点？3、垫片按其材料分为几类？各类的特点和大致适用范围如何？4、垫片的性能参数有哪些？它们各自的物理意义是什么？5、法兰的型式有哪些？各有何特点？6、法兰标准有何意义？标准化的基本参数有哪些？选择标准法兰时，按哪些因素确定法兰的公称压力PN？7、螺栓设计时，对螺栓大小和个数的调配由哪些因素确定？8、在法兰应力计算中，为什么要对平均应力进行校核？9、进行非标准活套法兰设计时，可调整什么尺寸以降落法兰的应力？10、如果长颈对焊法兰的应力校核不满足要求时，可调整法兰的哪些尺寸来降低法兰的应力。3.2.4例题例3-5设计一受压容器连接用的容器法兰。已知：圆筒DN=800mm，设计压力p=0.8Mpa，设计温度T=250℃，筒体名义厚度tn=6mm，圆筒材料Q235-A，腐蚀裕量C2=1.5mm。[解]根据设计条件，本设计采用平焊法兰结构型式。由于tc=tn—C2=4.5mm15mm，Di/tc=800/4.5=178300，p=0.8Mpa2Mpa，操作温度小于370℃，故可按活套法兰进行简化设计。1、垫片设计（1）垫片材料、密封面型式根据设计条件，参照JB4700采用石棉橡胶板垫片。采用平密封面。（2）垫片参数由GB150或教材表2-9查得，y=11Mpa,m=2。（3）垫片尺寸参照JB4704《非金属软垫片》标准，取垫片厚度δg=3mm，垫片外径D3=844mm，内径D2=804mm。（4）垫片宽度垫片实际宽度N=mmDD20223垫片基本密封宽度mm4.61022020mmNb垫片有效密封宽度mm81053.2b2.53b0（5）垫片压紧力作用中心圆直径Dc=垫片接触面外径―2b=844―2×8=828mm（6）垫片宽度校核mmyDANGb45.131182828.6117657428.6][bmin因N=20mmNmin，故满足要求。2、螺栓设计（1）螺栓载荷a.预紧状态时需要的最小载荷NbyDWG22879311882814.3ab.操作时需要的最小载荷bmpDpDWGGp242=0.785×8282×0.8+6.28×828×8×2×0.8=497105N（2）螺栓材料及许用应力参照JB4700—92，选用螺栓材料35钢，其许用应力为a82][117][tbMPMPab，（3）螺栓面积预紧时2a1956117228793][mmWAba操作时2p606282497105][mmWAtbp需要的螺栓面积Am取上述两者中的大值，Am=6062mm2（4）螺栓配置参照JB4701《甲型平焊法兰》，取螺栓M20，螺栓根径d1=17.294mmb.螺栓数量及总截面积螺栓数量个8.25294.1714.3606244An221md按4的倍数圆整为28个。螺栓总截面积2221b65744294.1714.3284nAmmdc.螺栓中心圆直径法兰背面的径向结构要求Db1≥DN+mmSg867242)86(2800221式中1g按JB4701—92确定：S由GB150得S=0.8S=0.8×30=24mm。密封面径向结构要求Db2≥D3+2△+d+848+2×3+23=873mm式中d——螺栓孔直径，d=23mm。螺栓孔环向结构要求mmSnDb41014.346283式中S由GB150查得，S=46mm。实际螺栓中心圆直径取Db=880mm（5）螺栓设计载荷预紧状态NAWb739206117265746062][2Abm操作状态W=Wp=497105N3、法兰设计（1）法兰材料及许用应力法兰材料选用16MnR（板材），许用应力为：MPaMPaf132][157][tf，（2）法兰力矩NpDP4140688.0812785.0422i1NpDP164798.0)812828(785.0)D(4222i2G266558N0.8288286.28bmp23GDPmmDDlib5.38281288021mmlll25.322265.382312mmDDlGb26282888023操作时法兰力矩Mp=P1l1＋P2l2+P3l3=414068×38.5+16479×32.25+66558×26=18203574N·mm预紧时法兰力矩Ma=Wl3=739206×26=19219356N·mm法兰设计力矩161589415713219219356][][mmN?18203574MpttfaM取大值M=18203574N·mm（3）形状系数法兰外径D=Db+2Se=880+2×20=920mm式中Se由GB150得，Se=20mm133.1812920iDDK由GB150或教材图2-57查得Y=15.57（4）法兰厚度mm42.518121321820357457.15][YMttfiD取t=52mm。（5）剪应力校核a.剪切面积2i22947mm98123.14lDA式中l按JB4701—92《甲型平焊法兰》确定，l=9mmb.剪应力预紧状态下的剪应力MPaAWa2.3222974739206操作状态的剪应力MPaAWpp64.2122974497105c.剪应力校核MPaMPapa2.75948.0]0.8[64.214.901138.0]0.8[2.32tnn满足要求。（6）法兰刚度要求为满足法兰刚度要求，螺栓最大间距)5.0(62mtdSB，本设计中mm69.982888014.3nDSb则满足法兰刚度要求所需的最小法兰厚度为：mm5.246)5.02)(20269.98(6)5.0)(2(tminmdSB因mintt，故本法兰设计厚度t=52mm。例3-6设计一容器用的平焊法兰。已知容器公称直径DN=800mm，设计压力p=3Mpa，设计温度T=300℃，筒体材料16MnR，筒体名义厚度tn=14mm，腐蚀裕量C2=2mm。[解]根据设计条件，采用设置法兰圆筒短节的乙型平焊法兰型式，取短节厚度)16g(22g00mmmm，伸出法兰环部分长度l=125mm)g5.0(l0DN。1、垫片设计（1）垫片材料、密封面型式根据设计条件，采用带内加强环的不锈钢缠绕垫片，密封面用凹凸面。（2）垫片参数m=3，y=69（3）垫片尺寸参照JB4705《缠绕垫片》，取垫片外径D3=865mm，内径D2=825mm，垫片厚度g=4.5mm。（4）垫片尺寸垫片实际宽度：mm2028258652D-DN23垫片基本密封宽度mmmmg4.625.1125.4182b0垫片有效密封宽度mm5.825.1153.2b2.53b0（5）垫片压紧力作用中心圆直径DG=垫片接触面外径－2