第二章中低压容器的规则设计第四节法兰

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 设备的壳体可以采用铸造、锻造或焊接成一个整体，但大多数化工设备是做成可拆的几个部件，然后把它们连接起来。这一方面是设备的工艺操作需要开各种孔，并使之与工艺管道或其他附件相连接；另一方面也是为了便于设备制造、安装和检修。化工设备中的可拆连接应当满足下列基本要求：

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 • 能保证在操作温度和操作压力下的紧密不漏； • 有足够的强度，不因可拆连接的存在而削弱了整个结构的强度，并保证本身能抵抗所有外力的作用； • 能迅速地并多次装卸； • 成本低廉。可拆连接的型式很多，如螺纹连接、承插式连接、钎焊连接和法兰连接等。法兰连接的强度和紧密性比较好，装拆也较方便，因而在大多数场合比其他型式的可拆连接显得优越，从而获得了广泛的应用。

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 法兰连接由一对法兰、垫片和螺栓组成，借助螺栓把两部分设备连接在一起，并压紧垫片使连接处紧密不漏。在压力容器应力分析中，法兰具有特殊性，不仅法兰本身是一个承受外载荷的结构部件，而且法兰连同螺栓和垫片成为承受初始预紧力的装配结构(螺栓法兰连接系统)，它们的失效表现为泄漏，要解决法兰连接的问题，需要对整个系统的特性进行分析。法兰连接的基本问题是在各种操作条件下，设备内的介质不会通过法兰接头向外或向内(在真空或减压条件下)发生泄漏，即是法兰接头紧密性问题。

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 本节主要介绍法兰设计计算方法，包括以下两个基本问题： 1．法兰选用法兰选用主要包括法兰标准及其应用；法兰、垫片和螺栓的选用。 2．法兰设计 (1)密封设计按照操作条件，选取法兰型式、压紧面形状、垫片型式，计算在安装工况和操作工况下，螺栓必需的预紧载荷和操作载荷，以达到设计的密封要求。 (2)强度计算即初定法兰的结构尺寸，根据(1)计算得到螺栓载荷，对法兰进行上述两种工况下的受力分析和应力校核，以确定法兰的厚度等尺寸。

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 法兰的设计必须考虑两个不同的问题： • 法兰连接结构中的各个部件必须有足够的强度和刚度。 • 连接本身必须保证密封。结构强度的问题比较简单，但法兰连接的密封性远比强度复杂，更富有近似性和经验性。法兰的计算方法仍以弹性强度分析或塑性极限分析为基础，借控制法兰中的名义应力保证法兰的刚度和强度。

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 (一)法兰的类型和标准法兰可分为：松式法兰整体法兰任意式法兰

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 (一)法兰的类型和标准国家标准（GB91112～9131-88）《钢制管法兰》《管法兰》（HG5001～5028-58）《压力容器法兰标准》（JB1157～1164-82）

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 垫片断面的形式法兰压紧面的形式

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 垫片密封机理流体在垫片处的泄漏以两种形式出现，即“渗透泄漏”和“界面泄漏”，渗透泄漏是流体通过垫片材料本体毛细管的泄漏，故除了介质压力、温度、黏度、分子结构等流体状态性质外，主要与垫片的结构与材质有关。界面泄漏是流体从垫片与法兰接触界面泄漏，泄漏大小主要与界面间隙尺寸有关。螺栓载荷垫片反力流体静压力的轴向力作用在法兰环内外周边上的均布力W1组成的力偶

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 垫片密封机理预紧螺栓时，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上，使垫片发生弹性或塑性变形，以填满法兰压紧面上的不平间隙，从而阻止流体泄漏。初始压紧力的大小受垫片材料和结构形式以及压紧面加工粗糙度的影响。压紧力过小，垫片压不紧不能阻漏；压紧力过大，往往使垫片挤出或损坏。当设备操作时，由于内压升起，在容器或管道端部轴向力的作用下，螺栓被拉长，法兰压紧面趋向分开，垫片产生部分回弹，这时压紧面上压紧力下降，如果垫片与压紧面之间没有残留足够的压紧力，就不能封住流体，即密封失效。

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 垫片性能参数

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 y：垫片的比压力； m：垫片系数；法兰连接紧密不漏的两个条件： • 预紧时，螺栓力在压紧面与垫片之间建立起不低于y值的比压力。 • 工作时，螺栓力应能够抵抗内压作用，在垫片表面维持m倍内压的比压力。密封计算 1. 螺栓载荷计算预紧工况预紧工况：螺栓拉力Wa应等于压紧垫片所需的最小载荷。 Wa: 螺栓的最小预紧载荷，N；b：垫片有效密封宽度； DG：垫片平均直径，取垫片反作用力处的直径； y：垫片的比压力，MPa。

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 密封计算 1. 螺栓载荷计算注意：用以计算接触面积的垫片宽度不是垫片的实际宽度，而是它的一部分，称为密封基本宽度b0。，其大小与压紧面形状有关。在b0的宽度范围内单位压紧载荷y视作均匀分布。当垫圈较宽时，由于螺栓载荷和内压的作用使法兰发生偏转，因此垫片外侧比内侧压得紧一些，为此实际计算中垫片宽度要比b0小一些，称为有效密封宽度b。 b：垫片有效密封宽度； b0：基本密封宽度; 垫片平均直径

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 密封计算 1. 螺栓载荷计算

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 操作工况密封计算 1. 螺栓载荷计算在操作工况时，螺栓载荷W，应等于抵抗内压产生的轴向使法兰连接分开的载荷和维持密封垫片表面必需的压紧载荷之和，即：式中 Wp——操作工况下的螺栓载荷，N； m——垫片系数，无因次； pc——计算压力，MPa。等式右边后一项中，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计算压力m倍，故计算时m需乘以2。

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 密封计算 2. 螺栓尺寸与数目上述Wa和Wp是在两种不同工况下的螺栓载荷，确定螺栓截面尺寸时应分别求出两种工况下螺栓的总面积，择其大者为所需螺栓总截面积，以确定实际选用螺栓直径与个数。在预紧工况时，按常温计算，由强度条件得： [s]b——常温下螺栓材料的许用应力，MPa。预紧工况在操作工况时，按螺栓设计温度计算，则为：操作工况 [s]bt——设计温度下螺栓材料的许用应力，MPa。螺栓所需的总截面积Am取上述两种工况下较大值。在选定螺栓数目n后，即可按下式得到螺栓直径dB：

密封计算 3．螺栓设计载荷 法兰设计中需要确定螺栓设计载荷。在预紧工况，由于实际的螺栓尺寸可能大于上述计算值，在拧紧螺栓时有可能造成实际螺栓载荷超出式所给出的数值，所以确定预紧工况螺栓设计载荷时，螺栓总截面积取Am与实际选用的螺栓总截面积Ab的算术平均值。即而操作工况螺栓设计载荷仍按式计算，即W＝Wp。第二章中低压容器的规则设计第四节法兰预紧工况操作工况

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 法兰的强度计算 Waters法的假设： • 所有组成法兰接头的部件的材料是均匀的，在设计载荷条件下保持弹性； • 所有施加于法兰上的载荷(螺栓载荷W，垫片反力P3和流体静压力的轴向力归结为一对作用在法兰环内外周边上的均布的力偶； • 忽略螺栓的影响，假设问题是轴对称的； • 不计螺栓孔的影响； • 假设壳体和锥颈为薄壳结构； • 壳体理论分析中，以法兰和锥颈的内孔表面为中性面； • 当法兰环挠曲时，壳体与锥颈大端(下图中A点)的径向位移为零； • 法兰环中面因所施加的力偶而引起的伸长可忽略不计； • 内压以及由内压引起的各部分相邻边缘处产生的应力与法兰环力偶产生的弯曲应力相比，可忽略不计； • 法兰的位移很小，叠加原理可以应用。

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 轴向弯曲应力按照上述解法，十分繁琐，难以使用，所以Waters分析了法兰中的应力后，确定控制法兰强度的三个主要应力为： • 法兰环内圆柱面上与锥颈连接处的最大径向应力， • 切向应力， • 及锥颈两端外表面的轴向弯曲应力。 • 当斜度较大时，出现在小端，反之位于大端。 sz sz st 经过一系列推演与简化，给出了一组曲线，以便利用这些图表决定最大法兰应力。

P1 P2 P3 第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 2. 法兰设计方法 1. 法兰力矩的计算：法兰的外力矩是由如下作用于法兰的外力产生： (1)内压作用在内径截面上的轴向力P1 式中：pc——计算内压，MPa； Di——法兰内直径，mm。 (2)内压作用在法兰端面上的轴向力P2：式中，DG——垫片反力作用位置的直径，mm。 (3)垫片反力P3，等于螺栓设计载荷与内压产生的总轴向力之差，即式中，w取预紧或操作时的螺栓总载荷。

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 这些力的作用位置不同，其力臂视整体法兰和活套法兰、松式法兰取法不同。对于整体法兰或按整体法兰计算的任意式法兰：

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 对于除活套法兰外的松式法兰或按松式法兰计算的任意式法兰：

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 于是，法兰力矩为：计算法兰应力时，取以下两者中较大值为计算外力矩：式中，[s]f[s]ft——分别为常温和设计温度下的许用应力，MPa。

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 f：法兰颈部应力校准系数 M：法兰计算力矩N·mm (2)法兰应力的计算： (i) 锥颈上与法兰连接处的轴向弯曲应力： e ：系数 (ii) 法兰环上的径向应力： λ：系数 (iii) 法兰环上的切向应力： d1：系数 T，U，Y，Z ：无因次系数，查图2-55 各个符号的含义见书上p91。 F，V ：无因次系数，查图2-53，54

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 (2)法兰应力的计算： M：法兰的计算力矩； f：法兰颈部应力校准系数，即法兰颈部小端应力与大端应力之比，f>1，表示最大轴向应力在小端； f<1表示最大轴向应力在大端。取f =1，不需对f 进行修正。 p91 轴向弯曲应力

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 (3)法兰的强度校核： F值 V值 p92

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 (3)法兰的强度校核：从上述法兰的应力分析中可知，三个方向的应力计算公式中都包含与法兰几何尺寸有关的参数，因此除直接采用标准法兰外，对非标法兰的设计实质是强度核算，即先要确定法兰的结构尺寸和法兰环的厚度，决定其螺栓载荷和法兰力矩，然后计算出法兰中的最大应力，使之满足各项强度条件。如不满足，则适当调整包括法兰环厚度在内的其他结构尺寸(如圆筒厚度或锥颈厚度、斜率和高度等)或更换垫片型式、材料等，直至满足要求为止。同时满足下列条件： p92

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 GB150的法兰计算表 p92

第二章中低压容器的规则设计第四节法兰 本节完谢谢大家！

第二章 中低压容器的规则设计 第四节 法兰