長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭設(shè)計(jì)問(wèn)題探討

姜鳳銀，杜付軍

(惠生工程(中國(guó))有限公司河南化工設(shè)計(jì)院分公司，河南鄭州 450018)

長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭設(shè)計(jì)問(wèn)題探討

姜鳳銀，杜付軍

(惠生工程(中國(guó))有限公司河南化工設(shè)計(jì)院分公司，河南鄭州 450018)

設(shè)備法蘭是壓力容器不可或缺的連接部件，設(shè)備法蘭的合理設(shè)計(jì)不僅可以提高設(shè)備的安全性能，而且可以降低其制造成本。長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭是最常用的設(shè)備法蘭型式。本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭選用時(shí)易被忽略的問(wèn)題作簡(jiǎn)單探討，并給出建議性意見(jiàn);之后通過(guò)實(shí)例計(jì)算，研究了法蘭強(qiáng)度尺寸對(duì)法蘭三項(xiàng)應(yīng)力值的影響。

長(zhǎng)頸法蘭;錐頸高度;小端厚度;三項(xiàng)應(yīng)力

0 引言

在壓力容器設(shè)計(jì)中，法蘭設(shè)計(jì)是極其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。一般情況下，我們按照法蘭的使用條件和結(jié)構(gòu)型式來(lái)選擇標(biāo)準(zhǔn)法蘭。GB150-2011《壓力容器》［1］第7章法蘭計(jì)算中的第7.1.1條規(guī)定“當(dāng)選用JB/T 4700～4707(NB/T47020～47027-2012)標(biāo)準(zhǔn)［2］時(shí)，可免除本章計(jì)算”，但當(dāng)我們采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭時(shí)，由于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解不夠深入，容易忽視一些關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)而影響法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)。本文將針對(duì)這些問(wèn)題提出建議性的處理意見(jiàn)。

另外在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們往往因?yàn)楣に嚄l件、結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題的限制而需要自行設(shè)計(jì)設(shè)備法蘭。法蘭設(shè)計(jì)的影響因素很多，如墊片材料、直徑、寬度，螺栓材料、數(shù)量、中心圓直徑，法蘭環(huán)厚度和錐頸高度等［3］。這些因素中，法蘭強(qiáng)度尺寸是整個(gè)法蘭設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)鍵所在，因此本文將通過(guò)實(shí)例計(jì)算，以控制法蘭中的三項(xiàng)應(yīng)力(軸向應(yīng)力、切向應(yīng)力、徑向應(yīng)力)為設(shè)計(jì)依據(jù)對(duì)設(shè)備法蘭進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 標(biāo)準(zhǔn)法蘭選取時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

1.1 錐頸小端厚度

在用SW6軟件進(jìn)行法蘭強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，需要輸入頸部小端有效厚度，以標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)頸法蘭為例，該值應(yīng)該取對(duì)接筒體的厚度還是法蘭標(biāo)準(zhǔn)中的小端厚度，目前存在一定的爭(zhēng)議。

在GD150法蘭計(jì)算章節(jié)，法蘭三項(xiàng)應(yīng)力及剛度指數(shù)計(jì)算公式為:

軸向應(yīng)力按式(1)計(jì)算:

徑向應(yīng)力按式(2)計(jì)算:

環(huán)向應(yīng)力按式(3)計(jì)算:

剛度指數(shù)按式(4)計(jì)算:

式中:Di，法蘭或筒體端部結(jié)構(gòu)內(nèi)直徑，mm; M0，法蘭設(shè)計(jì)力矩，N·mm;f，法蘭頸部應(yīng)力校正系數(shù)(法蘭頸部小端應(yīng)力與大端應(yīng)力的比值);V1，整體法蘭系數(shù);K1，剛度系數(shù)，取0.3;E，法蘭材料的彈性模量，MPa;δ0，法蘭頸部小端有效厚度，mm;δ1，法蘭頸部大端有效厚度，mm;δf，法蘭有效厚度，mm; σR，法蘭頸部大端有效厚度，mm;h0，系數(shù)，為，系數(shù)。

在SW6法蘭計(jì)算中，分別對(duì)螺栓受力、法蘭力矩、螺栓間距、三項(xiàng)應(yīng)力及剛度系數(shù)進(jìn)行了校核，前三者主要由墊片和螺栓參數(shù)來(lái)確定，三項(xiàng)應(yīng)力及剛度系數(shù)的影響因素較多，但從式(1)-(2)中可以看出，法蘭直邊段的長(zhǎng)度并不參與法蘭強(qiáng)度計(jì)算，法蘭強(qiáng)度計(jì)算區(qū)域?yàn)榉ㄌm環(huán)部分加錐頸段。因此，法蘭頸部小端厚度應(yīng)為法蘭錐頸段與直邊段相交處的厚度，即標(biāo)準(zhǔn)中的小端厚度，而非與法蘭對(duì)接的筒體厚度。

1.2 許用腐蝕裕量

當(dāng)碳鋼應(yīng)用在一般工業(yè)介質(zhì)中時(shí)，材料腐蝕是不可避免的。因此在法蘭計(jì)算中，理應(yīng)扣除相關(guān)尺寸的腐蝕裕量。NB/T 47020-2012《壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件》中對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)的腐蝕裕量進(jìn)行了規(guī)定“本標(biāo)準(zhǔn)中乙型法蘭的適用腐蝕裕量≤2 mm，當(dāng)2 mm腐蝕裕量超過(guò)≤3 mm時(shí)，應(yīng)加厚短節(jié)厚度2 mm。長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭的適用腐蝕裕量≤3 mm”。

當(dāng)設(shè)備法蘭材料的腐蝕裕量大于本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定值時(shí)，則不能直接選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭。這是因?yàn)楦g裕量削減了法蘭錐頸大端與錐頸小端的厚度，從而增大了法蘭軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，法蘭最大應(yīng)力通常發(fā)生在錐頸小端與筒體連接處［4］，這樣就造成法蘭強(qiáng)度有可能不滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)這種超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的法蘭，需要根據(jù)根據(jù)GB150.1～150.4-2011《壓力容器》第3部分第7章對(duì)法蘭自行設(shè)計(jì)核算，或者采用SW6計(jì)算軟件來(lái)校核法蘭，只是在標(biāo)準(zhǔn)尺寸的基礎(chǔ)上作以下調(diào)整:法蘭內(nèi)徑為法蘭公稱直徑減去兩倍的腐蝕裕量;法蘭錐頸大端厚度和錐頸小端厚度為標(biāo)準(zhǔn)中給定值減去腐蝕裕量。

1.3 法蘭材料

在NB/T 47020-2012《壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件》中規(guī)定了該標(biāo)準(zhǔn)所適用的法蘭材料類型“本標(biāo)準(zhǔn)適用于公稱壓力0.25～6.40 MPa，工作溫度-70～450℃的碳鋼、低合金鋼制壓力容器法蘭”，這一點(diǎn)常常容易被忽略。在壓力容器設(shè)計(jì)中，經(jīng)常遇到設(shè)備法蘭材料為高合金鋼的情況，此時(shí)我們往往未經(jīng)計(jì)算而直接選取標(biāo)準(zhǔn)法蘭，這樣是不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的。

相同條件下，高合金鋼鍛件的強(qiáng)度一般小于碳鋼、低合金鋼鍛件，因此必須利用SW6對(duì)高合金鋼設(shè)備法蘭進(jìn)行強(qiáng)度校核。若工藝介質(zhì)對(duì)法蘭材料有腐蝕，則在SW6中輸入法蘭本體尺寸時(shí)應(yīng)扣除腐蝕裕量:法蘭內(nèi)徑為法蘭公稱直徑減去兩倍的腐蝕裕量;法蘭錐頸大端厚度和錐頸小端厚度為標(biāo)準(zhǔn)中給定值減去腐蝕裕量。若標(biāo)準(zhǔn)法蘭滿足強(qiáng)度要求，則可直接采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭標(biāo)記，但需在圖紙明細(xì)表中標(biāo)明:參照NB/T47023-2012。

1.4 法蘭與圓筒連接

NB/T 47020-2012《壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件》規(guī)定了長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭與筒體的對(duì)接要求:長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭的直邊段厚度和與其相連接的圓筒厚度不等時(shí)，長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭按圖1虛線削薄，或者在對(duì)接焊縫的筒體端部按圖2堆焊過(guò)渡。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該項(xiàng)的描述比較模糊，未對(duì)兩種連接方式的使用場(chǎng)合進(jìn)行界定，而且對(duì)圖1來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)直邊段的削邊尺寸進(jìn)行具體規(guī)定。這樣容易給設(shè)計(jì)者造成一定的困擾。

圖1 削邊連接

圖2 堆焊過(guò)渡連接

分析NB/T 47020-2012標(biāo)準(zhǔn)6.5.1節(jié)中圖1和圖2可知，采用圖1的連接方式可以減少焊接工作量，但增加了直邊段削薄端的應(yīng)力值;采用圖2的連接方式避免了直邊段厚度的削薄，但若筒體厚度與直邊段厚度差值較大，則造成焊接工作量增加，甚至引起焊接變形。基于此，筆者建議:①若δ1-δ≤4 mm，則采用圖2堆焊過(guò)渡的連接方式;②若δ1-δ＞4 mm，則采用圖1結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，削邊長(zhǎng)度L1(圖3所示)應(yīng)滿足式(5)［5］的要求。若對(duì)接筒體厚度 小于NB/T47023-2012《長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭》表1中的最小對(duì)接筒體厚度，則需根據(jù)表3調(diào)整法蘭總高度(增加直邊段長(zhǎng)度)，以保證直邊段削薄端的應(yīng)力在許用范圍內(nèi)。

圖3 法蘭與圓筒對(duì)接

③若δ1-δ＞4 mm，且筒體厚度δ既不滿足NB/T47023-2012中表1最小對(duì)接厚度要求，又不能按照表3進(jìn)行修正，則應(yīng)該對(duì)筒體局部段加厚，增加過(guò)渡段以便與法蘭焊接，如圖4所示。過(guò)渡段長(zhǎng)度L0應(yīng)滿足式(6)的要求。

圖4 小壁厚筒體與法蘭過(guò)渡連接

2 法蘭強(qiáng)度尺寸對(duì)法蘭應(yīng)力的影響

為了便于分析法蘭強(qiáng)度尺寸對(duì)法蘭應(yīng)力的影響，我們通過(guò)一實(shí)例計(jì)算來(lái)說(shuō)明。

某換熱器:公稱直徑DN=350mm，殼程設(shè)計(jì)壓力p1=1.5 MPa，管程設(shè)計(jì)壓力p1=0.9 MPa，殼程設(shè)計(jì)溫度t殼=4℃，管程設(shè)計(jì)溫度t管=4℃，圓筒材料為Q345R。設(shè)備法蘭:長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，材料為16Mn鍛件。

2.1 法蘭環(huán)厚度對(duì)三項(xiàng)應(yīng)力的影響

為了便于討論法蘭環(huán)厚度對(duì)三項(xiàng)應(yīng)力的影響，我們假設(shè)法蘭其它尺寸不變，法蘭環(huán)厚度對(duì)三項(xiàng)應(yīng)力的影響如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著法蘭環(huán)厚度的增加，法蘭的三項(xiàng)應(yīng)力值均呈減小趨勢(shì)。當(dāng)法蘭環(huán)厚度由32 mm增加到36 mm時(shí)，軸向應(yīng)力減小了11.23%，切向應(yīng)力減小了0.96%，徑向應(yīng)力減小了26.5%。由此可見(jiàn)，增加法蘭環(huán)厚度對(duì)降低徑向應(yīng)力有明顯的作用，對(duì)軸向應(yīng)力影響較小，對(duì)切向應(yīng)力的改變幾乎沒(méi)有影響。

圖5 法蘭環(huán)厚度對(duì)法蘭應(yīng)力的影響

2.2 錐頸高度對(duì)三項(xiàng)應(yīng)力的影響

在此假設(shè)法蘭其它尺寸不變，錐頸高度對(duì)三項(xiàng)應(yīng)力的影響如圖6所示。從圖6可以看出，法蘭的軸向應(yīng)力、切向應(yīng)力和綜合應(yīng)力均隨著錐頸高度的增加而降低，法蘭的徑向應(yīng)力隨著錐頸高度的增加而增加。當(dāng)錐頸高度由25mm增加到33mm時(shí)，軸向應(yīng)力減小了29.32%，切向應(yīng)力減小了12.05%，徑向應(yīng)力增加了3.3%。

圖6 錐頸高度對(duì)法蘭應(yīng)力的影響

由此可見(jiàn)，增加法蘭環(huán)厚度可以有效地降低法蘭軸向應(yīng)力，對(duì)切向應(yīng)力的影響次之，而對(duì)徑向應(yīng)力則起到相反的作用。

2.3 小端厚度對(duì)三項(xiàng)應(yīng)力的影響

在此假設(shè)法蘭的其它尺寸不變，小端厚度對(duì)三項(xiàng)應(yīng)力的影響如圖7所示。

圖7 小端厚度對(duì)法蘭應(yīng)力的影響

從圖7可以看出，三項(xiàng)應(yīng)力的變化趨勢(shì)與圖6相似。法蘭的軸向應(yīng)力、切向應(yīng)力和綜合應(yīng)力均隨著小端厚度的增加而降低，法蘭的徑向應(yīng)力隨著小端厚度的增加而增加。當(dāng)小端厚度由10 mm增加到13 mm時(shí)，軸向應(yīng)力減小了32.11%，切向應(yīng)力減小了22.53%，徑向應(yīng)力增加了8.75%。由此可見(jiàn)，增加法蘭環(huán)厚度可以有效地降低法蘭的軸向應(yīng)力，對(duì)切向應(yīng)力的影響次之，而對(duì)徑向應(yīng)力則起到相反的作用。

綜上可知，法蘭強(qiáng)度尺寸對(duì)其三項(xiàng)應(yīng)力均有影響，且這種影響并非單調(diào)的。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往需要同時(shí)調(diào)節(jié)法蘭環(huán)厚度、錐頸高度和小端厚度才能使得法蘭達(dá)到滿應(yīng)力的優(yōu)化狀態(tài)。

3 結(jié)論

在選取標(biāo)準(zhǔn)法蘭時(shí)，必須對(duì)標(biāo)準(zhǔn)全面理解，充分考慮設(shè)計(jì)條件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的修正;增加法蘭環(huán)厚度可以明顯降低法蘭的徑向應(yīng)力;增加錐頸高度和小端厚度可以有效降低法蘭的軸向應(yīng)力;但增大了法蘭的徑向應(yīng)力;法蘭強(qiáng)度尺寸對(duì)三項(xiàng)應(yīng)力的影響并非單調(diào)的，設(shè)計(jì)中需要合理調(diào)整各個(gè)尺寸以使得三項(xiàng)應(yīng)力均區(qū)域相應(yīng)的許用應(yīng)力，使得法蘭材料的強(qiáng)度得到充分利用，提高法蘭的經(jīng)濟(jì)性。

［1］ GB150.1-GB150.4-2011，鋼制壓力容器［S］.

［2］ NB/T47020-47027-2012，壓力容器法蘭、墊片、緊固件［S］.

［3］ 桑如苞.壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)分析(四)［M］.石油化工設(shè)計(jì)，2000.

［4］ 桑如苞.關(guān)于壓力容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)若干問(wèn)題的建議［J］.化工設(shè)備設(shè)計(jì)，1997，34:24-28.

［5］ HG/T20583-2011，鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定［S］.

TQ050.3;TQ050.2

B

1003-3467(2015)10-0047-03

2015-07-29

姜鳳銀(1988-)，女，設(shè)備助理工程師，從事壓力容器設(shè)計(jì)工作，電話:(0371)68567988-2166，E-mail:jiangfengyin@wison.com。