設(shè)備法蘭設(shè)計(jì)及分析

歐紅永

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

設(shè)備法蘭設(shè)計(jì)及分析

歐紅永

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

根據(jù)GB/T 150中法蘭的計(jì)算方法，對(duì)高壓設(shè)備法蘭進(jìn)行計(jì)算分析。通過(guò)分析確定對(duì)法蘭設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并加以調(diào)整和控制，從而優(yōu)化法蘭的設(shè)計(jì)。

法蘭；設(shè)計(jì)；應(yīng)力；結(jié)構(gòu)

非標(biāo)設(shè)備法蘭設(shè)計(jì)是一個(gè)逆運(yùn)算過(guò)程，其聯(lián)接設(shè)計(jì)需要通過(guò)試算的方法進(jìn)行，影響最終結(jié)果的設(shè)計(jì)參數(shù)眾多，其作用又是相互交錯(cuò)的。在工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往對(duì)法蘭設(shè)計(jì)結(jié)果既不感滿(mǎn)意又覺(jué)得難以調(diào)整其影響參數(shù)達(dá)到滿(mǎn)意結(jié)果。因此，本文通過(guò)對(duì)非標(biāo)設(shè)備法蘭的實(shí)例分析，闡述在法蘭設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的一些敏感因素，以便獲得既滿(mǎn)足強(qiáng)度要求又具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕巧的長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。

1 實(shí)例選取

選取某項(xiàng)目一臺(tái)設(shè)備，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

公稱(chēng)直徑：DN=1300mm

設(shè)計(jì)壓力：p=9.0MPa

設(shè)計(jì)溫度：t=282℃

殼體材質(zhì)：Q345R

名義厚度：δ=55mm

法蘭材質(zhì)：16MnIV

據(jù)上述條件，此法蘭已經(jīng)超出NB/T47013-2012《長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭》可選取的標(biāo)準(zhǔn)法蘭，須進(jìn)行非標(biāo)設(shè)備法蘭設(shè)計(jì)。

法蘭連接合理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是：控制盡可能小的墊片載荷，盡可能小的螺栓中心圓直徑，從而構(gòu)成盡可能小的法蘭力矩。依據(jù)這一原則，經(jīng)多次核算選比，確定法蘭有關(guān)參數(shù)尺寸如圖2所示。法蘭設(shè)計(jì)實(shí)際上包括墊片設(shè)計(jì)、螺栓設(shè)計(jì)和法蘭設(shè)計(jì)三部分，并且是依次進(jìn)行。螺栓及墊片詳細(xì)數(shù)據(jù)如下：

墊片規(guī)格： 如圖1

螺栓規(guī)格：M64

螺栓數(shù)量：36

螺栓材料：35CrMoA

墊片材料：齒形墊

墊片比壓：y=50MPa

墊片系數(shù)：m=3.0

圖1 墊片規(guī)格尺寸示意圖

圖2 法蘭規(guī)格尺寸示意圖

2 計(jì)算分析

2.1 法蘭(I)應(yīng)力分析

假設(shè)δ0=δ1=55，h=50,通過(guò)調(diào)整σH的尺寸來(lái)控制法蘭的三向應(yīng)力σH、σR、σT，經(jīng)過(guò)多次試算， σH、σR、σT符合許用應(yīng)力值的法蘭盤(pán)厚度δf≥318mm。其中δf=318mm時(shí)的法蘭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

此時(shí)法蘭的三向應(yīng)力如下：

根據(jù)設(shè)計(jì)分析可知，當(dāng)δ0=δ1=55時(shí)，法蘭的軸向應(yīng)力σH和切向應(yīng)力σT較大，而徑向應(yīng)力σR很小，法蘭的材料強(qiáng)度只在環(huán)向和軸向發(fā)揮作用，而徑向抗彎性能卻未能得到充分利用。這是因?yàn)榉ㄌm(I)錐頸很小，接近活套法蘭，該法蘭在法蘭力矩作用下，法蘭盤(pán)偏轉(zhuǎn)得不到有效的抑制，法蘭盤(pán)產(chǎn)生較大的偏轉(zhuǎn)，在法蘭盤(pán)中引起很大的環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。

這種法蘭結(jié)構(gòu)造成了大量的材料浪費(fèi)，為不可取的結(jié)構(gòu)。

2.2 法蘭(II)應(yīng)力分析

取δf=318,h=50,δ1=55,通過(guò)增加法(I)大端厚度δ1，改變法蘭的三向應(yīng)力，得出應(yīng)力變化圖4。

圖4 法蘭(II)應(yīng)力變化圖

圖4中法蘭(II)隨著大端厚度 的增大，法蘭的軸向應(yīng)力 出現(xiàn)了迅速的下降，但下降一段后，又緩慢增大，當(dāng) 時(shí)應(yīng)力為最佳狀態(tài)。切向應(yīng)力 持續(xù)緩慢減小，對(duì)徑向應(yīng)力 起反作用。

這是因?yàn)榉ㄌm(II)由于增大了錐頸大端厚度 ，錐段的旋轉(zhuǎn)剛度增加，于是錐頸與法蘭盤(pán)的承載比例發(fā)生變化，即錐頸的承載比例提高，法蘭盤(pán)在法蘭力矩作用下的偏轉(zhuǎn)得到了抑制，導(dǎo)致了軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力下降。

2.3 法蘭(III)應(yīng)力分析

取δf=318,δ0=55,δ1=125,通過(guò)增加法(II)錐頸長(zhǎng)度h，改變法蘭的三向應(yīng)力，得出應(yīng)力變化如圖5。

圖5 法蘭(III)應(yīng)力變化圖

圖5中法蘭(III)軸向應(yīng)力σH、切向應(yīng)力σT隨著錐頸長(zhǎng)度h的增長(zhǎng)而減小，其中軸向應(yīng)力σH減小的較快，而切向應(yīng)力σT較為平緩。對(duì)徑向應(yīng)力σR起反作用。

2.4 法蘭(IV)應(yīng)力分析

經(jīng)過(guò)以上幾種法蘭的分析比較，取h=125,δ0=55,δ1=110時(shí)，通過(guò)減小法蘭的法蘭盤(pán)厚度δf分析法蘭應(yīng)力變化，詳見(jiàn)圖6。

圖6 法蘭(IV)應(yīng)力變化圖

由于法蘭盤(pán)厚度δf的增加，法蘭盤(pán)旋轉(zhuǎn)剛度變小，于是錐頸與法蘭盤(pán)的承載比例發(fā)生變化，即法蘭盤(pán)的承載能力變小，導(dǎo)致了軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的上升。

這類(lèi)法蘭由于結(jié)構(gòu)得當(dāng)，由圖可知，法蘭不僅環(huán)向承載而且徑向也承載，其材料利用率比活套法蘭要高得多，且其錐頸的應(yīng)力也接近滿(mǎn)應(yīng)力狀態(tài)，因此有可能達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果。

2.5 法蘭敏感影響因素分析

非標(biāo)設(shè)備法蘭設(shè)計(jì)的最優(yōu)結(jié)果為其各項(xiàng)應(yīng)力能分別與相應(yīng)的許用應(yīng)力相接近，即結(jié)構(gòu)材料在各個(gè)方向的強(qiáng)度都能得到比較充分的發(fā)揮。而由于錐頸尺寸和法蘭環(huán)厚度對(duì)σH、σR、σT三個(gè)應(yīng)力的影響關(guān)系并不是單調(diào)的，所以必須區(qū)分不同的情形適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)敏感因素。

如圖3中，法蘭(I)的錐頸很小，而法蘭盤(pán)則承受了極大部分的法蘭應(yīng)力，此時(shí)錐頸的尺寸就成了此類(lèi)法蘭的敏感因素。而在圖4中的法蘭(II)略微增加了錐頸大端厚度δ1則引起了軸向應(yīng)力σH的驟降，可當(dāng)增加到一定程度后效果并不明顯，這時(shí)的敏感因素又變?yōu)殄F頸的長(zhǎng)度h，這由圖5中的法蘭(III)可以看出，增加錐頸長(zhǎng)度h后，法蘭應(yīng)力繼續(xù)明顯下降。

由圖及以上分析，我們可以總結(jié)出，在法蘭設(shè)計(jì)中，當(dāng)徑向應(yīng)力σR過(guò)大或過(guò)小時(shí)，應(yīng)采取調(diào)整法蘭盤(pán)厚度的辦法；當(dāng)軸向應(yīng)力σH過(guò)大或過(guò)小時(shí)，應(yīng)采取調(diào)整錐頸尺寸的方法，但并非無(wú)限制的增加。

增加錐頸大端厚度δ1時(shí)應(yīng)考慮螺栓上緊扳手的操作空間，可在文獻(xiàn)1中查得。

增加錐頸長(zhǎng)度h時(shí)，應(yīng)盡量使f≈1，當(dāng)f=1時(shí)，h等于錐頸小端理論上的應(yīng)力衰減范圍，當(dāng)h過(guò)長(zhǎng)時(shí)則會(huì)造成材料浪費(fèi)。

2.6 最終優(yōu)化設(shè)計(jì)

由上述分析，得出了如下較經(jīng)濟(jì)合理的法蘭設(shè)計(jì)優(yōu)化方案：

(1) 軸向應(yīng)力

強(qiáng)度校核合格。

(2) 徑向應(yīng)力

強(qiáng)度校核合格。

(3) 環(huán)向應(yīng)力

強(qiáng)度校核合格。

(4) 綜合應(yīng)力

強(qiáng)度校核合格。

可見(jiàn)，三向應(yīng)力均趨于許用應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)緊湊，材料利用率高，是較為合理的工程設(shè)計(jì)方案。

3 其它因素分析

3.1 墊片設(shè)計(jì)

一般而言，墊片越寬密封越好，但寬度超過(guò)某一定值時(shí)密封面上的泄露面基本不變，而越寬的墊片對(duì)密封所需求的壓緊力會(huì)越大，對(duì)螺栓和法蘭的強(qiáng)度和剛度要求隨之增大，從而導(dǎo)致了法蘭的結(jié)構(gòu)笨重。

墊片直徑也是一個(gè)重要的影響因素，墊片直徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致DG偏大，最終影響Am和M0值。Am增大會(huì)使得螺栓規(guī)格變大，由此加大螺栓圓中心直徑及法蘭外徑變大，而M0的增加也會(huì)增加法蘭的整體尺寸，從而導(dǎo)致法蘭結(jié)構(gòu)笨重。

而另一方面，如果墊片寬度較小，則容易使墊片從彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)，而墊片直徑過(guò)小也容易導(dǎo)致墊片受壓過(guò)大和受力不均，這樣都會(huì)導(dǎo)致密封效果變差。

所以在墊片設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)控制盡可能小的墊片載荷，在給定的設(shè)計(jì)條件下，究竟采用何種墊片并使用多大的寬度和直徑是一個(gè)需要分析才能夠確定的問(wèn)題。

3.2 螺栓設(shè)計(jì)

墊片的壓緊力是由螺栓來(lái)提供的。通常情況下，實(shí)際配置的螺栓總根徑截面積Ab應(yīng)稍大于Aa和Ap之大者，其大值為螺栓計(jì)算面積。整個(gè)螺栓組的核心是應(yīng)使其螺栓中心圓直徑具有最緊湊的尺寸，因?yàn)槁菟ㄖ行膱A直徑的大小直接影響法蘭力矩中各個(gè)分力矩的力臂大小。因此在布置螺栓時(shí)，在保證最小相臨螺栓間距和滿(mǎn)足所須螺栓截面積的情況下，應(yīng)盡可能減小螺栓中心圓直徑和螺栓規(guī)格，增加螺栓數(shù)量，使預(yù)緊力盡可能均勻的作用到墊片上。

4 結(jié)語(yǔ)

非標(biāo)設(shè)備法蘭的設(shè)計(jì)是一個(gè)值得廣泛而又深入探討的課題，其目的是在于盡可能設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕巧而又受力合理的法蘭結(jié)構(gòu)。這需要一定的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和大量的計(jì)算來(lái)做為判斷依據(jù)。

[1] 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC 262). GB/T 150.1～150.4-2011 壓力容器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[2] 國(guó)家能源局.NB/T 47023-2012 ,長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[3] 桑茹苞.壓力容器法蘭的合理設(shè)計(jì)原理與方法[J].化工設(shè)備與管道. 1987 (2) :6-13.

(本文文獻(xiàn)格式：歐紅永.設(shè)備法蘭設(shè)計(jì)及分析[J].山東化工，2017，46(14)：151-154.)

Design and Analysis of Equipment Flange

OuHongyong

(Sinopec Ningbo Engineering Co., Ltd. ， Ningbo 315103,China)

According to the calculation method of GB/T 150, calculation and analysis of the high pressure equipment flange, Through the analysis to determine the Structural parameters for design flange， and adjust and control this parameters, so as to optimize the design of the flange.

flange；design；stress；Structural

2017-05-10

歐紅永(1984—)，湖南人，壓力容器設(shè)計(jì)工程師，碩士研究生

TQ055.8

A

1008-021X(2017)14-0151-04