基于非標(biāo)壓力容器法蘭優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討

莫修乾 徐昆侖

（江蘇東方瑞吉能源裝備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212132）

設(shè)備法蘭的設(shè)計(jì)以試算法進(jìn)行，主要分為三個(gè)部分：墊片設(shè)計(jì)、螺栓設(shè)計(jì)和法蘭本體設(shè)計(jì)。墊片的設(shè)計(jì)是法蘭設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)條件和使用介質(zhì)，選擇合適的墊片材質(zhì)、種類及墊片的尺寸，并分別計(jì)算在操作和預(yù)緊狀態(tài)的壓緊力。螺栓設(shè)計(jì)是根據(jù)所計(jì)算的預(yù)緊力，選擇合適的螺栓材料、規(guī)格和數(shù)量控制盡可能小的螺栓圓直徑實(shí)現(xiàn)實(shí)際的螺栓面積大于計(jì)算面積。法蘭設(shè)計(jì)是通過(guò)試算進(jìn)行的，先假設(shè)法蘭環(huán)厚度與錐徑厚度，計(jì)算各項(xiàng)法蘭應(yīng)力，與許用應(yīng)力對(duì)比，調(diào)整錐徑和法蘭環(huán)尺寸，重復(fù)計(jì)算直至各項(xiàng)應(yīng)力小于許用應(yīng)力，并接近許用應(yīng)力為合適。

一、工程應(yīng)用

下面我們通過(guò)以具體實(shí)例分析設(shè)備法蘭的優(yōu)化設(shè)計(jì)。某容器參數(shù)：設(shè)計(jì)壓力8.65MPa，設(shè)計(jì)溫度70℃，直徑1800mm，容器盛裝介質(zhì)為無(wú)毒非易爆，腐蝕裕量0mm。介質(zhì)容器材料采用Q345R，設(shè)備法蘭材料選用16Mn Ⅱ，筒體厚度48mm 要求采用設(shè)備法蘭結(jié)構(gòu)。

此容器設(shè)計(jì)壓力8.65MPa，直徑1800mm 超出了《壓力容器法蘭、墊片、緊固件》規(guī)定的最大公稱壓力6.4MPa 的限制，我們只能按照GB150 的計(jì)算方法設(shè)計(jì)此設(shè)備法蘭，由于直徑較大，設(shè)計(jì)的合理性將對(duì)成本產(chǎn)生很大影響。

（一）墊片設(shè)計(jì)

由于此容器設(shè)計(jì)壓力較大，平常的非金屬墊片不能滿足使用要求，我們參照HG/T20583 的附錄選用纏繞墊，墊片系數(shù)3、墊片比壓力為69。墊片內(nèi)外徑分別確定為1855mm 和1908mm。通過(guò)計(jì)算得出：預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力Fa=πbDGy=3664892.5N；操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力Fp=2πbDGmP=5026790N。

（二）螺栓設(shè)計(jì)

按照經(jīng)驗(yàn)此壓力下的法蘭螺柱直徑一般很大，NB/T47027 標(biāo)準(zhǔn)引用的螺柱直徑最大為M48，HG/T20613 標(biāo)準(zhǔn)引用的螺柱直徑最大為M56。我們分別選用這兩種規(guī)格的螺柱來(lái)計(jì)算螺栓面積。

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wa=πbDGy=3664892.5N；

操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wp=Fp+F=27027200.0N

1.選用M48 螺柱時(shí)：

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 Aa=Wa/[σ]b=16074mm2

操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 Ap=Wa/[σ]bt=126147mm2

所需螺栓總截面積 Am=max(Ap，Aa)=126147 mm2

螺栓實(shí)際總截面積A=nπd2/4，

必須使A ≥Am才能滿足使用要求，通過(guò)計(jì)算至少需要92個(gè)螺栓，螺栓圓為3000mm。

2.選用M56 螺柱時(shí)：

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 Aa=Wa/[σ]b=16074mm2

操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積 Ap=Wa/[σ]bt=113381mm2

所需螺栓總截面積Am=max(Ap，Aa)=113381mm2

螺栓實(shí)際總截面積A=nπd2/4，

通過(guò)計(jì)算至少需要60個(gè)螺栓，螺栓圓為2270mm。

通過(guò)比較很明顯發(fā)現(xiàn)：選用M56 規(guī)格的螺栓可以獲得更小的螺栓圓直徑，使設(shè)計(jì)的法蘭更加緊湊。

（三）法蘭設(shè)計(jì)

法蘭設(shè)計(jì)是通過(guò)試算進(jìn)行的，我們先假設(shè)法蘭外徑2380mm，法蘭環(huán)厚度與錐徑厚度，我們先假設(shè)法蘭環(huán)厚度200mm，錐徑大端厚度180mm，小端厚度48mm，錐徑高度200mm，計(jì)算法蘭的三項(xiàng)應(yīng)力：

結(jié)果顯示由于σH、σR 過(guò)大導(dǎo)致應(yīng)力校核不合格，應(yīng)力分析如下：

=107%；

=1.18%；

=99.5%

根據(jù)應(yīng)力曲線對(duì)σH 影響最大的是錐頸大端的厚度、錐頸的長(zhǎng)度以及法蘭盤的厚度，下面我們通過(guò)調(diào)節(jié)這幾個(gè)數(shù)值來(lái)優(yōu)化法蘭，減小大段厚度，增加小端厚度及法蘭盤厚度。使法蘭的三個(gè)應(yīng)力盡量與相應(yīng)的許用應(yīng)力相接近，即：

σH →；σR →2；σT →2。

調(diào)整尺寸法蘭厚度230mm，錐徑高度190mm，大端厚度130mm，小端厚度54mm。

計(jì)算法蘭的三項(xiàng)應(yīng)力：

σH=207.39Mpa；σR=89.33Mpa；σT=88.01Mpa；

應(yīng)力校核：

法蘭校核合格，且：

=82%；

=88.6%；

=88.3%；

通過(guò)看數(shù)據(jù)還有優(yōu)化的空間，下面我們繼續(xù)優(yōu)化，減小大小端厚度及法蘭盤厚度：調(diào)整尺寸法蘭厚度210mm，錐徑高度190mm，大端厚度110mm，小端厚度50mm。

計(jì)算法蘭的三項(xiàng)應(yīng)力：

σH=224Mpa；σR=106.5Mpa；σT=108.2Mpa；

應(yīng)力校核：

法蘭校核合格，且：

=89.6%；

=98.9%；

=99.5%；

法蘭三項(xiàng)應(yīng)力趨于滿應(yīng)力狀態(tài)，材料得到最大的利用。

二、結(jié)束語(yǔ)

設(shè)備法蘭經(jīng)過(guò)上面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，三項(xiàng)應(yīng)力與其許用應(yīng)力更加接近，也就是說(shuō)該結(jié)構(gòu)下材料在各個(gè)方向的強(qiáng)度都能得到較充分的發(fā)揮，在一定的載荷情況下其結(jié)構(gòu)緊湊、受力合理、材料得到最大的利用，減少了材料浪費(fèi)，從而達(dá)到降低成本的目的，體現(xiàn)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。