過(guò)濾器設(shè)備法蘭的設(shè)計(jì)計(jì)算

王英麗，高兆寬

（1.西安航天華威化工生物工程有限公司，陜西 西安 710100；2.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司，陜西 西安 710100）

1 總述

近幾年我公司為某公司配套設(shè)計(jì)過(guò)濾器設(shè)備多臺(tái)，由于過(guò)濾器內(nèi)部有濾芯等部件，需經(jīng)常更換，所以設(shè)置有設(shè)備法蘭。之前幾臺(tái)均按普通設(shè)備法蘭設(shè)計(jì)，每次拆卸須將緊固件全部拆除，比較麻煩，影響工作效率。經(jīng)多方考慮，本次設(shè)備法蘭采用活節(jié)螺栓連接的結(jié)構(gòu)。通常使用槽型螺栓孔連接，法蘭外直徑的數(shù)值按照活節(jié)螺栓槽型螺栓孔的槽底直徑輸入[1]，如下圖A-A(Ⅱ)Dy，Do為法蘭的實(shí)際外直徑。由于該設(shè)備壓力較低，考慮節(jié)約材料成本，參考回轉(zhuǎn)蓋快開(kāi)人孔的螺栓連接型式，活節(jié)螺栓法蘭由活節(jié)螺栓、螺母、銷(xiāo)軸與支耳板組成（如下圖A-A(Ⅰ)）。以GB/T 150為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，參考《化工設(shè)備元件強(qiáng)度計(jì)算》方法，法蘭外直徑的數(shù)值按照A-A(Ⅰ)法蘭外徑Do輸入，其余數(shù)值正常輸入，所得結(jié)果滿(mǎn)足法蘭強(qiáng)度要求。校核支耳板與法蘭焊縫強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

2 設(shè)備法蘭的計(jì)算[1]

以某工程過(guò)濾器為例。

設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力Pc：0.6MPa；設(shè)計(jì)溫度t：80℃；筒體直徑DN2000，厚度δ0=8mm。設(shè)備主體材質(zhì)：S31603；法蘭材質(zhì)：16MnⅡ襯S31603；螺栓材質(zhì)：S30408；墊片材質(zhì)：PTFE（厚度3mm）。

法蘭參數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 法蘭參數(shù)

2.1 密封計(jì)算

密封計(jì)算是為了滿(mǎn)足法蘭預(yù)緊密封和操作密封的需要，并確保能承受介質(zhì)壓力引起的軸向載荷。

2.1.1 墊片有效密封寬度b

本次設(shè)計(jì)墊片使用PTFE（厚度3mm），根據(jù)GB/T150.3-2011確定墊片接觸寬度N和基本密封寬度b0，再計(jì)算墊片有效密封寬度b。

墊片基本密封寬度b0=N/2=12mm＞6.4mm；

根據(jù)GB/T150.3-2011 7.5本設(shè)備法蘭屬于其他形式的法蘭，且b0＞6.4mm，所以墊片壓緊力作用中心圓直徑DG=墊片接觸外徑-2b=2053-2x8.76=2035.5mm。

2.1.3 墊片壓緊力

本次設(shè)計(jì)墊片使用PTFE（厚度3mm），m-墊片系數(shù)2；y-墊片比壓力14.7，預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力：

操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力：

2.2 螺栓計(jì)算

dB：螺栓公稱(chēng)直徑，M30；

dd：螺栓根徑，26.2，螺栓數(shù)量n=40個(gè)。

2.2.1 螺栓的布置

2.2.2 螺栓載荷計(jì)算

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wa=Fa=822840.3N，操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷，內(nèi)壓引起的總軸向力：

最小螺栓載荷：

2.2.3 螺栓面積計(jì)算

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積：

操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積：

需要的螺栓面積：

實(shí)際的螺栓面積Ab：

A=3.14 n d20.25=3.14X40X(26.2)2×0.25=21565mm2＞b

d Am=17411mm2，合格。

2.2.4 力矩計(jì)算（按GB/T150 7.5.3.1）

[σ]f：室溫下法蘭材料需用應(yīng)力，174MPa；

LG：螺栓中心至FG作用位置處的徑向距離；

LD：螺栓中心至FD作用位置處的徑向距離；

LT：螺栓中心至FT作用位置處的徑向距離。

預(yù)緊狀態(tài)下法蘭力矩：

操作狀態(tài)下法蘭力矩：

2.2.5 法蘭應(yīng)力校核

由于該任意式法蘭的設(shè)計(jì)溫度t=80℃＜370℃，δ0=8mm＜ 15mm，Di/δ0=252＜ 300，Pc=0.6MPa＜ 2MPa， 按 照 GB/T150.3-2011第7.4.4條按活套法蘭計(jì)算，法蘭有效厚度δf按環(huán)向應(yīng)力σT來(lái)確定：

實(shí)際取δf=160mm。

K=D0/Di=2160/2019=1.07，Y=28.575（查GB/T 150.3-2011）。

3 支耳及銷(xiāo)軸強(qiáng)度計(jì)算

3.1 計(jì)算支耳A-A截面抗拉強(qiáng)度

M30的活節(jié)螺栓40個(gè)均布，支耳材料使用S31603，共80個(gè)支耳。

許用抗拉強(qiáng)度[σ]=490MPa；

抗剪強(qiáng)度 [τ]=294MPa。

σ=WP/S=2085849.7/160×16×（80）=10.2MPa＜[σ]，滿(mǎn)足要求。

3.2 銷(xiāo)軸截面抗剪強(qiáng)度計(jì)算

直徑24的銷(xiāo)軸40個(gè)均布，材料使用S30408。

許用抗拉強(qiáng)度[σ]=490MPa；

抗剪切強(qiáng)度為 [τ]=294MPa。

t=WP/S=2085849.7/40×3.14×122=115MPa＜[τ]，滿(mǎn)足要求。

3.3 焊縫抗剪計(jì)算

側(cè)面角焊縫（作用于平行于焊縫方向）：

he：筋板焊角高度，12mmlw：筋板長(zhǎng)度，160mm。

4 結(jié)論

我公司設(shè)計(jì)、制造的這臺(tái)過(guò)濾器投入使用兩年至今運(yùn)行良好，鑒于本設(shè)備壓力較低，對(duì)于壓力較高的法蘭連接仍需要進(jìn)行進(jìn)一步探討。