ASME法兰计算之螺栓调整_ASME法兰优化设计

1、北京市艾思弗计算机软件技术有限责任公司 Beijing AECsoft Engineering Software Co.,Ltd ASME法兰计算之螺栓调整 李振武803 北京市艾思弗计算机软件技术有限责任公司成立于1997年。我们是一 家从事电力、石油、石油化工、海洋工程和其他行业 （PPMO- Power 、 Process、Marine、Others) 工程软件销售及工程技术服务的专业公司。 压力容器相关软件 PVASME -1,2；EN-13445，PD5500 VVDEN13445,ASME -1,PD5500 ,TKN，TBK2 PASSAT俄罗斯GOS

2、T标准 TANKAPI650，API653 NozzlePro管口应力分析（基于ASME -2） Nozzle FEM管口应力分析（支持俄罗斯标准， EN13445，ASME，JB4732） 公司杂志 ASME法兰计算之螺栓 今天的网络研讨会内容： 1. 法兰及法兰失效基本原理 2. 法兰强度计算方法Waters法介绍 3. ASME VIII-1法兰计算步骤 4. 法兰计算中螺栓的作用与调整 5. 讨论环节 法兰简介 法兰是压力容器中的基本元件之一 特别是在换热器中被广泛应用 螺栓 垫片 法兰 法兰结构 一个法兰组件由三个元件构成： 1.法兰2.垫片3.螺栓 法兰失效形式 法兰的失效形式有两

3、种： 一是密封失效，即垫片发生泄漏； 另一中是强度失效，即法兰发生大变形甚至断裂。 由于密封失效往往在其强度破坏前发生，所以我们通常 研究密封失效 泄漏的产生 那么泄漏产生的原因是什么呢？ 我们知道，法兰组中的螺栓用来提供压紧力 当内压加载时，使垫片压紧以保证密封 P F F P 泄漏的产生 那么泄漏产生的原因是什么呢？ 我们可以得到：螺栓力=内压作用力+垫片反力 那么，如果：螺栓力内压作用力+垫片反力 P P F F 可能发生泄漏 泄漏的产生 那么泄漏产生的原因是什么呢？ 我们再放大看一下法兰组件 在内压的作用下，法兰会绕螺栓旋转，如果转角过大 可能发生泄漏 泄漏的产生 那么泄漏产生的原因是

4、什么呢？ 在一些特殊的设备中，如换热器 管壳程的温度是不同的，法兰的膨胀变形也就不同，如果差别过大 就有可能使垫片脱离密封面，发生泄漏 泄漏的产生 那么泄漏产生的原因是什么呢？ 对于法兰塔中的法兰，不仅受到内压的作用 同时，在风载和地震的影响下，也受到弯矩和其他力的作用 使法兰转动，可能产生泄漏 泄漏的产生 综上，我们可以看到，法兰的泄漏大致可以分为四种原因 1. 螺栓力内压作用力+垫片反力，发生泄漏； 2. 法兰在内压作用下，以螺栓为轴进行旋转，发生泄漏； 3. 两片法兰的温度不同，由于膨胀差，垫片脱离，发生泄漏； 4. 外部的弯矩和力的作用，使法兰转动，发生泄漏 法兰的计算 那么，如何避免

5、法兰泄漏? 这涉及到法兰的密封性计算，包括法兰的形变和垫片密封性能 的研究。 然而，法兰的形变和密封性计算远较强度计算复杂，所以依据 密封性的法兰计算甚为困难，为此多少年来法兰设计还是以强 度计算为基础的。 当然强度计算涉及法兰应力，由于应力与形变成一定的关系， 所以对法兰控制一定的应力，使之保持在弹性范围内，则实际 上也就对法兰的变形加以了限制。 法 兰 强 度 计 算 1937年 Waters法今天 70多年 法兰的强度计算方法 那么，强度计算选用什么方法？ 是国际上应用最为广泛的强度计算方法是Waters法 该法自1937年提出 至今已在世界范围内历经了70多年的长期广泛实践考验 ASM

6、E VIII-1标准中的法兰计算也是用的这种方法 Waters法假设 Waters法将法兰假设为三个部分 直边段锥段法兰环 直边段锥段法兰环 Waters法假设 Waters法将法兰假设为三个部分 直边段锥段法兰环 内压P F F Q1 M1 内压P Q1 M1 Q0 M0 Q0 M0 内压P 法兰实际受力如下所示 Waters法认为内压P的均布载荷以及内压作用在直边段和锥段的轴向 力为小值，可以忽略，即为 FDFDFDFDFD Waters法假设 Waters法的这种假设，对于长颈对焊法兰是合理的 然而，对于平焊法兰 颈部厚度即为与法兰对接的圆筒的厚度，此厚度按内压圆筒计算 这使Waters

7、法允许的法兰轴向力较大，虽不致法兰破坏 但会使法兰挠度值过大，不太合理 这就需要除应力控制外，额外的控制条件 内压圆筒计算时，将其环向薄膜应力控制在1倍筒体材料的许用应力 此时轴向薄膜应力为0.5倍许用应力，已非小量 而Waters法控制法兰轴向应力小于1.5倍许用应力 LEg 0 K L h0 ASME法兰计算 ASME VIII-1 补充提出了法兰刚度计算的要求 ASME规定，对于整体法兰和按整体法兰设计的任意式法兰，应满足： 对公式进行考证可知 对于刚度的控制，实质上是控制锥颈大端的偏转角2/3 下面，我们以整体法兰为例，来看一下ASME规范的法兰计算过程 1.0 52.14VM 0 2

8、 J ASME法兰计算步骤 选取垫片 选取螺栓 计算法兰受力 计算法兰所受力矩 操作工况 预紧工况 计算法兰应力 操作工况 预紧工况 M0=HDhD+HThT+HGhG M0=HGhG=（Am+Ab）Sa/2*(C-G)/2 操作工况 预紧工况 SH=fM0/Lg12B SR=(1.33te+1)M0/Lt2B ST=YM0/t2B-ZSR SH=0 SR=0 ST=YM0/t2B 应力评定 刚度评定 SH1.5Sf SRSf STSf SH+SR2Sf SH+ST2Sf J=52.14VM0/LEg20K1h01.0 确定m，y 确定操作工况螺栓载荷，Wm1=H+Hp=0.785G2P+（2

9、b3.14GmP） 确定最小螺栓初始载荷，Wm2=3.14bGy 确定操作工况所需螺栓面积，Am1=Wm1/Sb 确定预紧工况所需螺栓面积，Am2=Wm2/Sa 确定所需螺栓面积，Am=max（Am1，Am2） 确定实际螺栓面积，AbAm HD=0.785B2P HT=H-HD=0.785G2P-0.785B2P HG=2b3.14GmP HD=0 HT=0 HG=（Am+Ab）Sa/2 ASME法兰计算步骤 由上图可以看出 法兰主要计算的是由弯矩引起的应力的评定和刚度评定 弯矩由力和力臂共同决定 力由内压和垫片反力确定，力臂由螺栓圆直径和法兰结构确定 刚度由法兰结构确定 我们这次的研讨会主要

10、讨论螺栓对法兰计算的影响 那么探讨影响法兰设计的因素，也就是从法兰组的垫片、螺栓和 法兰结构这三个方面着手。 螺栓对法兰计算的影响 下面我们将讨论关于螺栓的三个问题 1. 螺栓的选取 2. 螺栓对法兰计算的影响 3. 如何调整螺栓来优化法兰设计 螺栓选取 前面我们了解到 螺栓力=内压作用力+垫片反力 P F F P ASME计算步骤中的螺栓选取过程就是运用了这个原理 1h R g hG 螺栓对法兰计算的影响 根据前面的计算步骤 2 2 C G hT G hD R 0.5g1 螺栓对法兰计算的影响 根据前面的计算步骤 螺栓载荷越大，所需法兰越厚（预紧工况） 螺栓中心圆直径越大，所需法兰越厚（操作

11、工况） 优化法兰设计螺栓的调节 法兰的设计中螺栓的优化有两个方面 1.减小螺栓载荷 2.减小螺栓圆直径 减小螺栓载荷 通过前面的讨论，我们知道 减小螺栓载荷的方法是 1.减小垫片硬度（减小m、y ） 2.调整垫片尺寸（减小G、b） 但是，由于垫片与介质有关，通常垫片材质已经由工艺专业确定 而垫片的尺寸与设备尺寸相关，垫片宽度b与垫片材质相关 所以，在垫片上的优化空间较小 我们通常通过减小螺栓圆直径的方法来优化法兰设计 减小螺栓圆直径 关于螺栓圆直径，我们希望得到“最小螺栓圆直径” 由于法兰结构和扳手空间的限制，螺栓圆直径有最小的要求 如下图：螺栓圆直径受到以下三个方面的要求 1.沿法兰密封面的

12、径向结构要求： CGo+2a+d 2.沿法兰背面径向结构要求： CDi+2g1+2R 3.沿法兰环向分布的结构要求： CB*n/ 减小螺栓圆直径 关于螺栓圆直径，我们希望得到“最小螺栓圆直径” 由于法兰结构和扳手空间的限制，螺栓圆直径有最小的要求 如下图：螺栓圆直径受到以下三个方面的要求 1.沿法兰密封面的径向结构要求： CGo+2a+d 2.沿法兰背面径向结构要求： CDi+2g1+2R 3.沿法兰环向分布的结构要求： CB*n/ 减小螺栓圆直径 1.沿法兰密封面的径向结构要求： CGo+2a+d 2.沿法兰背面径向结构要求： CDi+2g1+2R 3.沿法兰环向分布的结构要求： CB*n/ 另外，ASME标准规定，致死介质，螺栓最大间距： 6t m 0.5 如果螺栓间距大于2a+t，总力矩M0还需要按照Bsc进行修正 Bsc Bs 2a t 减小螺栓圆直径 关于扳手空间，在TEMA中有要求，ASME采用的就是这个数据 优化法兰设计 通过实践，我们可以得到一些优化法兰中