整理312法兰的设计

1、3.2法兰的设计法兰连接是化工容器、管通常用的一种可拆连接型式.本节从如何满足法兰 连接密封的可靠性、足够的强度等出发,简要介绍垫片、螺栓及法兰本体的设计 等问题.3.2.1 根本要求1、正确理解法兰连接的密封原理,了解影响密封的因素.2、掌握垫片材料类型及垫片的选择,并理解垫片性能参数的物理意义.3、掌握螺栓载荷的计算及螺栓的设计问题.4、了解法兰的结构及其特点,并能使用法兰标准正确选用法兰.5、掌握非标准法兰结构尺寸确实定和强度计算方法.3.2.2 内容提要1、法兰连接通过紧固螺栓压紧垫片实现密封.法兰密封的泄漏形式包括渗 透泄漏和界面泄漏.当法兰通过螺栓压紧垫片时,使垫片发生变形,并提供

2、垫片 与密封面的压紧力,以形成压力介质通过密封面的阻力,当这种阻力大于密封元 件两侧的介质压力差时,介质即被密圭寸住.垫片性能、螺栓力大小、密封面型式及尺寸精度、法兰刚度及操作条件等均 影响密圭寸的可靠性.2、法兰连接设计中首先面临垫片选择.垫片是法兰密封中的主要元件,为 形成密封,主要要求垫片具有适宜的变形和回弹水平. 垫片按材料分为非金属垫、 金属垫和组合垫三种.由于法兰密封面有平面、凹凸面、榫槽面、梯形槽等,因 此与不同密封面相匹配的垫片结构也不完全相同.设计时主要根据介质的特性、 温度、压力,确定垫片的材料、结构型式及尺寸.预紧密封比压y和垫片系数m是表征垫片特征的两个主要参数.预紧密

3、封 比压y是指预紧时迫使垫片变形与密封面接触以形成初始密封条件,垫片上所必须的单位面积上的最小压紧载荷.垫片系数 m是指操作时到达密封不漏,垫片 上所必须维持的工作密封比压 匚8与介质压力p的比值.y、m的大小与垫片材料、 结构等因素有关.设计时,由y、m确定垫片在预紧和操作状态下的压紧力大小.3、在法兰连接结构中,连接螺栓提供压紧力.螺栓力既要保证预紧和操作 时密封不漏,又要不致把垫片压坏.计算螺栓预紧和操作状态所需最小载荷和螺 栓最小截面积如表3-2所示.设计所需螺栓面积Am取Aa与Ap之大值,并按下式计算螺栓的根径.d-t；4Ammm(3-7) n兀为满足法兰环刚度和安装等要求,设计时必

4、须合理调配螺栓的大小和个数, 并要求实际螺栓面积Ab>Am.由法兰环的刚度要求螺栓的最大间距为：6tSmax =2dBmm(3-8)(m 0.5)4、法兰按法兰环、锥颈和筒体的整体程度分为松式法兰、整体法兰和任意 式法兰.松式法兰被认为法半未能有效地地与筒体连接成一整体,筒体不与法兰共同承受法兰力矩的作用；如果法兰环、颈部和筒体三者能有效地连成一整体, 共同承受法兰力矩的作用,那么为整体法兰；其受力的整体性程度介于以上二者之间的法兰为任意式法兰.法兰标准有压力容器法兰标准JB4700 4707 92和钢制管法兰标准HGJ44-7691.前者将法兰分为平焊包括甲型和乙型和对焊法兰,后者 那

5、么分为平焊、对焊、承插焊、平焊环松套板式等法兰.使用法兰标准时,按不同 公称直么DN和公称压力PN选择.应当指出,由于标准法兰的 PN是一 定的法兰材料和温度下的最大工作压力,例如,压力容器法兰的PN是按材料16MnR或16Mn在200E条件下确定的.因此选择标准法兰时,应注意法兰材料 和温度对法兰PN与最大工作压力的对应关系.5、法兰设计方法很多,其中应用较多的是 Waters法,它是以弹性应力分析 为根底的设计方法.分析过程是将带颈整体法兰分为壳体、锥颈和法兰环三局部, 然后利用薄壳理论和平板理论对三局部进行应力分析,并经简化得设计公式.非 标准法兰从设计角度分为整体法兰和活套法兰,其受力

6、如图3-1所示.1法兰载荷计算表3-3.2法兰应力计算如表3-4所示.法兰的最大轴向弯曲应力总发生在颈的大端或小端处；法兰环的最大径向应 力由径向弯曲应力和径向正应力两局部组成,并位于环内缘面与锥颈的连接点 处；法兰环的最大环向应力由弯曲应力和正应力两局部组成,位于内缘面靠近垫片密封面处,而表中7 t为环内缘面与锥颈的连接点处的应力.W Am AbWp对于活套法兰及平焊法兰,还应按预紧和操作两种工况计算剪应力,即(3-9)式中,AT为剪切面积.3应力校核二乞1.5匚f与2.5 n之小值(3-10)J十;-t 十f0.5；二 6及0 . 5芯 y 二； a 乞0.8匚n及 p 乞 0.8Lfn颈

7、部的轴向弯曲应力7 z按极限载荷设计法,取1.5二f与2.5二常的小值作 为它的最大允许应力.法兰的7 r、7 t那么按制在材料的弹性范围内.为防止法兰 环材料局部屈服,故应对锥颈和法兰环的应力平均值加以限制.当不满足应力校核条件时,需调整法兰锥颈或法兰环的尺寸,使应力校核条件满足.法兰的剪应力应分别小于或等于翻边或筒体材料在常温和设计温度下许用 应力的0.8倍.3.2.3复习思考题1、法兰垫片密封的原理是什么？影响密封的因素有哪些？2、法兰垫片密封面型式有哪些？各有何特点？3、垫片按其材料分为几类？各类的特点和大致适用范围如何？4、垫片的性能参数有哪些？它们各自的物理意义是什么？5、法兰的型

8、式有哪些？各有何特点？6法兰标准有何意义？标准化的根本参数有哪些？选择标准法兰时,按哪 些因素确定法兰的公称压力 PN?7、螺栓设计时,对螺栓大小和个数的调配由哪些因素确定？8、在法兰应力计算中,为什么要对平均应力进行校核？9、进行非标准活套法兰设计时,可调整什么尺寸以降落法兰的应力？10、 如果长颈对焊法兰的应力校核不满足要求时,可调整法兰的哪些尺寸来 降低法兰的应力.3.2.4例题例3-5设计一受压容器连接用的容器法兰.：圆筒 DN=800mm,设计 压力p=0.8Mpa,设计温度T=250C,筒体名义厚度tn=6mm,圆筒材料Q235-A, 腐蚀裕量C2=1.5mm.解根据设计条件,本设

9、计采用平焊法兰结构型式.由于 tc=tn C2=4.5mm<15mm,Di/tc=800/4.5=178<300,p=0.8Mpa<2Mpa, 操作温度小于370 r,故可按活套法兰进行简化设计.1、垫片设计(1) 垫片材料、密封面型式根据设计条件,参照JB4700采用石棉橡胶板垫片.采用平密封面.(2) 垫片参数由GB150或教材表2-9查得,y=11Mpa,m=2.(3) 垫片尺寸参照JB4704?非金属软垫片?标准,取垫片厚度S g=3mm,垫片外径D3=844mm,内径 D2=804mm.(4) 垫片宽度垫片实际宽度n= D3 _ D2 = 20mm2垫片根本密圭寸宽

10、度bb N = 20 =10mm 6.4mm2 2垫片有效密封宽度b= 2.53、b.=253.10 = 8mm(5) 垫片压紧力作用中央圆直径Dc=垫片接触面外径一2b=844 2X 8=828mm(6) 垫片宽度校核N minAb；b6.28Dg y6574 1176.28 828 11=13.45mm因N=20mm>Nmin,故满足要求.2、螺栓设计(1) 螺栓载荷a. 预紧状态时需要的最小载荷Wa fDGby =3.14 828 8 11 =228793Nb. 操作时需要的最小载荷Wp2:Dg p-2 二 DGbmp42=0.785X 828 X 0.8+6.28X 828X 8

11、X 2X 0.8=497105N(2)螺栓材料及许用应力参照 JB4700- 92,选用螺栓材料35钢,其许用应力为(3) 螺栓面积预紧时WaAa =市操作时Ap当rb；b =117MPa ,二；竺Z9 5mm2117沁= 606mm282= 82MPa2A m =6062mm需要的螺栓面积Am取上述两者中的大值,(4) 螺栓配置参照JB4701?甲型平焊法兰?,取螺栓M20,螺栓根径d1=17.294mmb.螺栓数量及总截面积螺栓数量n4Am24 606225.8个3.14 17.294按4的倍数圆整为 螺栓总截面积28个.Ab228 3.14 17.29426574mmc. 螺栓中央圆直径

12、法兰反面的径向结构要求Dbi> DN+ 2g； 2S = 800 2(6 8)2 24 二 867mm式中 g；按JB470192确定:S 由 GB150 得 S =0.8S=0.8X 30=24mm.密封面径向结构要求Db2> D3+2A +d+848+2 X 3+23=873mm 式中 d螺栓孔直径,d=23mm.螺栓孔环向结构要求Db3 -虫兀= Z=410mm3.14式中S由GB150查得,S=46mm.实际螺栓中央圆直径取 Db=880mm(5) 螺栓设计载荷预紧状态 W = Am Ab 二b 二 60626574 2 117 =739206N2操作状态W=Wp=4971

13、05N3、法兰设计(1) 法兰材料及许用应力法兰材料选用16MnR (板材),许用应力为：匚f =157MPa,二；=132MPa(2) 法兰力矩':二 2 2P = D； p = 0.785汉 8122 汉 0.8 = 414068N4P2(Dg D2)p =0.78(82881 2) 0.8 = 1 6 4 TN94P3 =2二Dgbmp =6.28 828 8 2 0.8 = 66558NI1Db -D880-8122=38.5mm12131113238.5 262=32.25mmDb - DG2880 - 8282=26mm操作时法兰力矩Mp=P1h+ P2b+P3l3=414

14、068X 38.5+16479X 32.25+66558X 26=18203574N mm 预紧时法兰力矩Ma=WI3=739206X 26=19219356N mm法兰设计力矩Mp =18203574 N? mm= 161589取大值 ff132M a - =19219356J157M=18203574N mm(3) 形状系数法兰外径 D=Db+2Se=880+2X 20=920mm式中Se 由 GB150 得,Se=20mm= 1.133 D 920K = 一 =Di 812由GB150或教材图2-57查得Y=15.57(4) 法兰厚度YMt门；Di15.5781

15、2二 51.42mm取 t=52mm.(5) 剪应力校核a.剪切面积A：,=専DJ =3.14 81222947mm2式中 I按JB470192?甲型平焊法兰?确定,l=9mmb.剪应力预紧状态下的剪应力W 739206“-a32.2MPaA 22974操作状态的剪应力Wp 497105 pp21.64MPap A22974C.剪应力校核a =32.2 ：0.8打n =0.8 113 = 90.4MPap =21.64 ：0.8汀.= 0.8 94 = 75.2MPa满足要求.(6) 法兰刚度要求为满足法兰刚度要求,螺栓最大间距S =2dB6t(m 0.5),本设计中Dbn3.14 88028

16、=98.69mm那么满足法兰刚度要求所需的最小法兰厚度为:tmin(S-2dB)(m 0.5)=(98.69 -2 2°)(2 0.5) = 24.5mm6 6因t t min,故本法兰设计厚度t=52mm例3-6设计一容器用的平焊法兰.容器公称直径DN=800mm ,设计压 力p=3Mpa,设计温度T=300C,筒体材料16MnR,筒体名义厚度tn=14mm,腐 蚀裕量C2=2mm.解根据设计条件,采用设置法兰圆筒短节的乙型平焊法兰型式,取短节厚度 g° =22mm(g°16mm),伸出法兰环局部长度 l=125mm(l0.5DN g°).1、垫片设计

17、(1) 垫片材料、密封面型式根据设计条件,采用带内增强环的不锈钢缠绕垫片,密封面用凹凸面.(2) 垫片参数m=3, y=69(3) 垫片尺寸参照JB4705?缠绕垫片?,取垫片外径D3=865mm ,内径D2=825mm,垫片厚度.g =4.5mm.(4) 垫片尺寸垫片实际宽度:D3 - D865-8252二 20mm垫片根本密封宽度比丄心abo*18 4.52=11.25mm . 6.4mm垫片有效密封宽度b =2.53., b0=2.5311.2 8.5mm(5) 垫片压紧力作用中央圆直径Dg=垫片接触面外径 2b=865 - 2 X 8.5=848mm(6) 垫片宽度校核NminAb；b

18、6.28DG y13522 2126.28 848 69=7.8mm ： N = 20mm取N=20mm满足要求.2、螺栓设计(1) 螺栓材料和许用应力材料用 40MbB,其许用应力二b =212MPa,二；=167MPa(2 )螺栓载荷预紧状态所面的最小螺栓载荷Wa=3.14DGby=3.14 X 848 X 8.5X 69=1561685N操作状态所城最小螺栓载荷2Wp=0.785 Dg p 6.28DGbmp2=0.785 X 848 X 3+6.28 X 848 X 8.5 X 3 X 3=2100886N(3 )螺栓面积预紧时A Wa-67366mm操作时A

19、p2100886167二 12580mm需要的螺栓面积 Am=12580mm 2(4 )螺栓配置a. 螺栓规格取M24,螺纹根径d1=20.752mmb. 螺栓数量4片 _4 125802 2:d'3.14 20.7522二 37.2个圆整后取n=40个螺栓总截面积240 3.14 20.75242= 13522 mmc螺栓中央圆直径 法兰反面径向结构要求Db1_DN 2g； 2S =800 2 40 2 27.2 = 934.4mm式中gi由GB150中法兰结构确定,取gi=40mm；S 由 GB150,得 S =0.8S=0.8X 34=27.2mm.法兰密封面径向结构要求Db2

20、> D4+2 +d=863+2X 12.5+27=915mm 式中参照 JB4702-92 取 12.5mm.螺栓环向结构要求、nS 40 汉 56Db3713.4mm二3.14式中S由GB150查得,S =56mm实取螺栓中央圆直径(5)螺栓设计载何Db=935mm.预紧时 W=0.5(A m+A b) d b=0.5(12580+13522) X 212=2767024N操作时 W=Wp=2100886N3法兰设计(1) 法兰材料法兰材料 16MnR,许用应力d f=150Mpa , t113MPa.(2) 法兰力矩a载荷P1 = 0.785D：p =0.785 8042 3 =15

21、22310NP2=0.785DGp-0.785Dj2p =0.785 8482 3 -0.785 8042 3 =171180NP3=6.28DGbmp =6.28 848 8.5 3 3 =407396Nb力臂l1=S+0.5g1=27.5+0.5 X 38=46.5mm式中S=0.5(Db Di - 2g)=0.5(935 804-2 X 38)=27.5mmgg1 -C2 = 40 -2 = 38mml2 =0.5(S g1 l3) =0.5(27.5 38 43.5) = 54.5mm l3 =0.5(Db DG) =0.5(935 -84843.5mmC.法兰力矩M p=Pili+P

22、2b+P3l3= 1522310X 46.5+171180X 54.5+407396X 43.5 =97838451N mmMa=Wl3=2767024X 43.5=120365540N mmd. 法兰设计力矩Mp =97838451N mm"r Q-t113Ma - =1203655409067538 N mm 取大值<rf150M =97838451N mm(3)形状系数h0 - . Djg0 - 一 804 20 = 126.8mm22h/h00.1735126.8法兰外径 D+Db+2Sc=935+2X 26=987mm,取 D=990mm990804= 1.231計知

23、1.9查表得 T=1.83, Z=4.88, 丫=9.46, U=10.40查图得 F=0.894, V=0.385,f=2.5Fe =ho0.894126.8-0.00705dUh0g2 -10.40 126.8 201370099V0.385假设法兰厚度t=90mm:=te 1 =90 0.00705 1 =1.635屮Y = 一 ：T635 = 0.8931.83d11370099=0.532'二 二 0.893 0.532 =1.4254法兰应力 a应力3390fM2.5 97838451(1.33te 1)Mt2Di(1.33 90 0.00705 1)9783845121.

24、425 90804= 19.4MPa-t9.46 97838451290804-4.88 19.4 = 47.4MPab.应力校核Cz ：1.5叮;=1.5 113=169.5MPa6十；=113MPa；_：； =113MPa0.5(6 6)=0.5(147.8 19.4) =83.6MPa ：； =113MPa0.5(6 )=0.5(147.8 47.4) =97.6MPa ：； -113MPa(5) 法兰剪应力a. 剪切面积Ar = “DI =3.14 844 44 = 116607mm式中I 法兰与短节焊缝高度,取l=44mm.b. 剪应力预紧状态a =W 二 2767024 =23.7

25、MPa ： 0.8；n =0.8 163 = 130.4MPaA 116607W 2100886操作状态p p18MPa ： 0.8二；=0.8 135 = 108MPap A 116607由以上计算可知,法兰的正应力和剪应力的强度足够.(6) 法兰刚度要求tmin =(S-2dB)(m 0.5)/6= (73.4-2 24) (3 0.5)/6 = 14.8mm式中Db3.14 93540二 73.4mmtmin < t二90mm,满足刚度要求例3-7 设计某容器筒身与筒盖的连接法兰.容器内径Di=1000mm,设计压力p=6Mpa,设计温度 T=1000 C,筒体材料 16MnR,壁

26、厚tn=25mm,腐蚀裕量 C2=2mm.解根据设计条件,压力较高,宜采用长颈对焊法兰.1、垫片设计(1) 垫片材料、密封面型式根据设计条件,采用不锈钢缠绕垫片和榫槽密封面.(2) 垫片参数m=3, y=69(3) 垫片尺寸由JB4706?金属包垫片?,取垫片外径 D3=1099mm ,内径D2=1049mm ,厚度、；g=4.5mm.(4) 垫片宽度垫片实际宽度N二D3-D221099-104925mm2垫片根本密封宽度b' -gb0 :=23 4.5 = 13.75mm . 6.4mm22垫片有效密封宽度b = 2.35 b0 二 2.5313.75 二 9.38mm(5) 垫片压

27、紧力作用中央圆直径D 6=垫片接触外径一2b=1099 2X 9.38=1080.24mm(6) 垫片宽度校核N minAb；b6.28Dg y34643 2286.28 1080.24 69=16.9mmN=25mm>N min,满足要求.2、螺栓设计(1) 螺栓材料和许用应力 螺栓材料采用 35CrMoA ,匚b=228Mpa,匚；=206Mpa(2) 螺栓载荷预紧状态Wa=3.14DGby=3.14 X 1080.24X 9.38X 69=2195340N2操作状态Wp=0.785 Dg P+6.28DGbmp2=0.785 X 1080.24 X 6+6.28X 1080.24

28、X 9.38X 3X 6=6641581N(3) 螺栓面积预紧状态Wa = 2 195340962mm2“ 228操作状态叫6641583224刁；206需要的螺栓面积A m=32241mm2(4) 螺栓配置a. 螺栓规格取M36螺栓,螺纹根径 d1=31.670mmb. 螺栓数量4Am:d124 3224123.14 31.6702=41个取n=44个螺栓总面积Ap2=34643mmn :d1 44 3.14 31.670244c. 螺栓中央圆直径 法兰反面结构要求:以法兰锥颈小端厚度与容器壳壁等厚,即go=25mm,锥颈大端厚度g0 = (1.5 2) g0 = (1.5 2) 25 =

29、37.5 50mm,取 g；=46mm.由 GB150 查得 S=48mm.Db1_DN 2g； 2S=1000 2 46 2 48 =1188 mm螺栓环向布置要求：nS 44 80Db31121mm二 3.14式中 S由GB150查得,S =80mm.实际取螺栓中央圆直径Db=1195mm.(5) 螺栓设计载荷预紧时 W=0.5(A m+Ab)匚b=0.5 X (32241+34643) X 228=7624776N操作时 W=Wp=6641581N3 法兰设计(1 )法兰材料法兰材料 16Mn (锻件),许用应力二f=150Mpa , ； =150MPa(2 )法兰力矩a载荷R =0.7

30、85D：p = 0.785"0042 汉 6 = 4747755NF2 = 0.785DG p- 0.785Di p= 0.785 1080.242 6-0.785 10042 6=748431NR3=6.28D Gbmp=6.28 X 1080.24 X 9.38 X 3 X 6=1145395Nb力臂S O.Db-Dj-2g1 =0.5 (1195-1004-2 46) = 49.5mml2 = S 0.5g1 = 49.5 0.5 44 二 71.5mm式中g gC2 = 462 = 44mmb=0.5(S+g计 b)=0.5X (49.5+44+57.38)=75.44mml

31、3= 0.5(D b Dg)=0.5 X (1195-1080.24)=57.38mmc. 法兰力矩Mp=Pili+P2l2+P3l3=4747755X 71.5+748431 X 75.44+1145395 X 57.38=461648882N mmMa=W 13=7624776 X 57.38=437509647Nd. 法兰设计力矩M p=461648882N - mm汀f150Ma -二 437509647437509647N mm二f150取 M=461648882N - mm(3) 形状系数h0 = Djg0 = . 1004 23 = 152mm式中 g°法兰锥颈小端有效

32、厚度,g°= g0 - C2 =25-2 = 23mmgg0=44/23=1.91令f=1,由GB150或教材图2-54查得h/h°=0.54,那么法兰锥颈高度 h=0.54 X 152=82mm.法兰外径D=D b+2Sc=1195+2 X 36mm=1267mm,取 D=1270mm.式中 Sc 由 GB150 得 Sc=36mm.查表得T=1.81 , Z=4.33 ,DDi12701004-1.265Y=8.39 , U=9.23查图得 F=0.822, V=0.23Fe =h°0.833152= 0.00541d1 =Uh°g2 n923 15

33、2 23 3226808 V0.23法兰厚度：假设t=110mm1=110 0.00541 1 =1.595 裡/T =1.595/1.81 =0.881= t3/d1 =1102/3226808 =0.412, 二 0.8810.412 =1.293(4 )法兰应力fM2 7g1 Di1 46164888221.293 441004= 183.7MPa(1.33te 1)M (1.33 110 0.005411) 46164888222t Di1.293 110100452.7MPaYMt2Di-ZS8.39 4616488821102 10044.33 52.7 =90.6MPa(5)应力

34、校核二=183.7MPa ：1.5二f =1.5 150 =225MPa；r =52.7MPa :二tfG =90.6MPa ：；+0.5(6 G) =0.5(183.7 52.7) =118.2MPa ：；0.5(；二 g) =0.5(183.7 90.6) =132.2MPa ：；法兰满足强度要求.(6)法兰刚度要求S = 6仝14 1195 =85.3mm n44由法兰刚度要求厚度宀tmirl =(S-2dB)(m 0.5)/6 =(85.3-2 36)(3 0.5)/6 = 7.8mmt=120 mm>7.8mm,故法兰刚度满足要求.讨论(1) 例3-5是按活套法兰设计的任意式(平焊)法兰,采用 JB4701-92甲型法兰结构 型式.一般说来,这种法兰应按整体法兰设计.只有满足一定条件时,才可按活套法兰设计. 这种方法不考虑锥颈与圆筒连接处的应力,但如果圆筒壁较薄时,此处的应力往往较大.(2) 例3-6和例3-7设计的乙型平焊法兰和长颈对焊法兰,从应力计算过程可知,锥颈(包括圆筒短节及其焊缝)尺寸对轴向应力：二有显著影响,而对径向应力 6影响最大的是法兰环的厚度.因此,设计时如果二z不适宜,宜采取调整锥颈尺寸的方法；如果二r不合适应调整法兰环的厚度；当 F不适宜那么主要采取调整锥颈尺寸的方法.(3) 法兰连接设计的内容为垫片设计、螺栓设计和法兰设计.设计时必须合理