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    法兰设计计算方法应用探讨.pdf

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    法兰设计计算方法应用探讨.pdf

    第43卷第6期 2014年11月 石油化工设备 PETROCHEMICAI EQUIPMENT VoI.43 No.6 NOV.20i4 ,‘’ “”“”“、 i经验交流i k.. ...... - 文章编号100074662014060076 04 法兰设计计算方法应用探讨 刘春发,施辉明,万娟 中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司,四川成都610041 摘要在国内压力容器设计行业中,存在着较为普遍的法兰设计计算难题。从拆解、分析标准中法 兰设计计算的过程解答了这一难题,并通过实践算例进行印证,可以帮助设计人员加深对标准中法 兰设计计算过程的理解和掌握。 关键词法兰;设计计算;许用应力;探讨 中图分类号TH49;TQo5o.3 文献标志码B doi10.3969/j.issn.1000~7466.2014.06.020 Discussion on Application of Flange Design Calculation Specified LIU Chunfa,SHI Huiming,WAN Juan CPE Southwest Company,Chengdu 610041,China AbstractThe flange design calculation is a common difficulty in the domestic pressure vessel design sector.The intention is to solve this problem by decomposing and analyzing the calculation process of standard flange design and prove it through practice numerical examples.This can help designers to have a thorough understanding and knowledge of the standard flange design ealcula tion. Key wordsflange;design calculation;allowable stress;discussion 法兰作为重要的标准零部件,在压力容器和压 力管道设计中被广泛采用。工程中有时需要单独进 行法兰的设计,以满足结构需要、经济合理等要求。 但在法兰设计中,出现了很多令设计人员不解的实 例,例如采用全国锅炉压力容器标准化技术委员会 认可的压力容器设计计算软件SW6核算各标准中 的部分法兰时口],常得出计算结果不合格的结论,或 经计算合格但其法兰厚度值远大于同压力等级标准 法兰厚度值的情况,达不到经济合理的目的。又如 对同一法兰设计条件,当选用低应力紧固件时可得 到计算合格的结论,但选用高应力紧固件时却得到 计算不合格的结论。 笔者仔细研究了法兰设计计算的过程、公式,通 过对法兰设计计算过程的拆解、剖析,从理论角度对 上述问题进行了解释,并提出了经济实用的解决办 法。文中仅探讨法兰设计计算中直接影响法兰设计 厚度的部分,并以2个仅紧固件参数不同的整体法 兰设计计算实例的部分计算数据的对比为依据,对 设计过程的解析加以佐证。 l工程设计实践 1.1 法兰设计计算理论 GB 150.32Oll压力容器第3部分设计[2] 第7章同ASMEⅧ一1 2O07Rules for Construc tion of Pressure Vessels} 附录2分别给出了包括 松式法兰、整体法兰及任意式法兰这3种法兰型式 收稿日期2Ol4 O6~2O 作者简介刘春发1972一,男,四川遂宁人,工程师,学士,主要从事压力容器设计工作。 第6期 刘春发,等法兰设计计算方法应用探讨 及相应的设计计算方法,SW6中包含了法兰设计计 算部分。 工程设计中实际选用的大多是窄面法兰,法兰 设计计算理论为文献[2]第7章中相关窄面法兰的 部分。 1.2 计算过程分析 在某按文献[2]设计计算的工程实例中,当计算 压力,设计温度,法兰材质,法兰尺寸,密封面型式, 密封垫片材质以及紧固件材质、规格和数量确定时, 从法兰设计计算过程可明确得出①文献I-2]式7 1~式7-6的计算结果是确定值。②在紧固件材 质确定的情况下即按照标准选用的紧固件的[ ] 、 [ ]是确定值,由计算出的预紧状态下需要的最 小螺栓面积A 和操作状态下需要的最小螺栓面积 A。确定的A 按文献[2]第7.5.2.3条,需要的螺 栓面积A 取A 和A。确定值中的大值也是确定 值。③在紧固件规格和数量确定的情况下,实际螺 栓面积A 是一个仅与紧固件规格尺寸和数量有关 的确定值。④由A 、A 、[ ] 、L。确定的预紧状态 下的螺栓设计载荷w和法兰力矩M 是确定值。 ⑤法兰在操作状态下的设计载荷w和法兰力矩M。 是确定值,法兰设计力矩M。也是确定值。 进一步试算即可得到必须满足应力校核要求的 法兰最小厚度 。但如前所述,实际工程设计中常 出现试算合格的法兰厚度值远大于相近规格的标准 法兰厚度值的情况。结合工程计算实例并研究、分 析法兰设计计算数据,可以发现几个重要现象①法 兰设计力矩M。往往是由预紧状态下的法兰力矩 控制的,即Ma[ ];/[ ]r 。②在确定预紧状 态下法兰力矩 的计算式中,A 往往比A 大很 多倍。由此可推论出,由预紧状态下法兰力矩 控制的法兰设计力矩M。计算出的法兰厚度存在较 大的富裕量。③在确定预紧状态下法兰力矩Ma的 2个参数中,A 是1个根据紧固件尺寸计算出的固 定值,而[ ] 是按照GB 150.22O1l压力容器第 2部分材料 查出的紧固件许用应力标准值,计 算过程中以满负荷[d] 全值计算,即设想紧固件在 即将失效的状态下进行法兰设计计算。 1.3 推论 在实际设计中,存在着对同一法兰设计尺寸,当 选用低等级紧固件即较低的紧固件许用应力时可 得到计算合格的结论,而按照标准要求如HG/T 20595~20635--2009钢制管法兰、垫片、紧固件 ] 即规定了紧固件的选用选用较高等级紧固件即较 高的紧固件许用应力时却得到计算不合格结论的 现象,由此推论通过调整所选用紧固件的许用应力 [ ] 、[ ],将可以得到令人满意的法兰设计厚度。 分析如下①紧固件规格及数量确定后,实际螺 栓面积A 是一个不变的确定值。②假定可以调整 紧固件许用应力[ ] 、[ ] 数值,则由文献[2]式7 7、7-8计算得出的预紧状态下需要的最小螺栓面 积A 和操作状态下需要的最小螺栓面积A。将随 之变化。当减小[ ] 、[ ]时,A 和A。将增大。按 照“需要的螺栓面积A 取A 与A。中的大值”的规 定,A 也将随之增大。③由文献[2]中w 、w。、A 、 A。的计算式7-4、7-6、7-7、7-8可知,式7 9、7-l1中的A [ ]b是法兰由预紧状态下的法兰 力矩控制情况下即A A。的确定值,为w 和 。中的大值,不会随着[ ] 的调整而变化。④因 实际螺栓面积A 是不变的确定值,因此文献[2]式 7-9、7-11中A [ ] 将随着[ ] 的调整而变化, 当[ ] 减小时A [ ] 会相应减小。这部分载荷由 紧固件的选用确定,而不是由法兰操作状态的载荷 确定。当选用不同材料的紧固件时,A [ ] 就不 同。结合③、④可以得出,当[ ] 、[ ] 减小时,文 献E2]式7-9中的w和式7-11中的M 相应减小 了。⑤因规定实际螺栓面积A 应不小于需要的螺 栓面积A ,当调小[ ] 、[ ]l数值至按照文献[2]中 7.5.2.3规定计算出的A 接近并略小于A 时,文 献E2]式7-9、7-11中的W、M 将接近最小值,亦 即从整体上得到了预紧状态下最小法兰力矩值M 。 由接近最小值的Ma确定的 也将是接近最小值, 由此试算出的使各项应力合格且接近最薄的法兰厚 度 最经济。 2法兰计算实例 经多次实践检验,上述法兰设计方法方便有效。 笔者以某窄面整体或带颈松式法兰为例进行说 明,仅列出与文中论述相关的输入条件、关键计算过 程和结论等,未说明的符号含义与文献E4]相同。2 个算例中,除紧固件的许用应力取值不同,以及法兰 厚度以试算至法兰3个应力值到合理值为止外,其 余计算参数完全一致。其中实例1的紧固件许用应 力按照文献[4]选取,实例2的紧固件许用应力降低 至[ ] 、致使A 接近并略小于A 。 2.1计算实例1 2.1.1设计条件 法兰设计压力为6.300 MPa,计算压力为 石油化工设备 2Ol4年第43卷 6.300 MPa,设计温度60.0。C,轴向外载荷为0,外 力矩为0。壳体材料为高压化肥设备用无缝钢管 20钢 ,其在设计温度下的许用应力[ ] 一 124.5 MPa;法兰材料为承压设备用碳素钢和合金 钢锻件2O IllIt],其在常温下的许用应力[ ] 一 130.0 MPa、设计温度下的许用应力[ ]; 124.5 MPa。紧固件按照HG/T 20613 2O09钢制 管法兰用紧固件PN系列 选用,材料为 35CrMoA,数量8个,公称直径为M24。紧固件材 料在常温下的许用应力[ ]b一228.0 MPa、设计温 度下的许用应力[ ] 217.0 MPa。法兰结构尺 寸D 112.3 mm、D。一250.0 mm、o一3.5 mm、 一12.9 mm、h一36.0 mm、Db一200.0 mm、L 一 25.0 mm、LA一31.0 mm。按HG/T 2061O一2O09 钢制管法兰用缠绕式垫片PN系列lg 选用缠绕 式垫片,其D外一144.4 mm、D内一122.6 mm,垫片 类型为软垫片,性能参数m一3.O0、 一69.0 MPa, 压紧面形状为1a、1b。紧固件和垫片的选用符合 HG/T 20614--2009钢制管法兰、垫片、紧固件选 配规定PN系列_】。。中的规定。法兰厚度 一 43.5 mm。 2.1.2 螺栓受力计算结果 A 一maxA。,A 一804.5 mm。,实际螺栓总 截面积Ab一2 705.8 mm 。轴向应力o-H 104.05 MPa,按要求需小于1.5[ ]}一186.8 MPa 和2.5[ ];311.2 MPa中的大值,校核合格。径向 应力 R一26.88 MPa%[ ]}一124.5 MPa,校核合 格。切向应力 一113.96 MPa[d];一124.5 MPa, 校核合格。Max{0.5 HOR,0.5 H } 109.00 MPa[ ]{一124.5 MPa,校核合格。 2.2 计算实例2 2.2.1 设计条件 法兰厚度 一27.5 mm。紧固件材料为 35CrMoA,但设定其在常温下的许用应力[ ] 79.8 MPa,设计温度下的许用应力[ ]6 75.8 MPa。 2.2.2 螺栓受力计算结果 A 一maxA。,A 一2 302.1 mm。,实际螺栓总 截面积Ab一2 705.8 mm 。轴向应力 H一 130.91 MPa,按要求需小于1.5[ ]}一186.8 MPa 和2.5[ ]一311.2 MPa中的大值,校核合格。径向 应力 一65.51 MPa%Eo]i一124.5 MPa,校核合 格。切向应力 一94.31 MPaFa}一124.5 MPa, 校核合格。Max{0.5 H5rR,0.5 H-4-OT}一 l12.61 MPa[ ]}一124.5 MPa,校核合格。 2.3 对比分析 对比分析2个算例,当降低紧固件常温下、设计 温度下许用应力至文献[4-1规定值的35 时,法兰 合理厚度值仅为降低之前法兰合理厚度值 的63.2 。 法兰计算实例关键参数对比见表1。 表1 法兰计算实例中部分关键参数对比 3 结语 文中论述涉及到减小紧固件的许用应力[ ] 、 [ ]6数值将其用于法兰设计计算,理论上相当于增 大了紧固件的安全系数,工程应用中是允许的,同时 可以掌握相应使用工况下紧固件的安全裕量。对于 [ ] 、[ ]l数值的调整幅度,设计者应根据工程实践 经验确定,一般可以按照A 接近并大于1.1A 且 满足计算需要进行控制。 在选定紧固件规格和材料后,SW6软件会自动 给出其在常温和设计温度下符合文献E4]规定的许 用应力[ ] 、[ ]数值,目前SW6软件允许在选定 材料后手动修改这2个值。若在修改数值后再次改 变材料,许用应力数值会自动变为新材料常温和设 第6期 刘春发,等法兰设计计算方法应用探讨 计温度下的许用应力数值,如需调整这2个值,则需 要重新手动修改。在调小许用应力Eo] 、[ ] 数值 时应同时考虑2个值按同比例调整。文中所述观点 希望与同行业者共同探讨。 参考文献 [1]全国化工设备设计技术中心站.过程设备强度计算软 件包SW6--1998[CP/CD].全国化工设备设计技术 中心站,1998. National Technology Center of Process Equipment. Calculation Software for Process EquipmentSW6 1 998[CP/CD].National Technology Center of Process Equipment,1998. [23 GB 150.32o11,压力容器第3部分设计Es]. GB 150.32O11,Pressure VesselsPart 3Design Is]. E33 ASMEⅧ一12O07,Rules for Construction of Pressure Vessels[s]. E4]GB 150.22O11,压力容器第2部分材料[s]. GB l5O.22O11,Pressure VesselsPart 2Materials Is]. [5]HG/T 20595~20635--2009,钢制管法兰、垫片、紧固 件[S]. HG/T 2059520635--2009,Steel Pipe Flanges,Gas~ kets and Bolting[S]. [6]GB 64792O13,高压化肥设备用无缝钢管Is]. GB 6479--2013,Seamless Steel Tubes for Highpres sure Chemical Fertilizer Equipments[S]. [7]NB/T 47008--2010,承压设备用碳素钢和合金钢锻件 [s]. NB/T 47008--2010,Carbon and Alloy Forgings for Pressure Equipmentsi,S]. [8]HG/T 206132。09,钢制管法兰用紧固件PN系列 Is]. HG/T 20613--2009,Bolting for Use with Steel Pipe FlangesPN DesignatedIS]. [9]HG/T 20610--2009,钢制管法兰用缠绕式垫片PN 系列[s]. HG/T 20610--2009,Spiral Wound Gaskets for Use with Steel Pipe FlangesPN Designated[s]. [1o]HG/T 20614--2009,钢制管法兰、垫片、紧固件选配规 定PN系列[s]. HG/T 206142OO9,Specification for Selection of Steel Pipe Flanges,Gaskets and BoltingPN Designat edIs]. 张编 欢迎订阅石油化工设备期刊 石油化工设备期刊系经国家科委和新闻出版署共同审核批准,中国石油和石油化工设备工业协会与 兰州石油机械研究所合办的全国性期刊,面向全国石油化工、炼油、化工、化肥行业以及相邻的制药、轻工、动 力、机械等诸领域的工程技术人员、大专院校师生、经营管理人员和技术领导干部。开设有标准化、试验研 究、设计计算、专题评述、技术经济评述、制造技术、技术应用、经验交流、文献题录以及图片信息舞台等栏目, 并有丰富的产品广告信息。 本刊系美国化学文摘CA收录期刊,荷兰Elsevier收录期刊,中国科技核心期刊中国科技论文统计 源期刊,自1995年起被美国工程信息公司Ei定为Ei Page One数据库收录期刊,1996年入编中国学术 期刊光盘版CAJCD,1998年加人中国期刊网。先后荣获全国机械行业优秀科技期刊一等奖,第五届、 第六届全国石油和化工行业优秀期刊一等奖和甘肃省优秀期刊。 国内外公开发行,双月刊,大16开本,单价2O元,全年订价120元。全国各地邮局均可订阅,邮发代 号5419。 逾期订阅者可向本刊杂志社索取订单。 地 址甘肃省兰州市安宁区蓝科路8号730070 Emailsyhgsb163.COrn 电 话09317639660,02157207611 传 真09317639669,02157208839

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