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    非标任意式窄面法兰设计.pdf

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    非标任意式窄面法兰设计.pdf

    第43卷第5期 2014年9月 石油化工设备 PETR0一CHEMICAL EQUIPMENT Vo1.43 NO.5 Sept.2014 文章编号10007466201405005404 非标任意式窄面法兰设计 熊从贵 温岭市钱江化工机械有限公司,浙江温岭 317500 摘要结合法兰强度计算的力学原理,分析了影响任意式窄面法兰计算厚度的各个因素,提出了设 计任意式窄面法兰时应注意的问题。 关键词任意式窄面法兰;计算厚度;影响因素 中图分类号TQO55.81 文献标志码A doi10.3969/j.issn.10007466.2014.05.012 Design for Nonstandard Arbitrary Narrow Face Flange XIONG Cong-gui Wenling Qiaiang Chemical Engineering Machinery Co.Ltd.,Wenling 317500,China AbstractBy using flange strength calculation mechanics principle,the impact on arbitrary nar row face flange thickness calculation of each factor was analyzed,and the points of designing arbi trary narrow face flange should be paid attention to. Key wordsarbitrary narrow face flange;calculated thickness;influencing factor 法兰连接是压力容器、压力管道和其它许多设 备或零部件之间的紧密式可拆连接,是承压设备的 一种主要连接形式。法兰连接接头是由法兰、密封 垫片及紧固件组成的、防止内部介质泄漏的一种连 接形式。法兰连接既是一种部件之间的连接形式, 又是承压部件的一种主要密封结构,它依靠紧固螺 栓使法兰对密封垫片产生压紧力,迫使密封垫片产 LU Huanzhang.Petrochemical based Data Manual [M].BeijingChemical Industry Press,1982. [7] 夏清,贾绍义.化工原理JE册[M].天津天津大学出 版社,2012. XIA Qing,JIA Shaoyi.Principles of Chemical Engi neerinI[M].TianjinTianjin University Press, 2O12. [8]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京高等教育出版社, 2006. YANG Shiming,TAO Wen-quan.Heat Transfer [M].BeijingHigher Education Press,2006. 生变形,使密封垫片填满法兰面之间的细微通道来 实现初始密封。当压力容器或压力管道内承受压力 后,螺栓受到拉应力而伸长,法兰发生与密封垫片分 离的方向移动,法兰密封面与密封垫片之间的压紧 力减小,垫片受到的压缩应力减小,这时,如果密封 垫片没有足够的弹性使之填满法兰密封面与密封垫 片之间的泄漏通道并保持对压力介质足够的阻力, [9] 周开利,邓春晖.Matlab基础及其应用教程[M].北京 北京大学出版社,2007. ZH0U Kaili,DENG Chunhui.Tutorial Matlab and Its Application[M].BeijingPeking University Press, 2007. ElO]姜健飞,胡良剑,唐俭.数值分析及其Matlab实验 [M].北京科学出版社,2004. JIANG Jianfei。HU Liangjian,TANG Jian.Numeri caI Analysis and Matlah Experiment[M].BeiiingSci ence Press,2004. 杜编 收稿日期20140330 基金项目温岭市科技计划资助项目2013C1 1AA0004 作者简介熊从贵1982一,男,重庆人,工程师,学士,从事制冷管道设计、压力容器设计、制造和高效热交换器研究。 第5期 熊从贵非标任意式窄面法兰设计 法兰垫片将失去密封作用,即法兰与垫片的预紧密 封比压不得小于工作密封比压。法兰作为法兰连接 接头的一个独立的重要组成部件,与和它配套使用 的密封垫片、紧固件有着密不可分的联系,法兰的强 度计算结果受到法兰、密封垫片和紧固件的影响。 因此,在法兰设计计算时,始终将密封垫片和紧固件 与之作为一个整体进行考虑。 我国的压力容器法兰和压力管道用法兰都已经 标准化,设计时可以按照标准中对应材料在设计温 度下的最大允许工作压力不小于设计压力的原则进 行选用,而不必重新进行设计计算,但需要注意法 兰、垫片和紧固件的匹配要符合标准要求口 ]。当 法兰材料和标准不相同、法兰与垫片和紧固件的匹 配不符合标准要求或者标准中没有要求的法兰规格 时,需要重新进行设计计算。。]。 任意式窄面法兰介于整体法兰和松式法兰之 间,圆筒与法兰之间未形成整体结构,但能共同承担 法兰力矩,其垫片接触面位于法兰螺栓孔包围的圆 周范围内。因其具有加工方便、几何尺寸紧凑、经济 实用的特点,故在压力较低、温度不高、非极度高度 危害介质、非易爆介质、非疲劳工况的承压设备中应 用较多。 l 任意式窄面法兰计算模型 法兰的计算方法可以追溯到19世纪末,经百余 年的发展、研究,目前法兰的设计方法有很多 种 ],但究其根源,所依据的理论基础可概括为基 于材料力学的简单方法,如巴赫法和原苏联标准 TY 81O050高压管道零件技术条件中的方法、 西德ADB8压力容器规范.法兰规范方法等。我 国在法兰设计方面的研究工作开始于建国初期,2O 世纪60年代开始推广应用,我国的法兰设计规范和 标准大都采用华特氏法。 华特氏法在设计法兰时做了一系列的假设和简 化法兰在设计温度下保持弹性,不发生蠕变与塑性 流动;作用于法兰的螺栓载荷已经确定;螺栓载荷与 力臂按假定得出;螺栓载荷与力臂的乘积即为施加 在法兰上的外力矩;作用于法兰环上的力矩由作用 在法兰环上内径和外径上的一个当量力偶来代替; 沿法兰环分布的力矩作用而引起的法兰环中面的伸 长忽略不计;在沿法兰环均匀分布的扭矩作用下法 兰环形心的径向位移忽略不计;法兰环的翘曲和转 角很小;将锥颈和简体当作薄壳,并假定锥颈大端的 径向位移为0;由压力的径向作用引起的各元件边 界连接处的不连续应力远小于法兰力矩在法兰中引 起的应力,可省略;内压轴向作用引起的筒体与锥颈 中的薄膜应力大体与前者属同量级而省略。 华特氏法的力学模型见图1,经过假设和简化, 无论是平焊法兰或锥颈法兰都可以假想地分解为壳 图1法兰的华特氏法力学模型 体、锥颈和法兰环3个部分。壳体和锥颈部分受到 压力作用,法兰环受到压力、垫片反力及螺栓预紧力 的作用,根据这3个部分在连接处的变形协调方程 求出边缘力和边缘力矩,然后分别计算壳体、锥颈和 法兰环在外载荷、边缘力及边缘力矩作用下的应力。 2设计实例分析 1台干式蒸发器,公称直径DN500 mm,计算 压力P一1.4 MPa,设计温度t一38℃。筒节材料 30408,筒节材料许用应力137 MPa;法兰材料 30408,法兰材料许用应力131.8 MPa;螺栓材料 35钢,许用应力114.3 MPa。垫片比压力Y一 11.0 MPa,垫片系数 一2.0。查文献E1]得知法兰 材料牌号没有s3o4o8,因此需要按非标法兰设计。 法兰具体形状及参数见图2。 图2法兰外形及参数图 参考文献Eli中公称压力1.6 MPa甲型法兰尺 寸,D1630 mm、D2590 mm、D3545 mm、DN 石油化工设备 2014年第43卷 500 mm、n一28、d一23 mm。 根据设计参数得到的计算结果允许垫片最小 宽度N i 一21.1 mm,计算所需螺栓总截面积A 一 3 371.8 rnm ,允许最小间距L i 一46 mm,允许最 大间距L 一160 mm,法兰计算厚度 49.37 mm。 2.1调整螺栓材料 螺栓材料由35钢改为35CrMoA,许用应力为 205.5 MPa,其余参数不变,得到的计算结果如下 允许垫片最小宽度N 一37.8 mm,计算所需螺栓 总截面积A 一1 875。4 mm。,允许最小间距L一 46 mm,允许最大间距L 一148 mm,法兰计算厚 度 60.97 mm。 由此可见,在其它参数不变,实际螺栓总截面积 满足要求时,应尽量选择强度等级比较低的螺栓材 料。否则,螺栓材料强度等级越高,垫片所需最小宽 度越大,以防止垫片不被过大的螺栓预紧力压溃。 垫片宽度增加,预紧状态下法兰的预紧力和力矩相 应增加,法兰要满足抵抗较大的预紧力矩而不变形, 就需要增加法兰厚度。 2.2调整垫片宽度 垫片宽度由22.5 miD.改为15 mm,螺栓材料 35钢,其它参数不变,得到的计算结果如下允许垫 片最小宽度N i 一21.6 mm,计算所需螺栓总截面 积A 一3 113.2 mm ,允许最小间距L i 一46 mm, 允许最大间距L一148 mm,法兰计算厚度3 53.19 mm。 垫片宽度由22.5 mm改为15 mm,螺栓材料由 35钢改为20钢,许用应力为88.8 MPa,其它参数 不变,得到的计算结果如下允许的垫片最小宽度 N i 一16.8 mm,计算所需螺栓总截面积A 一 4 009.5 mm。,允许最小间距L 一46 mm,允许最 大间距L 一148 mm,法兰的计算厚度 49.03 mm。 由此可见,在其它参数不变时,如果螺栓材料强 度等级较高,垫片宽度减小反而导致法兰厚度增加。 螺栓材料等级和垫片宽度同时减小时,则法兰的计 算厚度减小。 2.3调整螺栓数量 螺栓数量由28个改为2O个,螺栓材料为20 钢,其它参数不变,得到的计算结果如下允许垫片 最小宽度N ; 一12 mm,计算所需螺栓总截面积 A 一4 009.5 mm ,允许最小间距L 一46 mm,允 许最大间距L 一64 mm,法兰计算厚度 一 44.47 mm 由此可见,在实际螺栓总截面积满足需要的情 况下,应尽量减少螺栓的实际总截面积,即减少螺栓 数量或减小螺栓规格。否则,螺栓实际总截面积越 大,为防止垫片不被过大的螺栓预紧力压溃,则垫片 所需最小宽度越大,垫片宽度增加,法兰需要的厚度 相应增加。 3任意式窄面法兰计算厚度影响因素[6{] 法兰的设计和密封垫片、紧固件的设计是相互 关联的。先根据设计压力、设计温度和操作介质确 定法兰的类型,当不能直接选用法兰标准中的标准 规格或法兰标准中没有需要的法兰材料,且规范允 许采用任意式法兰时,可设计成任意式法兰。 1密封垫片材料 密封垫片的材料根据介质 特性、压力和温度确定。当条件允许时尽量选择垫 片比压力Y和垫片系数 较小的垫片,有利于获得 较小的预紧状态下最小的螺栓载荷w ,从而减少需 要的螺栓总截面积A ,最终得到较小的法兰厚度。 2密封垫片宽度 在满足标准规定的允许最 小宽度N一时,密封垫片的宽度不宜过大或过小。 垫片宽度过大时,预紧状态下的螺栓载荷加大,法兰 厚度增加;垫片宽度过小时,法兰计算厚度也增加, 但螺栓预紧力及法兰操作工况的切应力下降。 3螺栓确定螺栓数量时,需要注意螺栓间距 不得大于标准螺栓最大间距和允许的螺栓最小间 距。螺栓的实际总截面积在满足需要的螺栓总截面 积的情况下不宜太大,同时螺栓的强度等级不宜太 高。过大的螺栓实际总截面积和较高等级的螺栓材 料会增加垫片的允许最小宽度,导致法兰厚度增加。 4螺栓孔中心圆 在确定法兰几何尺寸时,较 小的螺栓孔中心圆直径可以大幅度减小法兰的力 臂,从而使法兰厚度减小。 5筒节简节材料和厚度对法兰计算厚度的 影响不大。 6密封面形式在垫片接触宽度N相同的情 况下,法兰的密封面形式对法兰计算厚度无影响。 7法兰材料在条件允许时,应尽量选用强度 等级较高的材料来加工法兰,对减小法兰厚度有明 显作用。 4 结语 在进行任意式法兰设计时,应采用较小的垫片 载荷,设计较小的法兰力矩。确定法兰尺寸时使各 项实际应力值接近法兰的最大允许应力,使结构材 料在各个方向都能发挥最大作用,以获得结构紧凑、 第43卷第5期 2014年9月 石油化工设备 PETROCHEMICAL EQUIPMENT Vo1.43 No.5 Sept.2014 文章编号10007466201405005705 液化天然 气加气 站低温潜液泵 进口管路布置讨论 杜侠鸣 , 1.中国石油大学华东,山东青岛 266580; 战福帅 ,刘锡荣 2.青岛捷能高新技术有限责任公司,山东青岛 266510 摘要针对液化天然气加气站因储气罐与低温潜液泵相对位置不当引起液化天然气输送不畅的问 题,通过分析管道倾斜程度对输送液化天然气气液两相流的影响,提出了正确设计两者相对位置的 垂直一水平设置管路的方法。 关键词液化天然气;加气站;储罐;潜液泵;管路;水力计算 中图分类号TQO50.2;TB21 文献标志码A doi10.3969/j.issn.10007466.2014.05.013 Layout Discussion on Inlet Pipe of Cryogenic Submersible Pumping for Liquefied Natural Gas Filling Stations DU Xia-ming ,ZHAN Fu-shuai ,LIU Xi-rong 1.China University of PetroleumEast China,Qingdao 2 6 6 5 80,China; 2.Qingdao Jieneng HighNew Technology Limited Company,Qingdao 266510,China 受力合理、质量轻和耗材少的效果,从而降低生产成 本,实现经济效益最大化。 [5] 参考文献 [1]HG/T 2059220635--2009,钢制管法兰、垫片和紧固 件[S]. HG/T 2059220635--2009,Steel Pipe Flange,Gas ket and Bolting1,S]. [-21 NB/T 47020~47027--2012,压力容器法兰、垫片、紧 固件[S]. NB/T 47020~47O272O12,Flange,Gasket and Stud BoltsNut for Preessure Vessels1,S]. [3]吴冬果.法兰标准的合理选用及其扩展应用探讨[J]. 石油化工设备,2011,4055254. WU Dongguo.Study on Reasonable Selection and Extended Application of Flange Standard Importance [J].Petrochemical Equipment,2011,40552~54. [4]王盼盼,宋鹏云,杨玉芬.国内外法兰连接典型设计方 法讨论[J].石油化工设备,2008,3714953. WANG Pan-pan,S0NG Pengyun,YANG Yufen. Disscussion on the Typical Design s of Flange Joints1,J-].Petrochemical Equipment,2008,37149一 [6] [7] I-8] 53. 桑如苞,高洁,冯清晓.WATERS法兰设计方法的进展 与评述[J].石油化工设备技术,2014,3511-2. SANG Ru-bao,GAO Jie,FENG Qing-xiao.Progress and Review of Waters for Flange Design[J].Petro- chemical Equipment Technology,2014,3511-2. 熊从贵.方法兰在制冷装置中的应用及安全性探讨 [J].石油化工设备,2011,4067982. XIONG Conggui.Square Flange in Refrigerant E quipment Application and Security Discussion[J]. Petrochemical Equipment,2011,4067982. 杨健,李艳,石景.非标设备法兰设计解析[J].石油化 工设备,2011,40增刊13335. YANG Jian,LI Yan,SHI Jing.Analysis of Non- Standard Flang DesignEJ].Petro~chemical Equipment, 2O11,40S13335. 林秀.压力容器甲型平焊法兰的选用和计算[J].石油 和化工设备,2009121620. LIN Xiu.Selection and Calculation of Pressure Vessel Welded Flange1,J].Petro 8L Chemical Equipment。2009 121620. 收稿日期20140410 作者简介杜侠鸣1990一,男,山东东平人,硕士研究生,现主要从事液化天然气冷能回收方面的研究。 杜编

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