对美国《锅炉及太力容器规范》Ⅷ—1的理解之四——带法兰的凸形封头设计

（１ １）
『 ＿
一
一’
此 内压 使 法 兰 环 产生 的切 向拉 伸 应 力 为
可 ｐ Ｌ
［ 【
１
Ｊ ］
．
ｆ： 旦
＝
６ ［ ］
告 Ｃ ＋ Ｂ ）
决 定 壁 厚 。
法 兰 环 上 的 总 切 向 应 力 为 ： 、 二 者 之 和 ， 并
当承受外压时，则 应按外压球 形封头 的要
中， 仅 用 到 Ｐ和 Ｍ 的绝对值。 （ 三 ）类 型 （ ｃ ） （ １ ）封 头
ｐＬ
．
见图 １ （ ｃ ） ， 也属于半 径为 ￡ 的半球 体， 和
类型 （ ｂ ） 相 同 ， 要计 及 在 法 兰 边缘 处所 引起 边 缘 应力 的影 响 ，所 以当 承受 内 压 时 ， 也 按 式
但此两种类型的法兰受 载不 同于一般法兰 ，因 而 在 法 兰设 计 时要 计 及 封 头 薄 膜 力对 法 兰 的影
响 ， 其 计算 方 法 和一 般 法 兰 （ 内压或外压） 完全
不同。
一
算 ，诅 因陟及所 用垫 片可 以是环形垫片 （ 窄垫 片 ） 和宽 垫 片， 因而 对 法 兰 的 计 算 就 略区 别 于
固程度 ，按一般法兰的原则 划归为整 体或活套
法 兰， 然后 由式 （ Ｉ ） 、． （ ２ ） 、（ ３ ） 或式 （ ４ ） 、（ ５ ） 、
（ ６ ）校核应力 ， 当为内压或外压 时 ， 则按本文第
一
部 分 亦 即一 般 法 兰 的计 算 方 法求 取其 计算 力
矩 Ｍ。 ， 这 些 在 ＡＳ ＭＥ Ⅶ一 １ “ １ － ６节 中均 已 有 说 明 ， 此 处 不再 赘 述 。
文（ ２ ］ 已经 证 明， 在 Ｋ ＝１ ． ２ ～ｌ ５睁 法 兰
环 的常用 尺寸 范围内， ． 可 近似取
，
一
＋１
Ａ ＋日
Ｔ一 ＝百 ，
其误 差 仅 在 ２ ． ３ ３ 之 内。 因而 由式 （ ６ ） 并 将 法
垫片的窄 、宽，所开螺栓孔属圆形或槽形加 以
度 ，其 中计 算 力 矩 Ｍ 。 按外 压 法 兰 的式 （ １ ０ ） 计 算 ；对 于 宽 垫 片 法 兰 ，则 按 上 述 内 压 宽 垫 片 法 兰 求取 计 算 力 矩 Ｍ 的式（ １ ３ ） 原理 相 同 ， 仅 设
计 压力 Ｐ的 方 向相反 ，但 由 弯 曲应 力 决 定 的 强
区分。
，
兰环切 向弯曲应 力 牛许 用应力（ ］ ， ， 可得
＝
（ 一 ） 类型 （ ０ ）
ｒ
毒 旨 （ 等） ≤ ｃ
，
（ １ ２ ） ｘ
＋Ｂ Ｊ ￣ ［ ］ ｏ （ Ａ 口 ，
一
见酎 Ｉ （ ａ ） ，由 于可 看 作 是封 头和 法 兰两 者 的组合， 所 以可 将 封 头 和 法 兰 分 开单 独 计算 。 对 于封 头 ， 视 其 为 内 压 或 外压 ， 分 别 由强 度 或稳 定 性 并 根 据碟 形 或 椭 圉形 封 头 的 相应 公式 决 定 其 壁 厚 ； 对 于 法 兰， 视 法 兰环 和 封 头 的连接 牢
一
定 ， 故 对 应 甜 法 兰 许屠 应 力 为设 计 温 度 下 的 许
］ ０ 一
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甩应力 ［ ） ； 。 蒋式 （ １ ３ ） 的 Ｍ。 值代入上式而可
解 得
＝
圆形 或槽 形（ 适用于快 开结 构） 二种 ｝ 采 用宽 垫 片 时， 其 螺栓 孔 也 可 区分 为 圆 形
＋ ＿ ７ 监 ） ≤ ｃ 叫
（ １ ５ ）
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上 式 因计 及 球 壳 在 操 作 状 态 时 薄 膜 应 力 对
｛ 皇兰 环 的 作 用 ， 因 此 实 际 上 法 兰环 的应 力决 定
子操 作状 态 而 并 非决 定于 预紧 状 态 ，所 以式 中 的 Ｍ。 应按式（ ８ ） 操作状态决定 ， 且所 对 应 的许
或槽 形 二种
孺
ｊ
上述 四种结 构型 式，其计 算 原 理 和 类 型
（ ｄ） 相似ｔ ”， 都 是 以活 套 法 兰 为 基 础分 析 其 切 向应 力 并 计 及 封头 薄 膜 力 对 老 兰环 所 引 起 的切 向 应 力 ， 以 其 总切 向应 力 满 足材 料 的许 用 应 力 来确 定法 兰厚 度， 只是 所 涉 及 的 具 体 系数 略有
活 套 法 兰 的计 算 原 理 ， 由式 （ １ ２ ） 决 定 法 兰环 厚
① 环 形（ 窄） 垫片 ， 周边开有圆形螺桂 孔 参 阅类 型 （ ｄ） 的推 导 ， 法 兰环 的 总切 向 应
力 由 和 ％ 两 部 分 组 成 ， 其 中切 向弯 曲应 力
：
由计 算 力矩 Ｍ 。 弓【 起 ， 如 按 活 套 法 兰 ， 则 此
７ ． ５ ｒ ． １ １ １． ８ ７ ５ （ Ｃ＋ ）
度 校 核 式则 不 论 Ｐ的 方 向仍 为 同一 式 ， 故 仍 可 用式 （ “） 决 定 法 兰环 厚 度。对 此 ， ＡＳ ＭＥ规 范
提 及 ：在 计 算 凹面 受 压 或 凸 面受 压两 种 封 头 的 总力 矩 Ｍ 。 时， 其 实 际值 可 以是 正 的 ， 也 可 以
型，如类型 （ ｃ ） ， 或 虽非 同一 厚 度 ， 如类型 （ ｄ ） ，
话套或整体法兰两者 自 Ｆ 组台，可 以按相应 的＿ 凸
形封头（ 内压 或外 压 ） 和相 应 的法 兰 （ 一 般 活套 或 整 体 法 兰 ，并 区分 内压 或外 压 ） 单 独 计算 外 ， 类 型（ ｂ ） 、 （ ｃ ） 、 （ ｄ ） 的封 头 和 法 兰 ， 有 的封 头 和 法 兰 两者 互不 联系 ， 故 仍 可 将 封 头 和 法 兰 单独 计
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华东化工学 院
丁 伯 氏
本 文着量 对 Ａ Ｓ ＭＥ 带法兰 的凸形封 头设计 公式如 何 正确理 解厦其 应用范 置进行 了分折 ， 从置 现行 规范 提出
某垫不嗣看穗。
对 于带 法 兰 的 凸形 封 头 ， 见 图 １ ， 其 中 除 类型 （ ａ ） 可 以看 成 是 磲 形或 椭 圆 形封 头 和 一 般
（ 二 ）类 型 （ ｂ ）
套 法 兰 计 算 ， ￣ １ ￣ Ｓ ｒ ＝ 器 ，
已
如前述 。但 由于是竟垫片法兰，所 以其计算弯
矩并 非 按预 紧状 态 的式 （ ７ ）或 操 作 状 态 的 式 （ ８ ） 计算 ，而 应 由操 作状 态所 引 起 的 轴 向 力 对 螺 桂 中 心 因 取矩 而 得 ， 即
封头 和法 兰并 无牢固的联系，所 以可 视为活套 藏兰，此 时法兰 上 的切 阿弯曲应 力 可 按 式ห้องสมุดไป่ตู้ ６ ） 计算 ，但 取其法 兰环 厚度 为符号 ， 以便 和 封 头 厚 度 ｆ相 区 别 ， 其 中计 算 弯 矩 Ｍ 。 按 预
紧状态的式 （ ７ ） 或操作状态的式 （ ８ ） 计算 ，系 数
求设计 。
（ ２ ）法 兰
从设计 角度考虑面应满 足法兰环材料 的许用应
力 ， 故
１ ８ ７ ５ （ Ｃ ＋Ｂ）
类型 （ ｃ ） 的法兰可 以分 为 四 种 不 同 的 结
构：
Ｆ
＋ ＝７ ｉ ｌ（ ＝酉
采 用 环 形 即窄面 垫 片 时 ， 其 螺 桂 孔 可 以为
（ ＾ 一ｋ ） （ １ ０ ）
其中
带 法兰的 凸形 封 头设 计
剪 以划 分 为 封 头 设 计 和 法兰 设 计 两 部 分 。 对封头面言 ， 则 要 区 分 内 压 封 头 或外 压封 头 对 法 兰 ， 则 既 要 区 分 内 压 或 外 压 法 兰 ， 叉要 根 据
一
般 法 兰 的应力 武和 在 内， 外 压 作 用 时的计 算力矩 简介
本文的“ 一 般法 ｜ 兰 是 泛 指 非 奉 文 讨 论 的 和 凸 形封 头 相 连 在 一 起 的 普 遥 法 兰 。 在 多 数 国 家 中， 一 般 法 兰 设 计 都 采 用峰 脱 尔斯 法 ， 由于受
中的 Ｈ Ｈ 和 Ｈ 方 向相反。 仍取 各力对 螺
栓 中 心 圆取 矩 ，则
勋 ＝Ｈ Ｄ ｈ Ｄ＋Ｈ ｔ ｈ —Ｈ 。 ｈ 。
在 操 作 状 态 ． 随 着外 压 升 起而 使 预 紧状 态 的螺 栓 载 荷 逐 渐 减 小 ， 从 设 计 角 度 ， 可 取 在操 作 状 态 的 螺 栓 载 荷 ＝０， 故 由 图 ３可 得
般 活套 法 兰 （ 内压 或 外压 ） ， 如类 型 （ ｂ ）即 属
虎 ， 有 的 封 头 和 法 兰 用 同样 厚 度 的 钢 板 冲压 成
图
－ Ｓ 一
１
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（ ８ ） 不 同 的 是， 由 压 已改 为 外 压 ，故 式 （ ８ ）
丁【
Ｊ 丽
计 算 ｝ 另 一 切 向应力 由球 壳 薄膜 应力 传 来 ， 作 用 在 法 兰环 内周 边而 使 法 兰 环 引 起切 向拉 伸 应力 。球 壳薄 膜 应力 ｐ Ｌ 作 用 在 厚 度 为 的 法
兰 环 内周 边 的 内压 为
ｐ ｆ
是 负 的。 但 在 下 列 公 式 （ 此 处指 本 文 的式 （ １ ２ ） 、 （ １ ４ ） 、 （ １ ８ ） 、 （ １ ９ ） 、（ ２ １ ） 、（ ２ ３ ） 、（ ２ ７ ） 的使 用 当
故 可 得 法 兰 环 厚 度
式 中法兰环许用应力（ ］ ， 对 应 于 计 算 力 矩 Ｍ。 ，视 。由预 紧 状 态 还 是 操 作 状 态 起 控 御作用相应 取 ［ ］ ， 为室温 时的 ［ ］ ， 或设计 温 度下的 ［ ］ ； 。 对 于 宽 垫 片法 兰 ，仍 可 按 华 脱 尔斯 法 的 活