最新lA压力容器零部件设计---3法兰设计
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压力容器设备法兰标准
压力容器设备是工业生产中常见的一种设备,它主要用于储存或加工各种气体、液体或固体物质。
在压力容器设备的设计和制造中,法兰是一个非常重要的部件,它不仅连接着各个部件,还承受着设备内外的压力。
因此,压力容器设备法兰的标准化对于设备的安全运行至关重要。
首先,压力容器设备法兰的标准化可以保证设备的互换性。
在工业生产中,不
同厂家生产的压力容器设备可能会在使用中需要进行更换或维修,如果每个厂家都有自己的法兰标准,那么设备之间的互换性就会受到限制。
而通过制定统一的法兰标准,可以确保不同厂家生产的设备之间的法兰是可以互换的,这样可以提高设备的灵活性和可维护性。
其次,压力容器设备法兰的标准化可以提高设备的安全性。
压力容器设备在工
作过程中承受着各种不同的压力,如果法兰设计不合理或者材质不符合要求,就会存在泄漏或者爆炸的风险。
通过制定严格的法兰标准,可以要求法兰具有足够的强度和密封性能,从而确保设备在工作中不会出现安全隐患。
此外,压力容器设备法兰的标准化还可以降低设备的制造成本。
在生产过程中,如果每个厂家都有自己的法兰标准,那么需要为每种标准制造特定的法兰,这样会增加生产成本。
而通过统一的法兰标准,可以减少生产成本,提高生产效率,从而降低设备的制造成本。
总的来说,压力容器设备法兰的标准化对于设备的安全运行、生产效率和成本
控制都具有重要意义。
因此,压力容器设备制造行业应该加强对法兰标准的研究和制定,不断提高法兰的设计和制造水平,为工业生产提供更加安全可靠的压力容器设备。
2021 年第3 期 特 种 设 备 安 全 技 术 · 21·压力容器法兰螺栓紧固力矩的确定马文晖摘 要法兰螺栓连接为压力容器的检修提供了方便, 但要保证法兰螺栓连接密封的可靠性, 需要对法兰连接螺栓进行合理的紧固。
定力矩紧固可以为法兰螺栓连接提供相对均匀的紧固力矩, 能否提供合适的紧固力矩数值, 是保证法兰连接密封可靠性的关键。
依据压力容器法兰螺栓连接结构设计的基本要求, 结合螺母与法兰及螺栓摩擦表面的加工与润滑状态, 提出了法兰连接螺栓紧固力矩的确定方法。
关键词压力容器 螺栓载荷 紧固力矩1 概 述为检修方便, 压力容器广泛采用可拆的法兰螺栓连接 结构。
为避免法兰螺栓连接在操作状态下泄漏, 需要对法 兰连接螺栓进行合理的紧固。
近几年, 法兰螺栓连接的定 力矩紧固已在化工检修中得到了广泛的应用。
定力矩紧 固可以为法兰螺栓连接提供相对均匀的紧固力矩, 能否提 供合适的紧固力矩数值, 是保证法兰连接密封可靠性的关 键。
2 螺栓紧固中的主要问题压力容器法兰设计计算可知 [1]: 无论是预紧状态还是 操作状态,螺栓的应力不应大于其相应的许用应力。
对 于法兰螺栓连接,螺栓应力的大小与螺栓紧固时所产生 的螺栓载荷、 操作压力、 垫片反力有关, 其决定因素是螺 栓载荷。
而螺栓载荷的大小由紧固力矩确定。
在实际检 修中,螺栓连接的紧固力矩往往由经验公式简单计算得 出 [2] [3], 而其在预紧和水压试验状态下的螺栓的工作应力 均超出其相应的许用应力 [4]。
同时, 经验算法没有考虑容 器的设计载荷、垫片的参数及材质的影响。
其结果可能 造成:(1) 螺栓预紧载荷过大, 螺栓过度变形或拉伸;(2) 法兰盘发生翘曲变形;(3) 密封垫片被压溃或产生塑性变形失去回弹能力。
3 螺栓载荷的确定螺栓载荷应同时考虑在满足法兰强度与密封要求 所需的最小螺栓载荷, 实际螺栓截面所允许承受的最大 载荷 (许用载荷)以及垫片有效密封宽度的极限压紧载 荷。
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 基本要求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的确定和强度计算方法。
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,介质即被密封住。
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封的可靠性。
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能力。
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 是指操作时达到密封不漏,垫片上所必须维持的工作密封比压8σ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。
压力容器法兰设计分析6-5-1 法兰设计概述压力容器法兰分为窄面法兰和宽面法兰两大类型。
窄面法兰是指垫片接触面位于法兰螺栓孔包围的圆周范围内的法兰联接。
宽面法兰是指垫片接触面分布于法兰螺栓中心圆内外两侧的法兰联接。
一般仅用于压力很低的场合。
窄面法兰分为内压和外压两种设计情况。
外压法兰可按内压法兰进行设计,只是法兰操作力矩的计算略有不同。
窄面法兰按组成法兰的圆筒、法兰环及锥颈三部分的整体性程度分为三种型式。
1.活套法兰:指法兰未能有效地与容器或接管(即圆筒)连接成一整体的法兰。
计算中认为圆筒不与法兰环共同承受法兰力矩的作用。
法兰力矩完全由法兰环本身来承担。
2.整体法兰:指法兰环、颈部及圆筒三者能有效地连接成一整体结构的法兰,共同承受法兰力矩的作用。
3.任意式法兰:指整体性程度介于上述两者之间的法兰。
其圆筒与法兰环虽未形成一整体结构,但能作为一个结构元件,共同承担法兰力矩的作用。
窄面法兰在计算上仅分两种方法,即活套法兰与整体法兰。
任意法兰一般应按整体法兰设计,在一定条件下可简化为按活套法兰计算。
活套法兰的计算较为简单,法兰厚度可一次算出。
整体法兰的设计须以试算法进行。
法兰联接设计分为三部分:垫片设计、螺栓设计和法兰本体设计。
1.垫片设计:这是整体联接设计的基础,应根据设计条件和使用介质,选定适当的垫片种类、材质、并确定垫片的尺寸(内径、外径),以此计算出在预紧和操作两种状态下的压紧力。
2.螺栓设计:在选用适当的螺栓材料的基础上,根据垫片所须的压紧力分别计算螺栓面积,并以大者作为计算面积。
实际配置的螺栓面积应不小于该面积。
螺栓设计的关键是须确定一尽可能小的螺栓中心圆直径。
具体作法是通过试选合适的螺栓规格和数量来进行。
3.法兰设计:对整体法兰是须通过试算进行的。
即在假设法兰锥颈和法兰巧厚度的基础上计算祛兰力矩及各项法兰应力。
当应力与相应的许用应力相差较大时,均须调整法兰锥颈或法兰环的尺寸,然后重复计算过程,各项法兰应力小于相应的许用应力,并相接近方为合适。
P c MPa t℃EMPa [σ]f MPa [σ]f tMPa D immC 2mmD bmm [σ]b MPa [σ]b tMPam y MPa N mm b 0mm d i mm d o mmb mm D Gmm N N N FN N mm 2mm 2A m mm2d BmmP mm nd B1mm A b mm 2W 0N W 1N螺栓计算预紧状态下螺栓设计载荷操作状态下螺栓设计载荷A a =W a /[σ]b 67.251.533E+044.240E+064.262E+061.964E+04A m 取A a 和A p 中的大值 1.964E+04螺栓公称直径螺栓数量3068螺栓螺距垫 片 简 图6.422E+06法 兰 型 式任意式法兰(按整体法兰计算)需要的螺栓面积计 算 压 力W 0=(A m +A b )[σ]b /2W 1=W p217垫片系数比压力垫片压紧力预压状态下最小压紧力 F a (内压)垫片特性参数垫片内径15CrMo228设 计 温 度法 兰 材 料垫片外径23242348螺 栓 材 料螺栓许用应力室温下许用应力设计温度许用应力6020Ⅱ185117.51计算基本数据计 算 简 图2010002424螺栓分布圆直径1法兰材料常温弹性模量法兰许用应力室温下许用应力设计温度许用应力法 兰 内 径2300腐 蚀 裕 量11.4图 6F a =πD G by F p =2πD G bmP c垫片计算11.7垫片接触宽度垫片基本密封宽度1.5垫片有效密封宽度垫片压紧力作用中心圆直径实际螺栓面积W a =F a内压引起的总轴向力W p =F+F p预紧状态下需的最小螺栓载荷 W a 操作状态下需的最小螺栓载荷 W p 预紧状态下需的最小螺栓面积 A a 操作状态下需的最小螺栓面积 A p 1.50按GB150规定2324.001.533E+042.190E+044.262E+06螺栓小径3.5026.21A b =n π(d B1/2)2A p =W p /[σ]b t3.669E+04操作状态下最小压紧力 F p 0053.2b b b b ==或cG P D F 2785.0=MPa ℃mmMPa MPa mmMPa MPa mmmmMPa mm mm mm mmmm mm mm N Nmmmm mm2垫片接触宽度 N 2.35E+02螺栓螺距 P 垫片计算垫片压紧力作用中心圆直径 D G操作状态下最小压紧力F p 实际螺栓面积 A b预紧状态下最小压紧力F a垫片特性参数垫片内径 d i (活套法兰按GB150.3-2011规定)其它型式法兰A b = n πd B12/4 =2.5螺栓小径 d B1螺栓17.29垫片计算图垫片有效密封宽度 b 垫片基本密封宽度 b 0垫片系数 m 比压力 y 垫片外径 d o图 1a法兰材料室温下许用应力[σ]f设计温度下许用应力法兰内径 D i 螺栓材料室温下许用应力[σ]b设计温度下许用应力螺栓螺栓公称直径 d B 螺栓数量 n 201螺栓分布圆直径 D b法兰计算图设计压力 P c (内压)任意式法兰(按活套法兰计算)设计温度 t 法兰腐蚀裕量 C 2设 计 条 件计 算 简 图法兰型式[]t fσ[]tbσ0053.2b b b b ==或==by D F G a π==c G p bmP D F π2MPa ℃mmMPa MPa mmMPa MPa mmmmmm MPa mmmm mmmm mm NN mmmm mm2mm mm mm螺栓材料室温下许用应力[σ]b设计温度 t 腐蚀裕量 C 2设 计 条 件计 算 简 图法兰法兰材料室温下许用应力[σ]f设计温度下许用应力法兰内径 D i 预紧状态下最小压紧力F a '螺栓数量 n 1D G '= D b - (d b +2b") =螺栓公称直径 d B 20操作状态下最小压紧力F p '0.00E+00垫片压紧力作用中心圆直径 D G '垫片计算垫片的基本密封宽度 b 0' b 0' = D - D b =操作状态垫片有效密封宽度2b"2b"=5垫片外径 D预紧状态垫片有效密封宽度 b'设计温度下许用应力螺栓分布圆直径 D b参数L p '、L R 、L T '计算 L p ' = (d b + 2b")/2 =2.5设计压力 P c 带颈法兰法兰型式螺栓螺栓孔直径 d b螺栓计算L T ' = [(D b + d b + 2b")- D i ]/4 = 1.25 L R = [D -(D b + d b )]/4 + d b /2 =垫片参数垫片系数 m 比压力 y 螺栓螺距 P 2.5螺栓小径 d B117.29实际螺栓面积 A bA b = n πd B12/4 = 2.35E+02-5[]t fσ[]tbσ==y b D F b a ''π==c G p mP b D F "''2π=='0'4b b。