压力容器法兰设计分析

- 32 -论文广场石油和化工设备2021年第24卷浅谈压力容器长颈对焊法兰优化设计李进一（江苏东方瑞吉能源装备有限公司， 江苏 镇江 212000）[摘 要] 通过两个具体算例对压力容器长颈对焊法兰进行优化设计，分析了锥颈高度和法兰厚度对法兰轴向应力、径向应力和切向应力三项主要应力的影响。

计算结果表明，当调整至法兰厚度和锥颈高度相近时，三项主要应力值均接近满应力值。

这样的优化设计使得法兰结构紧凑，受力合理，减轻重量，可显著降低法兰成本。

对小直径且压力不高的长颈对焊法兰，在保证法兰锥颈段斜率≤1:3的前提下，法兰可以不带直边段。

[关键词] 长颈对焊法兰；锥颈高度；法兰厚度；优化设计作者简介：李进一（1988—），男，江苏盐城人，2012年毕业于南京工业大学化工过程机械专业，工学硕士，高级工程师。

主要从事压力容器设计及校审工作，已发表论文4篇。

Waters 法是国际上应用最广、历史最悠久的法兰计算方法。

该方法于1937年提出，经过几十年的实践证明，它是一种成熟可靠、经济合理的设计方法。

目前GB/T 150.3、JB 4732、ASME 等标准规范中有关法兰计算都是基于Waters 法[1]。

Waters 法认为控制法兰强度的三个主要应力为法兰环上的最大径向应力和切向应力以及锥颈上的最大轴向应力。

Waters 法忽略了压力直接作用于法兰环、锥颈、圆筒三部分所产生的薄膜应力以及三部分在压力直接作用变形协调所产生的应力[2-6]。

1 长颈对焊法兰长颈对焊法兰是压力容器中最常用的设备法兰，NB/T 47023-2012标准[7]虽然给出了公称压力为0.6~6.4MPa 、工作温度-70℃~450℃的碳钢和低合金钢制压力容器长颈对焊法兰，但法兰、螺柱、螺母及垫片材料需完全按标准中匹配表和修正表执行，受到诸多限制，而且在工程实际中很多长颈对焊法兰都超出了NB/T 47023-2012标准的范围，如不锈钢法兰或工作温度超过450℃的长颈对焊法兰等，这时都要按GB/T 150.3-2011进行非标法兰设计计算。

对压力容器设备法兰标准的一些总结1.甲型平焊法兰直接与容器的筒体或封头焊接，法兰在上紧和工作时均会作用给容器器壁一定的附加弯矩。

法兰自身刚度小，所以其适用范围也较小。

2.乙型平焊法兰比甲型平焊法兰增加了一个厚度一般大于筒体壁厚的短节，这样既可增加整个法兰的刚度又可使容器器壁避免承受附加弯矩。

3.长颈对焊法兰是用根部增厚的颈取代了乙型法兰的短节，从而更有效地增大了法兰的整体刚度。

由于去掉了乙型法兰与短节的焊缝，所以也消除了可能发生的焊接变形及可能存在的焊接残余应力。

标准设备法兰是在规定设计温度为200℃，材料为16MnR或16Mn锻件，根据不同形式的法兰，规定了垫片的型式、材质、尺寸和螺柱材料的基础上，按照不同直径和不同压力，通过多种方案的比较计算和尺寸圆整得到的。

由于标准法兰是以16MnR或16Mn锻件来制定的，所以，如果法兰材料强度低于16MnR或使用温度高于200℃，则其最大允许工作压力低于公称压力；反之，若法兰材料强度高于16MnR或使用温度低于200℃，则其最大允许工作压力便高于公称压力。

法兰的最大允许工作压力与公称压力孰高孰低，完全取决于法兰材料和使用温度。

在法兰连接中，法兰与壳体是焊在一起的，安装时，法兰与螺柱的温度相同，而操作时，法兰随壳体温度有所升高，一般法兰的温升值往往大于螺柱的温升值，于是法兰沿其厚度方向的热变形（即法兰增厚值）将大于螺柱的热伸长量。

由于法兰盘在沿其厚度方向的刚度远大于螺柱，所以在容器操作时，可以认为螺柱根本限制不了法兰的增厚，反过来倒是法兰强迫螺柱在其热伸长之外，还要产生一定量的弹性变形。

螺柱上所受到的附加轴向拉力的大小除与材料的弹性模量（E）、泊松比（ν）值有关外，还取决于螺柱与法兰工作时的温差以及螺柱杆的粗细。

螺柱的最危险截面在车螺纹处，采用A型螺柱其危险截面上的附加热应力要比B型螺柱的附加热应力大，所以在使用温度较高时，优先选用B型螺柱。

1.设计整体法兰时，如果强度不能满足要求，可试着做以下调整：首先检验垫片尺寸和螺栓、螺栓孔中心圆直径是否尽可能的小，以最大限度的降低作用于法兰的弯矩；在此条件满足的前提下，若是轴向应力不能满足要求，则可增加锥颈厚度和锥颈高度；若是径向应力或环向应力不能满足要求，则可增加法兰盘厚度。

Science &Technology Vision 科技视界0前言法兰连接是压力容器管道通用密封方式之一,其安全性、可靠性以及经济性受到机械设计者的广泛关注。

目前压力容器法兰的设计只能借鉴传统理论和工艺试验,其方法以理论设计为基础,以试验数据为依据,其结果真实可信,但试验过程相对繁琐且耗费大量的人力、物力以及时间成本。

近年来,日益快速发展的有限元(FEM)技术在压力容器法兰受力分析中得到了广泛的应用。

刘麟等人建立垫片径向应力分布的螺栓法兰连接漏气率预测法方法[1]。

徐超等人建立机械螺栓法兰连接的二维和三维有限元模型,并比较两种模型数据分析结果的差异,并研究了温度载荷法、过盈配合法和等效外载荷法等三种不同螺栓预紧力建模方法[2]。

贺向东等人将可靠性优化设计理论、可靠性灵敏度分析技术与稳健设计方法相结合,建立了整体法兰的可靠性稳健优化数值设计方法[3]。

神经网络法(ANN)是目前非线性结构分析的一种方法,它无需明确事物之间的因果联系,只需知道事物之间的输入与输出之间的数据,就能通过自主学习的方法映射出输入与输出数据间的因果关系,具有结构简单,收敛速度快的优点,已经在工程设计及结构优化中得到了广泛的应用[4-5]。

目前鲜有人利用ANN 法与FEM 相结合的方法系统的对压力容器法兰结构设计进行优化。

本文利用FEM 方法建立了法兰的三维有限元模型,并以有限元模型设计参数与公称应力分布场分布为基础建立法兰设计尺寸与应力场分布的ANN 模型,优化法兰设计参数,为压力容器法兰设计提供一种新方法。

1模型参数图1法兰的有限元模型法兰的公称直径范围为DN=300~3800mm,螺柱公称直径D N2=300~3000mm,法兰的公称压力范围为P N1=0.25~6.4MPa,螺柱公称压力P N2=0.25~400MPa,垫片的可选材料为分别为耐油石棉橡胶板或石棉橡胶板,法兰的科选材质为Q235、20R 或16MnR,螺柱与螺母材料为Q235,法兰工作温度范围为t=-20~350℃[6]。

法兰设计存在的问题及对策摘要：法兰在压力容器的设计中起着重要作用。

因此，本文简要介绍了压力容器法兰及其类型和设计特点。

设备法兰在压力容器设计中需要特别重视。

还有设计中，例如法兰材料选择偏差、估计寿命偏差和热处理不足，这些问题都会对法兰产生很大影响。

本文阐述了压力容器法兰设计中存在的问题和处理措施。

关键词:压力容器;设备法兰;解决对策近年来，我国社会经济的快速发展使化工行业取得了显着进步，这不仅增加了生产任务，而且还需要提高生产效率和质量要求。

在这方面，压力容器中法兰被认为是最重要的设备之一，法兰作为压力容器单元的主要部件，影响压力容器的功能和性能。

因此，在新形势下，我们必须考虑设计压力容器法兰的具体可行对策。

一、压力容器设计特点1.设计和制造过程需要高度的专业知识。

在设计压力容器时，需要测试各种组件，以便设计者具备掌握先进计算技术所需的专业知识和经验，压力容器的设计旨在确保高度的安全性并减少外部因素的影响。

2.制造工艺需要高度的安全性。

压力容器的操作环境特点是高温、高压、真空和腐蚀。

压力容器中的一些材料有毒、易燃、易爆等危险因素。

为此，我们必须严格保证设计、制造和使用过程的专业化和标准化。

遵守生产规则，生产高质量压力容器，提高生产水平和安全性。

生产压力容器时，必须在不同阶段应用不同的生产标准，以满足不同时间的使用要求，提高容器的效率，企业需引进提高制造标准的新技术和方法。

二、法兰的相关概述在石油化工行业，压力容器是影响工业生产的重要设备，法兰是压力容器不可或缺的组成部分。

在工业生产中，压力容器的边缘必须按照设备的技术要求和安装需要进行调整。

压力容器有不同的法兰，可分为整体法兰和任意法兰，不同的法兰具有不同的特性。

法兰设计的主要目的是确保法兰强度。

如果强度达不到预定值，则应在适当的范围内进行调整和研究工作，例如检查密封尺寸以减少法兰上的弯矩。

要连接法兰，必须将其焊接到外壳上。

对相关规范的研究可以发挥法兰有效作用。