enl3445 中法蘭設(shè)計另一方法的分析和討論[j]

本文檔下載自文庫下載網(wǎng)，內(nèi)容可能不完整，您可以點擊以下網(wǎng)址繼續(xù)閱讀或下載HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTMLEN13445中法蘭設(shè)計另一方法的分析和討論第46卷第1期2009年2月化工設(shè)備與管道PROCESSEQUIPMENT又通過分析該方法所采用的墊片系數(shù)及其來源以及與PVRC方法采用的墊片系數(shù)進行比較,說明了該方法的靈活性和工程應(yīng)用的可行性。關(guān)鍵詞法蘭設(shè)計方法螺栓法蘭連接接頭密封性能螺栓預(yù)緊力墊片系數(shù)中圖分類號TQ0503文獻標識碼A文章編號1009220090120001209ANALYSISANDDISCUSSIONOFINEN134452OFPROCESSEQUIPMENT,SHANGHAI200040,CHINAABSTRACTCURRENTLY,BASEDONTAYLORFORGEMETHOD,THEMETHODFORFLANGEDESIGNUSEDINTHECODESINMOSTCOUNTRIESISACTUALLYASTRENGTHDESIGNMETHODWHICHCANNOTBEENSUREDTOREACHTHESEALINGREQUIREMENTINANNEXGOFEN134453,APRESSUREVESSELDESIGNSTANDARDISSUEDBYCEN,ANALTERNATIVEMETHODFORFLANGEDESIGNWASPROVIDEDTHEREEXISTGREAHTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTMLTDIFFERENCESBETWEENTHETRADITIONALTAYLORFORGEMETHODANDTHISALTERNATIVEMETHODINTHISPAPER,FIRST,THEFUNDAMENTALMECHANISMFORTHESEALINGPROPERTYOFAFLANGECONNECTIONANDTHECALCULATIONCONTENTWITHTHEDESIGNPROCEDURESWEREDESCRIBEDTHEN,THEMAINASPECTSINTHISDESIGNMETHODWEREANALYZEDANDDISCUSSEDBYCOMPARINGWITHTAYLORFORGEMETHOD,THERATIONALITIESEXISTEDINTHECALCULATIONCONTENTANDTHEPROCE2DURESINTHISMETHODWEREEXPLAINEDALSO,BYANALYZINGTHEGASKETCOEFFICIENTSUSEDINTHISMETHODANDTHESOURCEFOROBTAININGTHESECOEFFICIENTSANDBYCOMPARINGTHEMWITHTHATUSEDINPVRCMETHOD,THEFLEXIBILITYANDFEASIBILITYOFTHISMETHODTOBEAPPLIEDININDUS2TRIESWEREPRESENTEDKEYWORDSMETHODFORFLANGEDESIGNBOLTEDFLANGEDJOINTSEALINGPROPERTYBOLTSEATINGFORCEGASKETCOEFFICIENT長期以來,針對法蘭接頭的設(shè)計,各國規(guī)范普遍采用的是基于TAYLOR2FORGE法WATERS法的設(shè)計方法。由于利用TAYLOR2FORGE法可得到法蘭環(huán)和法蘭頸中的最大應(yīng)力,故該設(shè)計方法的基本思想是通過對連接螺栓、法蘭環(huán)和法蘭頸規(guī)定一定的強度條件來保證螺栓法蘭連接接頭的強度和密封性。但通過長期的工程實踐,證明該設(shè)計方法雖能保證螺栓法蘭連接接頭的強度,卻并不一定能保證結(jié)構(gòu)的密封性能。在HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML該設(shè)計方法中,雖也考慮了墊片的密封性能,從而采用了墊片的性能參數(shù)Y和M,但主要是利用這兩個參數(shù)來確定墊片反力,然后以此作為施加于法蘭和螺栓的載荷對法蘭和螺栓的強度進行校122核。這種傳統(tǒng)的法蘭設(shè)計方法存在以下問題1設(shè)計結(jié)果不能較正確地反映出實際的密封效果。2螺栓預(yù)緊力的大小與操作工況下的密封效果無直接關(guān)聯(lián)。而實際上,法蘭連接接頭是否能達到密封的目的,螺栓預(yù)緊力是最主要的兩個決定因素之一另一個是墊片本身的密封性能。3按傳統(tǒng)的法蘭設(shè)計方法,在其他條件不變收稿日期2008210222作者簡介秦叔經(jīng)1950,男,上海人,教授級高工。長期從事壓力容器設(shè)計軟件的開發(fā)工作以及應(yīng)力分析的工作和研究。2化工設(shè)備與管道第46卷第1期的前提下,螺栓強度的提高將可能使得計算得到的法蘭扭矩增大,反而不利于法蘭接頭的強度和剛度,這與工程實踐不完全相符。認識到這些存在的問題,美國壓力容器研究委員會PVRC在20世紀70年代啟動了一系列研究項目以期改進工程應(yīng)用的法蘭設(shè)計方法。這些研究課題主要集中于法蘭墊片性能參數(shù)的使用和試驗方法以及測試標準等方面,其主要結(jié)果是提出了緊密度TIGHTNESS概念,將緊密度與法蘭密封面上的墊片應(yīng)力聯(lián)系起來,定義了A、GS和GB這三個墊片參數(shù)。雖然PVRC早就計劃要提出一個新的螺栓法蘭連接接頭的設(shè)計方法,以修改當(dāng)前ASME規(guī)范中的傳統(tǒng)方法,但由于種種原因,至今沒有實現(xiàn)。然而,歐洲標準協(xié)會CEN通過20世紀90年代以來的一系列研究工作以及吸收了一部分PVRC研究項目的成果,于2001年發(fā)布了標準EN1591“法蘭及其接頭2帶墊片的圓形法蘭連接設(shè)計規(guī)則”。該標準有兩個部分,第1部分為計算方法PART1METHOD,第22KETPARAMETERS。在EN13445“”中,EN1591的這兩部分在設(shè)計中,必須同時考HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML慮螺栓、法蘭、墊片間的相互作用力和變形關(guān)系。首先應(yīng)該明確的是,無論墊片受到多么大的比壓力,在法蘭密封面和與其接觸的墊片之間始終存在著無數(shù)很細小的流動通道,介質(zhì)將可能通過這些細小的通道而泄漏。密封的基本原理就是要使得介質(zhì)在流經(jīng)這種細小通道時的壓力降大于密封腔內(nèi)、外的壓力差。由于流體在流經(jīng)一管狀通道時的壓力降與該通道的長度成正比,而與該通道的直徑成反比。因此,工程上的做法就是通過在法蘭密封面和與其接觸的墊片之間施加一定的壓力,使得在這兩個面上的大部分通道的當(dāng)量直徑或間隙都小到一定程度,從而使流體要通過這些通道而流出的壓力降大于密封腔內(nèi)、外的壓力差。當(dāng)然,不可能做到兩個面上的所有通道都滿足這個要求,泄漏是不可避免的,但可以通過控制泄漏通道。為了達到這個目的,而這個比壓。介質(zhì)泄漏之外,對于纖維材料墊片還可能存在墊片本身的泄漏,這種泄漏也可以通過對墊片施加一定的壓力而縮小其空隙來達到密封,但更有效的方法是更換墊片材料,使介質(zhì)不發(fā)生滲漏。本文將不考慮這種由墊片滲漏而引起的泄漏。為便于說明問題,先假定法蘭是完全剛性的,在任何受載過程中不發(fā)生變形。同時,假定墊片是純金屬材料。在螺栓法蘭結(jié)構(gòu)的安裝階段,通過擰緊螺栓,使法蘭密封面和墊片之間產(chǎn)生一定的比壓。在這個過程中,螺栓受到拉力而變長,墊片卻受到壓力而變薄。當(dāng)完成裝配時,螺栓和墊片所受力的大小相同,方向相反,它們所受力和變形關(guān)系可以圖1中的A點表示考慮到金屬墊片的材料一般都采用軟金屬,因此,在螺栓預(yù)緊完成以后,墊片材料一般已達到屈服。當(dāng)介質(zhì)壓力升起以后,螺栓所受的力將加大,同時,其變形也變大。而對于墊片來說,升壓以后,其受到的壓力會變小,即從FB變到FG,其在預(yù)緊階段的一部分變形會發(fā)生回彈。在一定的介質(zhì)壓力作用下,對于一特定墊片,需要在其表面上作用有足夠大小的比壓力才能滿足密封要求。由實驗結(jié)果可以認為,這個為達到密封所需要的最小比壓力FR可以認為近似與介質(zhì)壓力成正比。即當(dāng)壓力升起以后,如果要達到密封的目的,必須使FG不小于FR。在一定內(nèi)容被直接收錄,作為其附錄G。在EN13445附錄G中所HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML提出的這個螺栓法蘭與傳連接接頭的設(shè)計方法以下簡稱為“EN方法”統(tǒng)的TAYLOR2FORGE法相比,兩者在設(shè)計依據(jù)、參數(shù)選擇、計算方法和評判條件等方面都存在差別,特別在設(shè)計依據(jù)和參數(shù)選擇方面有著根本性的區(qū)別,該方法的提出為從事壓力容器和壓力管道設(shè)計的工程師提供了進行法蘭連接設(shè)計的另一選擇。但由于該方法比TAYLOR2FOCGE法考慮了更多的因素,其計算方法明顯要復(fù)雜得多,如不了解這個方法的基本原理,要掌握其運算過程和合格判定條件,并在某些情況下進一步調(diào)整設(shè)計參數(shù),將會有一定的困難。為此,有必要對這個方法的基本原理和運算過程進行一些分析,分析的結(jié)果一方面有助于在工程中的具體應(yīng)用,另一方面也能通過與傳統(tǒng)的TAYLOR2FORGE法的比較而了解兩者的根本差別和這個方法的合理性。本文將首先闡述螺栓法蘭連接接頭的密封原理和實現(xiàn)條件,在此基礎(chǔ)上對EN13445附錄G中的法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行分析,最后,對該方法進行一些討論。1螺栓法蘭連接接頭的密封原理當(dāng)采用螺栓法蘭連接接頭來達到密封要求時,2009年2月秦叔經(jīng)1EN13445中法蘭設(shè)計另一方法的分析和討論3壓力下,FP是定值,其值可以下式計算2FPPDG4式中DG墊片壓緊力作用中心圓直徑。壓力的作用下,墊片變得更為緊密,使得其剛度變1大。而當(dāng)卸載時,力和變形也不是按加載路徑變化,而是以斜率更陡的曲線回彈即圖2中的曲線AC。雖然對于非金屬墊片,直線BC表示的力FP和AB的斜率還是已知的,但AC不再是直線,W的值就無法直接通過力三角形解得。好在從圖2可以發(fā)現(xiàn),在預(yù)緊階段和升壓階段,螺栓和墊片的變形絕對值之和是相等的,即有GBGB或5GGBB0式5表示連接接頭各零件現(xiàn)為螺栓和墊片HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML43在升壓階段相對于預(yù)緊階段的變形差之和為0。當(dāng)考慮法蘭的變形和溫差變形后,該關(guān)系仍然成立。圖1FB裝配完成時,螺栓所受的預(yù)緊力和墊片所受的壓力FR在一定壓力作用下,為達到密封要求而需在墊片上施加的最小壓力FG在升壓后,墊片所受到的壓力FP在升壓后,為平衡介質(zhì)壓力而需要的螺栓力B裝配完成時,螺栓的變形G裝配完成時,墊片的變形。在安裝完成以后,即螺栓的預(yù)緊力確定以后,升壓后墊片的壓緊力FG就確定了FGFBW2圖2螺栓和非金屬墊片的受力和變形可見,合適的螺栓預(yù)緊力是保證滿足密封要求的關(guān)鍵,在螺栓法蘭連接接頭的設(shè)計階段應(yīng)確定合適的螺栓預(yù)緊力。注意到在理想情況下,應(yīng)使螺栓在預(yù)緊階段和正常操作階段始終處于彈性狀態(tài),以及墊片在壓力升起以后的卸載過程將沿與彈性階段相同斜率的直線發(fā)生回彈,即三角形ABC是已知的,可解出AC邊的長度,從而求得W。由此可得到為達到密封所需要的最小螺栓預(yù)緊力為FBWFR3因此,只要有螺栓和墊片的柔度表達式,利用加壓前后螺栓和墊片的變形絕對值之和相等的關(guān)系,即可求得保證密封要求所需要的最小螺栓預(yù)緊力。無論金屬墊片還是非金屬墊片,在升壓階段,如FG小于FR,都不能實現(xiàn)密封。此時,可以采取提高螺栓預(yù)緊力的方法來提高FG。但這樣做是有限度的,即FB不能超過墊片所能承受的最大壓力FCR。如當(dāng)FB達到FCR時,在升壓后,仍不能滿足密封要求,則一般應(yīng)考慮更換墊片。然而,提高升壓后墊片壓緊力FG的另一個方法可以是設(shè)法提高螺栓的剛度。從圖3可以看到,當(dāng)提高了螺栓的剛度,如裝配時達到同樣的預(yù)緊力,螺栓的加載直線將變陡,即從/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTMLRMB變?yōu)镸B。這樣,當(dāng)升到同樣的壓力時,FP還由于非金屬墊片在加載和卸載時,其本構(gòu)關(guān)系一般都不存在嚴格意義上的直線,分析起來稍顯復(fù)雜。如圖2所示,非金屬墊片在加載時,力和變形曲線的斜率是變化的,會變得越來越大。這是因為在4化工設(shè)備與管道第46卷第1期是以式1計算,于是,墊片的壓緊力就將從FG提高到FG。FR0預(yù)緊工況下法蘭連接接頭受到的當(dāng)量軸向外力。2計算有效墊片寬度BGEMINBGI,BGT。這一步本身是一個迭代過程,如對于平墊片,BGI按下式計算BGIE/DEG0ZF/EF0HG0ZF/EF0FG02DGEQ789EGMEO05K1FG0/AGEAGEDGEBGE式中BGT墊片實際寬度EG墊片厚度DGEDG2BGEDG2墊片外徑EO墊片在比壓為0時的壓縮彈性模量K1墊片被螺栓預(yù)緊以后,壓縮彈性模量的變化率HG0圖3提高FGFZF法蘭的轉(zhuǎn)動柔度42EN13445EF0、EF0法蘭材料的彈性模量QMAX墊片許用壓縮應(yīng)力。一般可以認為,當(dāng)接連兩次迭代計算BGE所得到的值,其相對差值小于5,即是可以接受的。3計算法蘭受到的壓力載荷FQ、外加力和力矩產(chǎn)生的當(dāng)量壓力載荷FR以及溫差載荷UI。其中,壓力載荷FQ以及外加力和力矩產(chǎn)生的當(dāng)量壓力載荷FR的計算方法與GB150和HG20582中給出的方法一致。溫差載荷UI是考慮法蘭接頭安裝完畢后,當(dāng)溫度變化時,法HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML蘭、墊片與螺栓在螺栓軸向的溫差變化不同而產(chǎn)生的載荷,即有2FQDGEP4FRFAEN13445附錄G的法蘭設(shè)計方法基于以下假定1法蘭環(huán)截面在受載時只發(fā)生轉(zhuǎn)動,不發(fā)生翹曲2考慮螺栓、墊片、兩配對法蘭或法蘭與平蓋整個連接接頭的軸向變形協(xié)調(diào)和彈性力平衡3考慮墊片受力變形時的本構(gòu)關(guān)系,金屬墊片為線形本構(gòu)關(guān)系,非金屬墊片為非線形本構(gòu)關(guān)系4連接接頭所受載荷包括壓力、溫度變化、外加軸向力和彎矩。該方法包括的法蘭結(jié)構(gòu)形式有整體法蘭、松式法蘭、法蘭連接的凸形封頭和法蘭平蓋?？紤]法蘭在各種載荷的作用下會發(fā)生轉(zhuǎn)動變形,而法蘭密封面與墊片的有效接觸寬度將隨著法蘭截面的轉(zhuǎn)動發(fā)生變化,墊片的有效接觸寬度又直接影響到密封所需要的螺栓力。因此,在整個計算過程中將需要進行一些迭代過程。計算過程如下所示1假定初始螺栓預(yù)緊力FG0,初始值可取FG0ABFB010114MAD3EUILBFITFIT0BITBIT0EFT12EGFITFIT0GITGIT0EFT式中FA作用于法蘭面上的軸向力MA作用于法蘭面上的彎矩D3E螺栓中心圓的有效直徑EFT、E兩配對法蘭在墊片反力作用圓處FT3FR06直徑為DGE的厚度LBEFTEGEFT式中AB螺栓的總截面積FB0螺栓在預(yù)緊工況下的許用應(yīng)力GI、FI、FI螺栓、墊片和兩配對法蘭的BI、200HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML9年2月秦叔經(jīng)1EN13445中法蘭設(shè)計另一方法的分析和討論52122線脹系數(shù)TTGI、TFI、TFI螺栓、墊片和兩配對法蘭在第BI、FGMAXFGIALLII工況下的溫度T0裝配溫度。CG1BGT20EG螺栓最大螺栓力為FBMAXFGIFQIFRIALLI4為了保證在操作、試驗等工況中,墊片反力不低于滿足密封要求所需要的最小值FGI,MIN,預(yù)緊時的墊片反力應(yīng)不小于以下公式算得的值FGMAXFGI,MINYGIFQIYQIALLI023螺栓應(yīng)滿足以下強度條件13FRIYRIFR0YR0UI/YG0BFBABFB210C3224式中FGI,MINMAXAGEMIPI,FQIFRI14式中AB螺栓的總截面積FB螺栓材料的許用應(yīng)力摩擦系數(shù)C系數(shù),如允許螺栓有微小的塑性變形,則C10如不允許螺栓有任何塑性變形,C4/31333如裝配中,當(dāng)螺栓擰,即有,則對所有工況,C0。、松式法蘭和法蘭蓋,將采用不同的載荷比計算公式,然后將該載荷比予以限制。以整體法蘭為例,載荷比的強度條件如下FFHFHHFHWF/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTMLARYGI、YQI、YRI第I工況中,墊片反力、壓力載荷和外加機械載荷作用時,法蘭接頭的軸向柔度MI墊片系數(shù)PI介質(zhì)壓力。進一步考慮裝配時墊片所比Q0,MIN,FG0,REQGE0,MINFG1516FB0,REQFG0,REQFR0MAX25FG0,REQ1FG0,FG0FG0,REQ,224,FG0,REQFG05II0FGIFG0,DYG0FQIYQIFRIYRIFR0YR0UI/YGI17HGHHHPWFMAX,20,26,10HGHHHPWFEN13445G6,FG0,DFG,1FB0,MAXFR03N1819FB0,MAXFB0,REQ1N1NNRNNHTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTMLGFG10AGTCGQMAX20EFPB3BPEFEGBF10226PBBFMT,NOM12DB0FB0,NOMNB276DB0NB461FG0,4FB0,NOM,FB0,REQ/1N2,FZFFGHGFQHHHPHQEFFRHHHR28,13,0,4,EFHTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML,LB,YGZFHGEF2331EN13445G,4,FGFR,14P,16,FGFR,EN13445GFB0,MINFB0,REQ/1N29FG2EFXBEBIXGEGIGCI302,FGHTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML,19,1319,2324,182NR10,18432EN,6200921EN134457Q0,MIN,MI,MI,1KTA32112N2/MGM21S21L10L01L001101001QMAXE0,20K1,2,MI,GCHTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML,EN13445GG921G926,E0K1GC,Q0,MINTAYLOR2FORGEY2E0QMAXGC31,QMITAYLOR2FORGEM,4,MI,90MM50MM,4MPA,1ML/MINEN13445,MI,QMAXI0I,QMAXQI0GC334,EN,7,QI,MINMI,5,HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML4,MI,1416,EN,8,NPS10CLASS150,FGI,FGI,KTA32112163,14MI,846124342,20242536,QMAXHTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML,5EN13445,MI,9,4,ASMEJISTAYLOR2FORGE,12MY,5,9,EN,HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML35EN,3,EN,EN,28FB0,NOM1,15200921EN134459EN2,TAYLOR2FORGE,EN,HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML,PVRCTAYLOR2FORGE,PVRC,ASMEVIII22EDITION200710,ENTAYLOR2FORGE,MI,2MI,TAYLOR2FORGE,EN,ENEN13445GLQ0,MINMI,MI,MI,MI,PVRC,GBAGSTP,PVRC,HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML,1ASME,BOILERPRESSUREVESSELCODES2GB1501998,S3TAKASHIKCHARACTERIZATIONOFSEALINGBEHAVIOROFGASKETSFORTHELEAKRATEBASEDONGA