法蘭強度設計

1、LANZHOU UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY蘭州理工大學蘭州理工大學李李 淑淑 欣欣 2008.11.29 2008.11.292022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院2主 要 內(nèi) 容 法蘭結構類型法蘭結構類型法蘭標準法蘭標準法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法巴赫法巴赫法鐵木辛哥法鐵木辛哥法華脫斯法華脫斯法各種設計方法比較各種設計方法比較大口徑非標法蘭強度設計方法大口徑非標法蘭強度設計方法事例說明事例說明WatersWaters法的可靠性？法的可靠性？2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院3主 要 內(nèi) 容 法蘭結構類型法蘭結構類型法蘭

2、標準法蘭標準法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法巴赫法巴赫法鐵木辛哥法鐵木辛哥法華脫斯法華脫斯法各種設計方法比較各種設計方法比較大口徑非標法蘭強度設計方法大口徑非標法蘭強度設計方法事例說明事例說明WatersWaters法的可靠性？法的可靠性？2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院4法蘭結構類型法蘭結構類型2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院5法蘭結構類型法蘭結構類型2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院6法蘭結構類型法蘭結構類型-松式法蘭松式法蘭2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院7法蘭結構類型法蘭結構類型-松式法蘭松式法蘭2022年1月11日蘭州理工大學石油

3、化工學院8法蘭結構類型法蘭結構類型-整體法蘭整體法蘭2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院9法蘭結構類型法蘭結構類型-任意式法蘭任意式法蘭2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院10主 要 內(nèi) 容 法蘭結構類型法蘭結構類型法蘭標準法蘭標準法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法巴赫法巴赫法鐵木辛哥法鐵木辛哥法華脫斯法華脫斯法 2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院11法蘭標準法蘭標準2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院12法蘭標準法蘭標準-公稱直徑公稱直徑2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院13法蘭標準法蘭標準-公稱壓力公稱壓力2022年1月11日蘭州理工大學石

4、油化工學院14c. 法蘭標準的選用法蘭標準的選用依據(jù)：依據(jù)：根據(jù)容器或管道的公稱直徑、工程壓力、工作溫根據(jù)容器或管道的公稱直徑、工程壓力、工作溫度、工作介質(zhì)特性以及法蘭材料進行選用。度、工作介質(zhì)特性以及法蘭材料進行選用。管法蘭：管法蘭：國際上兩個體系，即歐洲體系（以國際上兩個體系，即歐洲體系（以DIN標準為代表）及美標準為代表）及美洲體系（以洲體系（以ASME B16.5、B16.47為代表）。兩個體系之間為代表）。兩個體系之間不能互相配用。較明顯的區(qū)分標志為公稱壓力等級不同。不能互相配用。較明顯的區(qū)分標志為公稱壓力等級不同。國際標準化組織于國際標準化組織于1983年提出了年提出了ISO/DI

5、S7005-1鋼鋼法蘭法蘭標推標推(草案草案)，它實際上是由美國和德國的管法，它實際上是由美國和德國的管法蘭標準修改合并而成，但仍末成為正式標準。蘭標準修改合并而成，但仍末成為正式標準。法蘭標準法蘭標準-法蘭的選用法蘭的選用2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院15法蘭標準法蘭標準-中國管法蘭標準中國管法蘭標準 長期以來，在我國化工、電力和機械等部門廣泛使用長期以來，在我國化工、電力和機械等部門廣泛使用原一機部的原一機部的管法蘭和墊片管法蘭和墊片標準標準JB7590-59和化工和化工部的部的管法蘭管法蘭標準標準HG50015028-58，兩者都是按前，兩者都是按前蘇聯(lián)管法蘭標準（屬德國蘇

6、聯(lián)管法蘭標準（屬德國DIN管法蘭標準體系）制定的管法蘭標準體系）制定的，配用公制管，可互換使用。但隨著科技的發(fā)展和相關，配用公制管，可互換使用。但隨著科技的發(fā)展和相關標準的修訂，上述標準已難以適應工程建設的需要。因標準的修訂，上述標準已難以適應工程建設的需要。因此，近幾年我國有關部門又制定了下列法蘭標準：此，近幾年我國有關部門又制定了下列法蘭標準：中國管法蘭標準：中國管法蘭標準：2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院16法蘭標準法蘭標準-中國管法蘭標準中國管法蘭標準 國家標準國家標準 GB91129128-88鋼制管法蘭鋼制管法蘭參照參照ISO/DIS7005-1制定的。公稱壓力制定的。

7、公稱壓力PN 0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0MPa為德國管為德國管法蘭系列；法蘭系列；PN2.0、5.0、10.0、15.0、25.0、42.0MPa為美國管法為美國管法蘭系列。蘭系列。 中石化總公司工程建設標準中石化總公司工程建設標準 JB/T74-90鋼制管法蘭鋼制管法蘭按照美按照美國國ANSI B16.5管法蘭標準制定的，配用英制管，公稱壓力管法蘭標準制定的，配用英制管，公稱壓力PN 2.0、5.0、6.8、10.0、15.0、25.0、42.0MPa為美國管法蘭系列。為美國管法蘭系列。 化學工業(yè)部工程建設標準化學工業(yè)部工程建設標準 HGJ4476-91鋼制管法蘭、墊片

8、鋼制管法蘭、墊片、緊固件、緊固件是在是在HG，JB管法蘭基礎上參照德國管法蘭基礎上參照德國DIN管法蘭標準管法蘭標準制定的，配用公制管。制定的，配用公制管。2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院17主 要 內(nèi) 容 法蘭結構類型法蘭結構類型法蘭標準法蘭標準法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法巴赫法巴赫法鐵木辛哥法鐵木辛哥法華脫斯法華脫斯法各種設計方法比較各種設計方法比較大口徑非標法蘭強度設計方法大口徑非標法蘭強度設計方法事例說明事例說明WatersWaters法的可靠性？法的可靠性？2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院18法蘭設計內(nèi)容法蘭設計內(nèi)容u 墊片設計墊片設計墊片有效密封

9、寬度；墊片有效密封寬度；墊片特性參數(shù)（墊片特性參數(shù)（m m，y y）墊片壓緊力作用中心圓直徑墊片壓緊力作用中心圓直徑墊片壓緊力墊片壓緊力墊片寬度校核墊片寬度校核u 螺栓設計螺栓設計u 法蘭強度設計法蘭強度設計 u法蘭型式設計法蘭型式設計松套法蘭松套法蘭整體法蘭整體法蘭任意式法蘭任意式法蘭2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院19法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法計算方法分類：三類計算方法分類：三類 以材料力學為基礎的簡單計算方法以材料力學為基礎的簡單計算方法 Bach Bach法法 以彈性分析為基礎的設計方法：將法蘭中的應力控以彈性分析為基礎的設計方法：將法蘭中的應力控制在彈性范圍

10、內(nèi)。該法使用經(jīng)驗豐富，世界各國廣泛制在彈性范圍內(nèi)。該法使用經(jīng)驗豐富，世界各國廣泛使用使用 TimoshenkoTimoshenko 和和 WatersWaters法法 以塑性分析為基礎的設計方法：對法蘭的強度以塑以塑性分析為基礎的設計方法：對法蘭的強度以塑性失效設計準則加以控制。性失效設計準則加以控制。但計算較復雜，目前除了但計算較復雜，目前除了個別國家（如西德標準個別國家（如西德標準DIN2505DIN2505）使用外，還未被廣泛）使用外，還未被廣泛采用。采用。2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院20 把高頸法蘭看作是一個懸臂梁，粱的高度是法蘭的高度，懸臂長度為螺栓孔把高頸法蘭看作是

11、一個懸臂梁，粱的高度是法蘭的高度，懸臂長度為螺栓孔中心圓至壓力作用點的距離，將法蘭剖開后伸直就成為如圖所示的又窄又長的懸中心圓至壓力作用點的距離，將法蘭剖開后伸直就成為如圖所示的又窄又長的懸臀梁。梁的彎矩為臀梁。梁的彎矩為W.LW.L，然后分別校驗，然后分別校驗A AC C截面上和截面上和B BC C截面上的彎曲應力。截面上的彎曲應力。法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法-Bach法法2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院21法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法-Bach-Bach法法a. AC() / 2WlW KN剖面所受彎矩：2AC/ 6Nt剖面截面系數(shù) AC()/23-2

12、2/6W KNW K NNtNt因此，剖面上的彎曲應力為（）=2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院22法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法-Bach-Bach法法1 BC () / 2W KNS剖面所受的彎矩為 ：BC40但考慮到此彎矩為由法蘭環(huán)和頸部兩者所承擔，假設剖面承載%的彎矩，則為112BC()/6N SS剖面的截面系數(shù)為：11211110.4()/2 1.2-SBC2(S )S()/6W KN SW K NNtN SS（）因此剖面彎曲應力為： =t 強度條件：10.4()/2W KN S2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院23法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方

13、法-Timoshenko法法 以彈性分析為基礎的設計方法：以彈性分析為基礎的設計方法：TimoshenkoTimoshenko法法 從計算角度將法蘭劃分為從計算角度將法蘭劃分為活套法蘭活套法蘭和和整體法蘭整體法蘭兩大類。兩大類。u計算活套法蘭：計算活套法蘭：把法蘭當作受扭轉(zhuǎn)的把法蘭當作受扭轉(zhuǎn)的矩形截面圓環(huán)矩形截面圓環(huán)來考慮，即矩來考慮，即矩形截面的法蘭環(huán)在受扭轉(zhuǎn)作用后形截面的法蘭環(huán)在受扭轉(zhuǎn)作用后只能繞環(huán)的形心旋轉(zhuǎn)而不會產(chǎn)生只能繞環(huán)的形心旋轉(zhuǎn)而不會產(chǎn)生彎曲或畸變，彎曲或畸變，因而法蘭環(huán)的形狀仍保持矩形。認為法蘭環(huán)在螺栓因而法蘭環(huán)的形狀仍保持矩形。認為法蘭環(huán)在螺栓拉緊力作用下會產(chǎn)生微小的偏轉(zhuǎn)，從而

14、應用彈性理論，按照力與拉緊力作用下會產(chǎn)生微小的偏轉(zhuǎn)，從而應用彈性理論，按照力與變形的關系求出法蘭上的應力，所以此法又稱變形的關系求出法蘭上的應力，所以此法又稱“環(huán)板扭轉(zhuǎn)法環(huán)板扭轉(zhuǎn)法”。u計算整體法蘭：計算整體法蘭：把法蘭和筒體視為一個整體，在法蘭環(huán)與筒體連把法蘭和筒體視為一個整體，在法蘭環(huán)與筒體連接處接處結構不連續(xù)結構不連續(xù)，需通過變形協(xié)調(diào)方程求解。步驟較繁，對高頸，需通過變形協(xié)調(diào)方程求解。步驟較繁，對高頸法蘭，由于忽略了高頸的作用，所以結果偏于保守。法蘭，由于忽略了高頸的作用，所以結果偏于保守。2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院24法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法-Timo

15、shenko法法基本假設：基本假設：u法蘭在操作過程中不發(fā)生任何屈服或蠕變，即處于完法蘭在操作過程中不發(fā)生任何屈服或蠕變，即處于完全彈性狀態(tài)；全彈性狀態(tài)；u法蘭為受均布外力矩作用的矩形截面的圓環(huán)，受力后法蘭為受均布外力矩作用的矩形截面的圓環(huán)，受力后不發(fā)生畸變扭歪；不發(fā)生畸變扭歪；u不及操作內(nèi)壓引起的薄膜應力；不及操作內(nèi)壓引起的薄膜應力；u不考慮螺栓孔的影響。不考慮螺栓孔的影響。2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院25法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法-Timoshenko法法 按基本假設按基本假設b b，法蘭的矩形截面不發(fā)生畸變扭歪，則環(huán)的變形只是，法蘭的矩形截面不發(fā)生畸變扭歪，

16、則環(huán)的變形只是由于截面偏轉(zhuǎn)一角度。按照下圖作如下分析：由于截面偏轉(zhuǎn)一角度。按照下圖作如下分析： 2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院26法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法-Timoshenko法法 設設A A為矩形截面上任一點，其坐標為為矩形截面上任一點，其坐標為(r(r，y)y)。當矩形截面。當矩形截面繞中心繞中心C C轉(zhuǎn)過一角度轉(zhuǎn)過一角度q q以后，以后，A A點位移到點位移到AA，其半徑出，其半徑出r r變變?yōu)闉閞+drr+dr。A A點的周向相對伸長為：點的周向相對伸長為：A A點周向應變：點周向應變： 周向應力：周向應力：2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院27

17、法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法-Timoshenko法法周向應力：周向應力：偏轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)角q q ：Mt:Mt:法蘭環(huán)截面中心圓周上法蘭環(huán)截面中心圓周上 單位周長力矩；單位周長力矩；r r：法蘭環(huán)截面中心圓周上：法蘭環(huán)截面中心圓周上 半徑；半徑；t t：法蘭環(huán)厚度：法蘭環(huán)厚度 W: W: 螺栓總拉緊力螺栓總拉緊力 最大周向應力：最大周向應力：環(huán)的上下表面內(nèi)側環(huán)的上下表面內(nèi)側 x=x=R Ri i；y=l/2y=l/22022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院28法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法-Waters法法 Waters法是我國國家標準法是我國國家標準GB150-1998

18、鋼制壓力鋼制壓力容器容器和和GB/T17186-1997國家標準國家標準鋼制管法蘭強度鋼制管法蘭強度計算方法計算方法(A方法方法)中的法蘭計算所引用。中的法蘭計算所引用。 對法蘭的應力分析和對法蘭的應力分析和Timoshenko法計算整體法蘭法計算整體法蘭的方法類似，所不同的是，的方法類似，所不同的是，Waters法將法蘭環(huán)不是作法將法蘭環(huán)不是作為圓環(huán)，而是作為為圓環(huán)，而是作為環(huán)板環(huán)板進行分析，并且考慮了進行分析，并且考慮了法蘭錐法蘭錐頸頸的作用。的作用。高頸法蘭的應力分析力學模型如下圖所示：高頸法蘭的應力分析力學模型如下圖所示：2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院29法蘭強度設計計算

19、方法法蘭強度設計計算方法-Waters法法2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院30法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法- Waters法法2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院31法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法- Waters法法2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院32法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法- Waters法法2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院330000wwshshqq圓筒與頸部連接處：；0110whhpqq頸部與環(huán)板連接處：；;0000MMQQshsh圓筒與頸部連接處：1010MMQQhphp頸部與環(huán)板連接處：；按照彈性分析方

20、法，將法蘭按照彈性分析方法，將法蘭3部分邊界上的未知內(nèi)力（部分邊界上的未知內(nèi)力（Ms0 , Mp0 ,Qs0 , Qp0 ）和錐頸徑向位移函數(shù)中的和錐頸徑向位移函數(shù)中的4個積分常數(shù)（個積分常數(shù)（d1，d2,d3,d4）作為基本未知量。）作為基本未知量。 由內(nèi)力平衡條件和變形協(xié)調(diào)關系建立協(xié)調(diào)方程：由內(nèi)力平衡條件和變形協(xié)調(diào)關系建立協(xié)調(diào)方程： 給定法蘭材料，結構尺寸和力矩給定法蘭材料，結構尺寸和力矩M0的前提下，由的前提下，由8個平衡方個平衡方程所確定的程所確定的8個未知量求解得法蘭三個方向最大應力為：個未知量求解得法蘭三個方向最大應力為：法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法- Waters法法

21、2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院34法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法- Waters法法122:AB(11.33 ) C-CHfMD giMterD tiYMZsrD ti錐頸上軸向應力 或 點法蘭環(huán)上徑向應力： 點法蘭環(huán)上周向應力： 點t: 初擬法蘭厚度；初擬法蘭厚度；Di：法蘭內(nèi)直徑；：法蘭內(nèi)直徑；M：法蘭力矩；：法蘭力矩；f: 法蘭錐頸應力校正系數(shù)；法蘭錐頸應力校正系數(shù)；e: 系數(shù)，系數(shù)，e =F/h0h0: 系數(shù)，系數(shù)，h0 = （Dig0）1/2g1:系數(shù)，系數(shù)， g1=（U/V）h0g02F和和V分別是分別是考慮剪力和轉(zhuǎn)角影響的錐頸系數(shù)，根據(jù)考慮剪力和轉(zhuǎn)角影響的

22、錐頸系數(shù)，根據(jù)g1/ g0 和和h1 /h0和由圖查??；和由圖查??；2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院35 WatersWaters法是線彈性理論方法，法蘭中各處的應力與外載法是線彈性理論方法，法蘭中各處的應力與外載（法蘭力矩）成線形（正比）關系，而法蘭（法蘭力矩）成線形（正比）關系，而法蘭3 3部分邊界上部分邊界上的未知內(nèi)力及由此引起的法蘭中的應力取決于法蘭各部分的未知內(nèi)力及由此引起的法蘭中的應力取決于法蘭各部分結構尺寸的相對比例，即法蘭各部位應力可表征為法蘭結結構尺寸的相對比例，即法蘭各部位應力可表征為法蘭結構尺寸的無量綱比值的函數(shù)。構尺寸的無量綱比值的函數(shù)。法蘭強度設計計算方法

23、法蘭強度設計計算方法- Waters法法 從便于設計應用的角度出發(fā)，從便于設計應用的角度出發(fā)，WatersWaters建立一組無量綱參數(shù)，建立一組無量綱參數(shù)，其中體現(xiàn)錐徑結構的參數(shù)是其中體現(xiàn)錐徑結構的參數(shù)是g g1 1/ / g g0 0 ，h h1 1 /h/h0 0 ，體現(xiàn)法蘭環(huán)參，體現(xiàn)法蘭環(huán)參數(shù)的是數(shù)的是K K（D D0 0/D/Di i），并進行大量計算，給出由這些無量綱），并進行大量計算，給出由這些無量綱參數(shù)所確定的相應應力參數(shù)，其中體現(xiàn)錐徑作用的參數(shù)是參數(shù)所確定的相應應力參數(shù)，其中體現(xiàn)錐徑作用的參數(shù)是F,V,fF,V,f, ,體現(xiàn)法蘭環(huán)作用的參數(shù)是體現(xiàn)法蘭環(huán)作用的參數(shù)是Y Y，T

24、T，U U，Z Z。2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院36法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法- Waters法法法法蘭蘭各各項項應應力力分分布布2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院37法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法- Waters法法2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院38法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法- Waters法法 關于法蘭強度計算的全過程見文獻：關于法蘭強度計算的全過程見文獻： 美美 螺栓法蘭一般公式的推導，螺栓法蘭一般公式的推導，19371937；E.O.Waters,D.BE.O.Waters,D.B. . WesstromWe

25、sstrom; ;中譯文：石中譯文：石油化工技術情報油化工技術情報 19781978年第五期，北京石年第五期，北京石油化工總廠設計院。油化工總廠設計院。2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院39法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法- Waters法法2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院40法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法- Waters法法2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院41法蘭強度設計計算方法法蘭強度設計計算方法-DIN2505法法 基于塑性極限載荷的設計方法：基于塑性極限載荷的設計方法：DIN2505DIN2505法法 該方法并不注重于法蘭本身的應力水

26、平，而是著眼于法該方法并不注重于法蘭本身的應力水平，而是著眼于法蘭連接的密封性能。因此對法蘭的強度計算以極限設計蘭連接的密封性能。因此對法蘭的強度計算以極限設計的概念進行，而對整個連接的密封性能的檢驗是通過制的概念進行，而對整個連接的密封性能的檢驗是通過制作一個作一個“載荷載荷-變形圖變形圖”的辦法來加以確認。的辦法來加以確認。 國標國標GB/T17186-1997鋼制管法蘭連接強度計算方法鋼制管法蘭連接強度計算方法方法方法B的主要內(nèi)容取自德國的主要內(nèi)容取自德國DIN2505-1964管法蘭連接管法蘭連接計算計算。2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院42 該方法計算模型過于簡化，與實際

27、法蘭受力情況有很大出該方法計算模型過于簡化，與實際法蘭受力情況有很大出入。通常整體法蘭的危險應力總是發(fā)生于椎頸，而該方法則入。通常整體法蘭的危險應力總是發(fā)生于椎頸，而該方法則未加考慮。因此，計算結果無法反映法蘭的真實應力狀況。未加考慮。因此，計算結果無法反映法蘭的真實應力狀況。 該方法僅計算該方法僅計算“環(huán)環(huán)”的徑向彎曲應力，而實際法蘭環(huán)的徑向彎曲應力，而實際法蘭環(huán)的最大應力并非總是發(fā)生于徑向，也可能存在于環(huán)向。的最大應力并非總是發(fā)生于徑向，也可能存在于環(huán)向。Bach法存在問題：法存在問題： 通過大量計算比較和實踐表明，該方法計算結果偏于通過大量計算比較和實踐表明，該方法計算結果偏于危險。工程

28、設計中很少采用該方法。危險。工程設計中很少采用該方法。三種設計方法比較三種設計方法比較2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院43 該法以彈性分析為基礎，考慮了法蘭的三部分：客體、錐該法以彈性分析為基礎，考慮了法蘭的三部分：客體、錐頸鶴法蘭換之間的相互作用。從彈性分析準則來說是比較完頸鶴法蘭換之間的相互作用。從彈性分析準則來說是比較完善的計算方法。善的計算方法。 Waters法：法： 大量實踐證明，大量實踐證明，Waters法在通常情況下能獲得滿意的法在通常情況下能獲得滿意的設計結果。具有以下特點：設計結果。具有以下特點： A. 建立在合理的彈性分析理論基礎之上；建立在合理的彈性分析理論基

29、礎之上； B. 經(jīng)歷了長期的時間考驗；經(jīng)歷了長期的時間考驗； C. 計算簡便。計算簡便。 由于這些特點，由于這些特點，Waters法為美、英、日等國的規(guī)范（法為美、英、日等國的規(guī)范（ASME、BS及及JIS）所采用。）所采用。三種設計方法比較三種設計方法比較2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院44 該法認為法蘭的強度并非是設計的主要矛盾，因此該法認為法蘭的強度并非是設計的主要矛盾，因此允許對法蘭按極限載荷法進行計算，從而挖掘法蘭的允許對法蘭按極限載荷法進行計算，從而挖掘法蘭的承載能力，可獲得較小結構尺寸的法蘭設計。承載能力，可獲得較小結構尺寸的法蘭設計。 但是但是 “載荷載荷-變形圖變

30、形圖”需涉及墊片的回彈性能、比需涉及墊片的回彈性能、比壓及墊片系數(shù)等參數(shù)，而這些參數(shù)又受到許多因素的壓及墊片系數(shù)等參數(shù)，而這些參數(shù)又受到許多因素的影響，測定這些參數(shù)的準確性尚存在很多問題。影響，測定這些參數(shù)的準確性尚存在很多問題。 由于制作由于制作“載荷載荷-變形圖變形圖”非常困難，非常困難，AD規(guī)范中干規(guī)范中干脆免去了對密封性能的檢驗步驟，因此，存在著密封脆免去了對密封性能的檢驗步驟，因此，存在著密封失效的危險性。失效的危險性。DIN法：法：三種設計方法比較三種設計方法比較2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院45Waters法設計步驟法設計步驟（一）法蘭尺寸的初步設計（一）法蘭尺寸的

31、初步設計（二）內(nèi)壓法蘭載荷（二）內(nèi)壓法蘭載荷（三）法蘭應力（三）法蘭應力（四）應力校核（四）應力校核2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院46Waters法設計步驟法設計步驟-1（一）法蘭尺寸的初步設計（一）法蘭尺寸的初步設計整體法蘭結構尺寸示意圖整體法蘭結構尺寸示意圖W: 螺栓設計載荷螺栓設計載荷FG：墊片載荷：墊片載荷FD：法蘭環(huán)內(nèi)徑截面上的壓力載荷：法蘭環(huán)內(nèi)徑截面上的壓力載荷FT：介質(zhì)壓力引起的總軸向力與法：介質(zhì)壓力引起的總軸向力與法蘭內(nèi)徑截面上的壓力載荷之差蘭內(nèi)徑截面上的壓力載荷之差FT= F- FDF:介質(zhì)壓力引起總軸向力介質(zhì)壓力引起總軸向力DG：墊片壓緊力作用中心圓直徑墊片壓

32、緊力作用中心圓直徑2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院47Waters法設計步驟法設計步驟-2 計算法蘭外力矩時，螺栓力、墊片載荷及壓力載荷的作用點計算法蘭外力矩時，螺栓力、墊片載荷及壓力載荷的作用點均與法蘭尺寸有關。在進行法蘭計算前，需先擬定必要的法蘭均與法蘭尺寸有關。在進行法蘭計算前，需先擬定必要的法蘭強度尺寸和連接尺寸。強度尺寸和連接尺寸。 錐徑小端與殼體相連，其厚度通常取與殼體壁厚相同，錐頸錐徑小端與殼體相連，其厚度通常取與殼體壁厚相同，錐頸大端與小端比例關系為：大端與小端比例關系為：g1/g0=1.6-1.8 或按如下經(jīng)驗公式確定或按如下經(jīng)驗公式確定: g038mm時，時，g

33、1=2g0； g038mm時，時，g1=1.5g0； g1/t=0.43-0.73 錐頸錐度通常等于或小于錐頸錐度通常等于或小于13，錐頸高度一般取，錐頸高度一般取h=1.5g1（一）法蘭尺寸的初步設計（一）法蘭尺寸的初步設計（1）法蘭強度尺寸和連接尺寸）法蘭強度尺寸和連接尺寸2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院48Waters法設計步驟法設計步驟-3最小墊片壓緊力：最小墊片壓緊力：（2）墊片壓緊力）墊片壓緊力最小墊片壓緊力：最小墊片壓緊力：最小螺栓載荷：最小螺栓載荷：（3）螺栓載荷）螺栓載荷最小螺栓載荷：最小螺栓載荷：2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院49Waters法設計

34、步驟法設計步驟-4（4）螺栓面積）螺栓面積最小螺栓面積：最小螺栓面積：最小螺栓面積：最小螺栓面積：需要的螺栓面積需要的螺栓面積Am取取Aa與與Ap之大值；之大值；實際螺栓面積實際螺栓面積Ab應不小于所需面積應不小于所需面積Am。（5）螺栓設計載荷）螺栓設計載荷螺栓設計載荷：螺栓設計載荷：螺栓設計載荷螺栓設計載荷：實際螺栓面積實際螺栓面積Ab將大于所需面積將大于所需面積Am，為防止，為防止預緊時螺栓過量擰緊造成法蘭超載，在計算預緊時螺栓過量擰緊造成法蘭超載，在計算設計載荷時，螺栓面積按實際面積與計算面設計載荷時，螺栓面積按實際面積與計算面積的平均值考慮。積的平均值考慮。2022年1月11日蘭州理

35、工大學石油化工學院50Waters法設計步驟法設計步驟-5：（二）內(nèi)壓法蘭載荷（二）內(nèi)壓法蘭載荷FG =W ； FD =0；FT =0; FG= FP= 2 DGbmpcFD=(/4)Di2pFT=(/4)(DG2-Di2)p2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院51Waters法設計步驟法設計步驟-6 比較預緊和操作情況下兩力矩的大小，其中較大者為法蘭計比較預緊和操作情況下兩力矩的大小，其中較大者為法蘭計算力矩：算力矩：設計和常溫下設計和常溫下的許用應力的許用應力（三）法蘭應力（三）法蘭應力122:AB(11.33 ) C-CHfMD giMterD tiYMZsrD ti錐頸上軸向應

36、力 或 點法蘭環(huán)上徑向應力： 點法蘭環(huán)上周向應力： 點2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院52Waters法設計步驟法設計步驟-7（四）應力校核（四）應力校核2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院532022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院54關于關于Waters法的幾點說明法的幾點說明 Waters法雖然沒有直接計算法蘭變形，但它法雖然沒有直接計算法蘭變形，但它用計算法蘭的彈性名義應力，通過控制適當許用計算法蘭的彈性名義應力，通過控制適當許用應力的辦法來保證法蘭具有足夠的剛性，從用應力的辦法來保證法蘭具有足夠的剛性，從而使整個連接達到密封可靠的要求，達到了以而使整個連接達到

37、密封可靠的要求，達到了以簡便的強度設計代替密封設計的當量計算目的簡便的強度設計代替密封設計的當量計算目的。由此可見，。由此可見，Waters法的設計結果是法蘭相對法的設計結果是法蘭相對偏于安全。偏于安全。-法蘭實用手冊法蘭實用手冊李新華李新華說明：說明：2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院55說明：說明： Waters指出：該設計方面對所設計的法蘭直徑指出：該設計方面對所設計的法蘭直徑和壓力不受限制。和壓力不受限制。-法蘭實用手冊法蘭實用手冊李新華李新華 經(jīng)過綜合分析后，認為經(jīng)過綜合分析后，認為Waters法中未考慮的一些法中未考慮的一些因素對法蘭應力的綜合影響結果，使法蘭應力增高因素

38、對法蘭應力的綜合影響結果，使法蘭應力增高并非過大，總的計算結果仍有足夠的裕量，即使對并非過大，總的計算結果仍有足夠的裕量，即使對于直徑達于直徑達3600mm的法蘭仍適用的法蘭仍適用 。-壓力容器及壓力容器及化工設備化工設備陳國理陳國理關于關于Waters法的幾點說明法的幾點說明2022年1月11日蘭州理工大學石油化工學院56大口徑非標法蘭強度設計方法大口徑非標法蘭強度設計方法- Waters- Waters法法 在選定法蘭和墊片的材料后，參考法蘭標準系列初在選定法蘭和墊片的材料后，參考法蘭標準系列初擬法蘭結構和尺寸，對整體法蘭，是在假設法蘭錐頸和擬法蘭結構和尺寸，對整體法蘭，是在假設法蘭錐頸和

39、法蘭環(huán)厚度基礎上計算力矩及各項法蘭應力法蘭環(huán)厚度基礎上計算力矩及各項法蘭應力 當應力與相應的許用應力相差較大時，調(diào)整法蘭椎頸或當應力與相應的許用應力相差較大時，調(diào)整法蘭椎頸或法蘭環(huán)的尺寸，重復計算過程，法蘭環(huán)的尺寸，重復計算過程， 直至各項法蘭應直至各項法蘭應力小于相應的許用應力，并較接近時為止。力小于相應的許用應力，并較接近時為止。試算法：試算法： Waters法設計中，隨著法設計中，隨著Di增大，對應于系數(shù)圖增大，對應于系數(shù)圖f、F、V、T、U、Y、Z中可能無法查取中可能無法查取 ？2022年1月11日57蘭州理工大學石油化工學院 根據(jù)清華大學根據(jù)清華大學5MW低溫核供熱堆試驗低溫核供熱堆

40、試驗堆工程的安全殼設計實例，建立了與實堆工程的安全殼設計實例，建立了與實際法蘭結構完全一致的三維有限元模型際法蘭結構完全一致的三維有限元模型，采用六節(jié)點三角形單元劃分有限元網(wǎng)，采用六節(jié)點三角形單元劃分有限元網(wǎng)格，克服了采用格，克服了采用Waters的近似，使應力的近似，使應力計算結果更加可靠。計算結果表明，對計算結果更加可靠。計算結果表明，對于直徑大于于直徑大于1000 mm的大型法蘭，采用的大型法蘭，采用GB150 規(guī)范設計時，應力計算值小于實規(guī)范設計時，應力計算值小于實際值，誤差達際值，誤差達10%以上，具有一定的局以上，具有一定的局限性。限性。2022年1月11日58蘭州理工大學石油化工

41、學院2.2 2.2 有限元網(wǎng)格劃分有限元網(wǎng)格劃分采用采用MSC.PATRANMSC.PATRAN進進行安全殼頂蓋封頭行安全殼頂蓋封頭法蘭結構的有限元法蘭結構的有限元分析，模型為軸對分析，模型為軸對稱稱6 6節(jié)點三角形單節(jié)點三角形單元。網(wǎng)格劃分如圖元。網(wǎng)格劃分如圖所示。所示。2022年1月11日59蘭州理工大學石油化工學院2.3 Waters 法與法與FEM應力計算結果的比較應力計算結果的比較 當安全殼頂蓋的法蘭與封頭之間的直筒節(jié)取不同長度當安全殼頂蓋的法蘭與封頭之間的直筒節(jié)取不同長度L L 時，有限元法得時，有限元法得到的法蘭錐頸小端到的法蘭錐頸小端M M點的軸向應力列于表中點的軸向應力列于表

42、中. .安全殼實際安全殼實際L為為100mm,FEM值值為為338.1MPa；而；而GB150計算得計算得到的值為到的值為233.4MPa，且與，且與L無關無關。可見這兩種方法得到的法蘭錐。可見這兩種方法得到的法蘭錐頸小端應力之差很大；頸小端應力之差很大；FEM值值與水壓試驗實測值誤差很小。與水壓試驗實測值誤差很小。當當L很大，接近于很大，接近于Waters法假設的法假設的半無窮直筒壁時，半無窮直筒壁時，M點的應力值趨點的應力值趨于一定值，這個值仍比于一定值，這個值仍比Waters法的法的結果高結果高17%，這就是，這就是Waters法對大法對大口徑法蘭與半無限長直筒體連接時口徑法蘭與半無限長

43、直筒體連接時的法蘭軸向應力的計算誤差。的法蘭軸向應力的計算誤差。2022年1月11日60蘭州理工大學石油化工學院 將上述表中數(shù)據(jù)繪成圖，可以更清晰地看到，隨著將上述表中數(shù)據(jù)繪成圖，可以更清晰地看到，隨著L L的的加長，加長，M M點的軸向應力值逐漸地趨于一個定值，這與彈性理點的軸向應力值逐漸地趨于一個定值，這與彈性理論的分析結果是一致的。論的分析結果是一致的。2022年1月11日61蘭州理工大學石油化工學院結論： 5 MW 低溫核供熱堆金屬安全殼應力和變形計算的實例說明，GB150 用于容器端蓋大法蘭的設計有較大的應力計算誤差。采用有限元方法進行容器端蓋大口徑法蘭的應力和變形計算以及強度設計和

44、密封設計是必要的，尤其是當強度要求和密封要求較高時，僅僅用GB150 做容器端蓋大法蘭設計是不適宜的。2022年1月11日62蘭州理工大學石油化工學院 由于工程應用和研究需要由于工程應用和研究需要,本文作者設計了非標法蘭本文作者設計了非標法蘭、墊片、螺栓以及閥門連接系統(tǒng)結構。同時、墊片、螺栓以及閥門連接系統(tǒng)結構。同時,將法蘭、將法蘭、墊片、螺栓以及閥門作為一個整體墊片、螺栓以及閥門作為一個整體,考慮法蘭旋轉(zhuǎn)、內(nèi)考慮法蘭旋轉(zhuǎn)、內(nèi)壓對法蘭、墊片、螺栓以及閥門的受力與變形的影響壓對法蘭、墊片、螺栓以及閥門的受力與變形的影響。 應用三維有限元技術應用三維有限元技術,分析在螺栓預緊過程和加壓過分析在螺栓預緊過程和加壓過程中法蘭連接系統(tǒng)的整體應力分布程中法蘭連接系統(tǒng)的整體應力分布,為法蘭連接系統(tǒng)的為法蘭連接系統(tǒng)的精細化分析提供可靠的設計依據(jù)。精細化分析提供可靠的設計依據(jù)。2022年1月11日63蘭州理工大學石油化工學院1.1.工