法蘭強(qiáng)度設(shè)計

1、LANZHOU UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY蘭州理工大學(xué)蘭州理工大學(xué)李李 淑淑 欣欣 2008.11.29 2008.11.292022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院2主 要 內(nèi) 容 法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)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(shè)計方法比較各種設(shè)計方法比較大口徑非標(biāo)法蘭強(qiáng)度設(shè)計方法大口徑非標(biāo)法蘭強(qiáng)度設(shè)計方法事例說明事例說明WatersWaters法的可靠性？法的可靠性？2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院3主 要 內(nèi) 容 法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭

2、標(biāo)準(zhǔn)法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)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(shè)計方法比較各種設(shè)計方法比較大口徑非標(biāo)法蘭強(qiáng)度設(shè)計方法大口徑非標(biāo)法蘭強(qiáng)度設(shè)計方法事例說明事例說明WatersWaters法的可靠性？法的可靠性？2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院4法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭結(jié)構(gòu)類型2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院5法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭結(jié)構(gòu)類型2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院6法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭結(jié)構(gòu)類型-松式法蘭松式法蘭2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院7法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭結(jié)構(gòu)類型-松式法蘭松式法蘭2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院8法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭結(jié)

3、構(gòu)類型-整體法蘭整體法蘭2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院9法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭結(jié)構(gòu)類型-任意式法蘭任意式法蘭2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院10主 要 內(nèi) 容 法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)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 2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院11法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭標(biāo)準(zhǔn)2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院12法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭標(biāo)準(zhǔn)-公稱直徑公稱直徑2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院13法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭標(biāo)準(zhǔn)-公稱壓力公稱壓力2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院14c. 法蘭標(biāo)準(zhǔn)的選用法蘭標(biāo)準(zhǔn)的選用依據(jù)

4、：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(jìn)行選用。度、工作介質(zhì)特性以及法蘭材料進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)為代表）及美標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)志為公稱壓力等級不同。不能互相配用。較明顯的區(qū)分標(biāo)志為公稱壓力等級不同。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1983年提出了年提出了ISO/DIS7005-1鋼鋼法蘭法蘭標(biāo)推標(biāo)推(草案草案)，它實

5、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(biāo)準(zhǔn)修改合并而成，但仍末成為正式標(biāo)準(zhǔn)。蘭標(biāo)準(zhǔn)修改合并而成，但仍末成為正式標(biāo)準(zhǔn)。法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭標(biāo)準(zhǔn)-法蘭的選用法蘭的選用2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院15法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭標(biāo)準(zhǔn)-中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn) 長期以來，在我國化工、電力和機(jī)械等部門廣泛使用長期以來，在我國化工、電力和機(jī)械等部門廣泛使用原一機(jī)部的原一機(jī)部的管法蘭和墊片管法蘭和墊片標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)JB7590-59和化工和化工部的部的管法蘭管法蘭標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)HG50015028-58，兩者都是按前，兩者都是按前蘇聯(lián)管法蘭標(biāo)準(zhǔn)（屬德國蘇聯(lián)管法蘭標(biāo)準(zhǔn)（屬德國DIN管法蘭標(biāo)準(zhǔn)體系）制定的管法蘭標(biāo)

6、準(zhǔn)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(guān)，配用公制管，可互換使用。但隨著科技的發(fā)展和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂，上述標(biāo)準(zhǔn)已難以適應(yīng)工程建設(shè)的需要。因標(biāo)準(zhǔn)的修訂，上述標(biāo)準(zhǔn)已難以適應(yīng)工程建設(shè)的需要。因此，近幾年我國有關(guān)部門又制定了下列法蘭標(biāo)準(zhǔn)：此，近幾年我國有關(guān)部門又制定了下列法蘭標(biāo)準(zhǔn)：中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)：中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)：2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院16法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭標(biāo)準(zhǔn)-中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn) 國家標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn) 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。公稱壓力PN 0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.

7、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(shè)標(biāo)準(zhǔn)中石化總公司工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn) 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(biāo)準(zhǔn)制定的，配用英制管，公稱壓力管法蘭標(biāo)準(zhǔn)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(xué)工業(yè)部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)工業(yè)部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn) HGJ4476-91鋼制管法蘭、墊片鋼制管法蘭、墊片、緊固件、緊固件是在是在HG，JB管法蘭基礎(chǔ)

8、上參照德國管法蘭基礎(chǔ)上參照德國DIN管法蘭標(biāo)準(zhǔn)管法蘭標(biāo)準(zhǔn)制定的，配用公制管。制定的，配用公制管。2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院17主 要 內(nèi) 容 法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)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(shè)計方法比較各種設(shè)計方法比較大口徑非標(biāo)法蘭強(qiáng)度設(shè)計方法大口徑非標(biāo)法蘭強(qiáng)度設(shè)計方法事例說明事例說明WatersWaters法的可靠性？法的可靠性？2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院18法蘭設(shè)計內(nèi)容法蘭設(shè)計內(nèi)容u 墊片設(shè)計墊片設(shè)計墊片有效密封寬度；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）

9、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(shè)計螺栓設(shè)計u 法蘭強(qiáng)度設(shè)計法蘭強(qiáng)度設(shè)計 u法蘭型式設(shè)計法蘭型式設(shè)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2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院19法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)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(xué)為基礎(chǔ)的簡單計算方法以材料力學(xué)為基礎(chǔ)的簡單計算方法 Bach Bach法法 以彈性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法：將法蘭中的應(yīng)力控以彈性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法：將法蘭中的應(yīng)力控制在彈性范圍內(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

10、各國廣泛使用使用 Timoshenko Timoshenko 和和 WatersWaters法法 以塑性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法：對法蘭的強(qiáng)度以塑以塑性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法：對法蘭的強(qiáng)度以塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則加以控制。性失效設(shè)計準(zhǔn)則加以控制。但計算較復(fù)雜，目前除了但計算較復(fù)雜，目前除了個別國家（如西德標(biāo)準(zhǔn)個別國家（如西德標(biāo)準(zhǔn)DIN2505DIN2505）使用外，還未被廣泛）使用外，還未被廣泛采用。采用。2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)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

11、，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ACAC截面上和截面上和BCBC截面上的彎曲應(yīng)力。截面上的彎曲應(yīng)力。法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法-Bach法法2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院21法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)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()/23-22/6W KNW K NNtNt因此，剖面上的彎曲應(yīng)力為（）=2022-4-7蘭州理工

12、大學(xué)石油化工學(xué)院22法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)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(dān)，假設(shè)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 KNSW K NNtNSS（）因此剖面彎曲應(yīng)力為： =t 強(qiáng)度條件：10.4()/2W KNS2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院23法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法-Timoshenko法法 以彈性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法：以彈性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法：Timoshe

13、nkoTimoshenko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(dāng)作受扭轉(zhuǎn)的把法蘭當(dāng)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(rèn)為法蘭環(huán)在螺栓因而法蘭環(huán)的形狀仍保持矩形。認(rèn)為法蘭環(huán)在螺栓拉緊力作用下會產(chǎn)生微小的偏轉(zhuǎn)，從而應(yīng)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(yīng)用彈性理論，按照力與變形的關(guān)系求出法蘭上的

14、應(yīng)力，所以此法又稱變形的關(guān)系求出法蘭上的應(yīng)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(jié)構(gòu)不連續(xù)結(jié)構(gòu)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(jié)果偏于保守。法蘭，由于忽略了高頸的作用，所以結(jié)果偏于保守。2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院24法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法-Timoshenko法法基本假設(shè)：基本假設(shè)：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)

15、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(yīng)力；不及操作內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力；u不考慮螺栓孔的影響。不考慮螺栓孔的影響。2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院25法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法-Timoshenko法法 按基本假設(shè)按基本假設(shè)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，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： 2022-4

16、-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院26法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法-Timoshenko法法 設(shè)設(shè)A A為矩形截面上任一點，其坐標(biāo)為為矩形截面上任一點，其坐標(biāo)為(r(r，y)y)。當(dāng)矩形截面。當(dāng)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(yīng)變：點周向應(yīng)變： 周向應(yīng)力：周向應(yīng)力：2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院27法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法-Timoshenko法法周向應(yīng)力：周向應(yīng)力：偏轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)角q q ：Mt:M

17、t: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(yīng)力：最大周向應(yīng)力：環(huán)的上下表面內(nèi)側(cè)環(huán)的上下表面內(nèi)側(cè) x=Rx=Ri i；y=l/2y=l/22022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院28法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法-Waters法法 Waters法是我國國家標(biāo)準(zhǔn)法是我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB150-1998鋼制壓力鋼制壓力容器容器和和GB/T17186-1997國家標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)鋼制管法蘭強(qiáng)度鋼制管法蘭強(qiáng)度計算方法計算方法(A方

18、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(yīng)力分析和對法蘭的應(yīng)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(jìn)行分析，并且考慮了進(jìn)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(yīng)力分析力學(xué)模型如下圖所示：高頸法蘭的應(yīng)力分析力學(xué)模型如下圖所示：2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院29法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法-Waters法法2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院30法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法

19、- Waters法法2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院31法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法- Waters法法2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院32法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法- Waters法法2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)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 , M

20、p0 ,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(guān)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(guān)系建立協(xié)調(diào)方程： 給定法蘭材料，結(jié)構(gòu)尺寸和力矩給定法蘭材料，結(jié)構(gòu)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(yīng)力為：個未知量求解得法蘭三個方向最大應(yīng)力為：法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法- Waters法法2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院34法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法- Wat

21、ers法法122:AB(11.33 ) C-CHfMD giMterD tiYMZsrD ti錐頸上軸向應(yīng)力 或 點法蘭環(huán)上徑向應(yīng)力： 點法蘭環(huán)上周向應(yīng)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(yīng)力校正系數(shù)；法蘭錐頸應(yīng)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)角影響的錐頸系數(shù)，根據(jù)g1/ g0 和和h1 /h0和由圖查?。缓陀蓤D查?。?022-4-7蘭州理工大學(xué)石

22、油化工學(xué)院35 WatersWaters法是線彈性理論方法，法蘭中各處的應(yīng)力與外載法是線彈性理論方法，法蘭中各處的應(yīng)力與外載（法蘭力矩）成線形（正比）關(guān)系，而法蘭（法蘭力矩）成線形（正比）關(guān)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(yīng)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(yīng)力取決于法蘭各部分結(jié)構(gòu)尺寸的相對比例，即法蘭各部位應(yīng)力可表征為法蘭結(jié)結(jié)構(gòu)尺寸的相對比例，即法蘭各部位應(yīng)力可表征為法蘭結(jié)構(gòu)尺寸的無量綱比值的函數(shù)。構(gòu)尺寸的無量綱比值的函數(shù)。法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法- Waters法法 從便于設(shè)計應(yīng)用的角度出發(fā)，從便于設(shè)計應(yīng)用的角度出發(fā)，Wate

23、rsWaters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(jié)構(gòu)的參數(shù)是其中體現(xiàn)錐徑結(jié)構(gòu)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(jìn)行大量計算，給出由這些無量綱），并進(jìn)行大量計算，給出由這些無量綱參數(shù)所確定的相應(yīng)應(yīng)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(yīng)應(yīng)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 T，U U，Z Z。2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院36法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方

24、法- Waters法法法法蘭蘭各各項項應(yīng)應(yīng)力力分分布布2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院37法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法- Waters法法2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院38法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法- Waters法法 關(guān)于法蘭強(qiáng)度計算的全過程見文獻(xiàn)：關(guān)于法蘭強(qiáng)度計算的全過程見文獻(xiàn)： 美美 螺栓法蘭一般公式的推導(dǎo)，螺栓法蘭一般公式的推導(dǎo)，19371937；E.O.Waters,D.B. Wesstrom;E.O.Waters,D.B. Wesstrom;中譯文：石中譯文：石油化工技術(shù)情報油化工技術(shù)情報 19781978年第五期，北京石年第五期，北京石

25、油化工總廠設(shè)計院。油化工總廠設(shè)計院。2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院39法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法- Waters法法2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院40法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法- Waters法法2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院41法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法法蘭強(qiáng)度設(shè)計計算方法-DIN2505法法 基于塑性極限載荷的設(shè)計方法：基于塑性極限載荷的設(shè)計方法：DIN2505DIN2505法法 該方法并不注重于法蘭本身的應(yīng)力水平，而是著眼于法該方法并不注重于法蘭本身的應(yīng)力水平，而是著眼于法蘭連接的密封性能。因此對法蘭的強(qiáng)度計算以極限設(shè)計蘭連接的密封性能

26、。因此對法蘭的強(qiáng)度計算以極限設(shè)計的概念進(jìn)行，而對整個連接的密封性能的檢驗是通過制的概念進(jìn)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(rèn)。的辦法來加以確認(rèn)。 國標(biāo)國標(biāo)GB/T17186-1997鋼制管法蘭連接強(qiáng)度計算方法鋼制管法蘭連接強(qiáng)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。2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院42 該方法計算模型過于簡化，與實際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(yīng)力總是發(fā)生于椎頸，而該方法則入。通常整

27、體法蘭的危險應(yīng)力總是發(fā)生于椎頸，而該方法則未加考慮。因此，計算結(jié)果無法反映法蘭的真實應(yīng)力狀況。未加考慮。因此，計算結(jié)果無法反映法蘭的真實應(yīng)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(yīng)力，而實際法蘭環(huán)的徑向彎曲應(yīng)力，而實際法蘭環(huán)的最大應(yīng)力并非總是發(fā)生于徑向，也可能存在于環(huán)向。的最大應(yīng)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(jié)果偏于通過大量計算比較和實踐表明，該方法計算結(jié)果偏于危險。工程設(shè)計中很少采用該方法。危險。工程設(shè)計中很少采用該方法。三種設(shè)計方法比較三種設(shè)計方法比較2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院43

28、該法以彈性分析為基礎(chǔ)，考慮了法蘭的三部分：客體、錐該法以彈性分析為基礎(chǔ)，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(zhǔn)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(zhǔn)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(shè)計結(jié)果。具有以下特點：設(shè)計結(jié)果。具有以下特點： A. 建立在合理的彈性分析理論基礎(chǔ)之上；建立在合理的彈性分析理論基礎(chǔ)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

29、、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(shè)計方法比較三種設(shè)計方法比較2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院44 該法認(rèn)為法蘭的強(qiáng)度并非是設(shè)計的主要矛盾，因此該法認(rèn)為法蘭的強(qiáng)度并非是設(shè)計的主要矛盾，因此允許對法蘭按極限載荷法進(jìn)行計算，從而挖掘法蘭的允許對法蘭按極限載荷法進(jìn)行計算，從而挖掘法蘭的承載能力，可獲得較小結(jié)構(gòu)尺寸的法蘭設(shè)計。承載能力，可獲得較小結(jié)構(gòu)尺寸的法蘭設(shè)計。 但是但是 “載荷載荷-變形圖變形圖”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

30、因素的影響，測定這些參數(shù)的準(zhǔn)確性尚存在很多問題。影響，測定這些參數(shù)的準(zhǔn)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(shè)計方法比較三種設(shè)計方法比較2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院45Waters法設(shè)計步驟法設(shè)計步驟（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計（二）內(nèi)壓法蘭載荷（二）內(nèi)壓法蘭載荷（三）法蘭應(yīng)力（三）法蘭應(yīng)力（四）應(yīng)力校核（四）應(yīng)力校核2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院46

31、Waters法設(shè)計步驟法設(shè)計步驟-1（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計整體法蘭結(jié)構(gòu)尺寸示意圖整體法蘭結(jié)構(gòu)尺寸示意圖W: 螺栓設(shè)計載荷螺栓設(shè)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緊力作用中心圓直徑2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院47Waters法設(shè)計步驟法設(shè)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

32、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(guān)。在進(jìn)行法蘭計算前，需先擬定必要的法蘭均與法蘭尺寸有關(guān)。在進(jìn)行法蘭計算前，需先擬定必要的法蘭強(qiáng)度尺寸和連接尺寸。強(qiáng)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(guān)系為：大端與小端比例關(guān)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，g1=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

33、頸高度一般取h=1.5g1（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計（1）法蘭強(qiáng)度尺寸和連接尺寸）法蘭強(qiáng)度尺寸和連接尺寸2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院48Waters法設(shè)計步驟法設(shè)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：2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院49Waters法設(shè)計步驟法設(shè)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

34、；實際螺栓面積實際螺栓面積Ab應(yīng)不小于所需面積應(yīng)不小于所需面積Am。（5）螺栓設(shè)計載荷）螺栓設(shè)計載荷螺栓設(shè)計載荷：螺栓設(shè)計載荷：螺栓設(shè)計載荷螺栓設(shè)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(yù)緊時螺栓過量擰緊造成法蘭超載，在計算預(yù)緊時螺栓過量擰緊造成法蘭超載，在計算設(shè)計載荷時，螺栓面積按實際面積與計算面設(shè)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。2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院50Waters法設(shè)計步驟法設(shè)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 DGb

35、mpcFD=(/4)Di2pFT=(/4)(DG2-Di2)p2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院51Waters法設(shè)計步驟法設(shè)計步驟-6 比較預(yù)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(yù)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(shè)計和常溫下設(shè)計和常溫下的許用應(yīng)力的許用應(yīng)力（三）法蘭應(yīng)力（三）法蘭應(yīng)力122:AB(11.33 ) C-CHfMD giMterD tiYMZsrD ti錐頸上軸向應(yīng)力 或 點法蘭環(huán)上徑向應(yīng)力： 點法蘭環(huán)上周向應(yīng)力： 點2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院52Waters法設(shè)計步驟法設(shè)計步驟-7（四）應(yīng)力校核（四）應(yīng)力校核202

36、2-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院532022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院54關(guān)于關(guān)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(yīng)力，通過控制適當(dāng)許用計算法蘭的彈性名義應(yīng)力，通過控制適當(dāng)許用應(yīng)力的辦法來保證法蘭具有足夠的剛性，從用應(yīng)力的辦法來保證法蘭具有足夠的剛性，從而使整個連接達(dá)到密封可靠的要求，達(dá)到了以而使整個連接達(dá)到密封可靠的要求，達(dá)到了以簡便的強(qiáng)度設(shè)計代替密封設(shè)計的當(dāng)量計算目的簡便的強(qiáng)度設(shè)計代替密封設(shè)計的當(dāng)量計算目的。由此可見，。由此可見，Waters法的設(shè)計結(jié)果是法蘭相對法的設(shè)計結(jié)果是法蘭

37、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：2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院55說明：說明： Waters指出：該設(shè)計方面對所設(shè)計的法蘭直徑指出：該設(shè)計方面對所設(shè)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(rèn)為經(jīng)過綜合分析后，認(rèn)為Waters法中未考慮的一些法中未考慮的一些因素對法蘭應(yīng)力的綜合影響結(jié)果，使法蘭應(yīng)力增高因素對法蘭應(yīng)力的綜合影響結(jié)果，使法蘭應(yīng)力增高并非過大，總的計算結(jié)果仍有足夠的裕量，即使對并非過大，總的計算結(jié)果仍有足夠的裕量，即使對于直徑達(dá)于直徑達(dá)3600mm的法蘭仍適用的法蘭仍適用 。

38、-壓力容器及壓力容器及化工設(shè)備化工設(shè)備陳國理陳國理關(guān)于關(guān)于Waters法的幾點說明法的幾點說明2022-4-7蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院56大口徑非標(biāo)法蘭強(qiáng)度設(shè)計方法大口徑非標(biāo)法蘭強(qiáng)度設(shè)計方法- Waters- Waters法法 在選定法蘭和墊片的材料后，參考法蘭標(biāo)準(zhǔn)系列初在選定法蘭和墊片的材料后，參考法蘭標(biāo)準(zhǔn)系列初擬法蘭結(jié)構(gòu)和尺寸，對整體法蘭，是在假設(shè)法蘭錐頸和擬法蘭結(jié)構(gòu)和尺寸，對整體法蘭，是在假設(shè)法蘭錐頸和法蘭環(huán)厚度基礎(chǔ)上計算力矩及各項法蘭應(yīng)力法蘭環(huán)厚度基礎(chǔ)上計算力矩及各項法蘭應(yīng)力 當(dāng)應(yīng)力與相應(yīng)的許用應(yīng)力相差較大時，調(diào)整法蘭椎頸或當(dāng)應(yīng)力與相應(yīng)的許用應(yīng)力相差較大時，調(diào)整法蘭椎頸或法蘭環(huán)的尺寸，

39、重復(fù)計算過程，法蘭環(huán)的尺寸，重復(fù)計算過程， 直至各項法蘭應(yīng)直至各項法蘭應(yīng)力小于相應(yīng)的許用應(yīng)力，并較接近時為止。力小于相應(yīng)的許用應(yīng)力，并較接近時為止。試算法：試算法： Waters法設(shè)計中，隨著法設(shè)計中，隨著Di增大，對應(yīng)于系數(shù)圖增大，對應(yīng)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 ？2022-4-757蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 根據(jù)清華大學(xué)根據(jù)清華大學(xué)5MW低溫核供熱堆試驗低溫核供熱堆試驗堆工程的安全殼設(shè)計實例，建立了與實堆工程的安全殼設(shè)計實例，建立了與實際法蘭結(jié)構(gòu)完全一致的三維有限元模型際法蘭結(jié)構(gòu)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

40、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(yīng)力的近似，使應(yīng)力計算結(jié)果更加可靠。計算結(jié)果表明，對計算結(jié)果更加可靠。計算結(jié)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(shè)計時，應(yīng)力計算值小于實規(guī)范設(shè)計時，應(yīng)力計算值小于實際值，誤差達(dá)際值，誤差達(dá)10%以上，具有一定的局以上，具有一定的局限性。限性。2022-4-758蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)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(jìn)進(jìn)行安全殼頂蓋封頭行安全殼頂蓋封頭法蘭結(jié)構(gòu)的有限元法蘭結(jié)構(gòu)的有限元分析，模型為軸對分析，模型為軸對

41、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。2022-4-759蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院2.3 Waters 法與法與FEM應(yīng)力計算結(jié)果的比較應(yīng)力計算結(jié)果的比較 當(dāng)安全殼頂蓋的法蘭與封頭之間的直筒節(jié)取不同長度當(dāng)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(yīng)力列于表中點的軸向應(yīng)力列于表中. .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(guān)無關(guān)。可見這兩種方法得到的法蘭錐?？梢娺@兩種

42、方法得到的法蘭錐頸小端應(yīng)力之差很大；頸小端應(yīng)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(dāng)當(dāng)L很大，接近于很大，接近于Waters法假設(shè)的法假設(shè)的半無窮直筒壁時，半無窮直筒壁時，M點的應(yīng)力值趨點的應(yīng)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(jié)果高結(jié)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直筒體連接時的法蘭軸向應(yīng)力的計算誤差。的法蘭軸向應(yīng)力的計算誤差。2022-4-760蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)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

43、 L的的加長，加長，M M點的軸向應(yīng)力值逐漸地趨于一個定值，這與彈性理點的軸向應(yīng)力值逐漸地趨于一個定值，這與彈性理論的分析結(jié)果是一致的。論的分析結(jié)果是一致的。2022-4-761蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院結(jié)論： 5 MW 低溫核供熱堆金屬安全殼應(yīng)力和變形計算的實例說明，GB150 用于容器端蓋大法蘭的設(shè)計有較大的應(yīng)力計算誤差。采用有限元方法進(jìn)行容器端蓋大口徑法蘭的應(yīng)力和變形計算以及強(qiáng)度設(shè)計和密封設(shè)計是必要的，尤其是當(dāng)強(qiáng)度要求和密封要求較高時，僅僅用GB150 做容器端蓋大法蘭設(shè)計是不適宜的。2022-4-762蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 由于工程應(yīng)用和研究需要由于工程應(yīng)用和研究需要,本文作者設(shè)計了非標(biāo)法蘭本文作者設(shè)計了非標(biāo)法蘭、墊片、螺栓以及閥門連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時、墊片、螺栓以及閥門連接系統(tǒng)