法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)

法蘭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)李淑欣2008.11.292023/2/51蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院主要內(nèi)容

法蘭結(jié)構(gòu)類(lèi)型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法各種設(shè)計(jì)方法比較大口徑非標(biāo)法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法事例說(shuō)明—Waters法的可靠性？2023/2/52蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院主要內(nèi)容

法蘭結(jié)構(gòu)類(lèi)型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法各種設(shè)計(jì)方法比較大口徑非標(biāo)法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法事例說(shuō)明—Waters法的可靠性？2023/2/53蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類(lèi)型2023/2/54蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類(lèi)型2023/2/55蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類(lèi)型-松式法蘭2023/2/56蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類(lèi)型-松式法蘭2023/2/57蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類(lèi)型-整體法蘭2023/2/58蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類(lèi)型-任意式法蘭2023/2/59蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院主要內(nèi)容

法蘭結(jié)構(gòu)類(lèi)型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法2023/2/510蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)2023/2/511蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-公稱(chēng)直徑2023/2/512蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-公稱(chēng)壓力2023/2/513蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院c.法蘭標(biāo)準(zhǔn)的選用依據(jù)：根據(jù)容器或管道的公稱(chēng)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。管法蘭：國(guó)際上兩個(gè)體系，即歐洲體系（以DIN標(biāo)準(zhǔn)為代表）及美洲體系（以ASMEB16.5、B16.47為代表）。兩個(gè)體系之間不能互相配用。較明顯的區(qū)分標(biāo)志為公稱(chēng)壓力等級(jí)不同。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1983年提出了ISO/DIS7005-1《鋼法蘭》標(biāo)推(草案)，它實(shí)際上是由美國(guó)和德國(guó)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)。法蘭標(biāo)準(zhǔn)-法蘭的選用2023/2/514蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-中國(guó)管法蘭標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)期以來(lái)，在我國(guó)化工、電力和機(jī)械等部門(mén)廣泛使用原一機(jī)部的《管法蘭和墊片》標(biāo)準(zhǔn)JB75~90-59和化工部的《管法蘭》標(biāo)準(zhǔn)HG5001~5028-58，兩者都是按前蘇聯(lián)管法蘭標(biāo)準(zhǔn)（屬德國(guó)DIN管法蘭標(biāo)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)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(guó)有關(guān)部門(mén)又制定了下列法蘭標(biāo)準(zhǔn)：中國(guó)管法蘭標(biāo)準(zhǔn)：2023/2/515蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-中國(guó)管法蘭標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9112~9128-88《鋼制管法蘭》參照ISO/DIS7005-1制定的。公稱(chēng)壓力PN0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0MPa為德國(guó)管法蘭系列；PN2.0、5.0、10.0、15.0、25.0、42.0MPa為美國(guó)管法蘭系列。中石化總公司工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T74-90《鋼制管法蘭》按照美國(guó)ANSIB16.5管法蘭標(biāo)準(zhǔn)制定的，配用英制管，公稱(chēng)壓力PN2.0、5.0、6.8、10.0、15.0、25.0、42.0MPa為美國(guó)管法蘭系列?；瘜W(xué)工業(yè)部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)HGJ44~76-91《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》是在HG，JB管法蘭基礎(chǔ)上參照德國(guó)DIN管法蘭標(biāo)準(zhǔn)制定的，配用公制管。2023/2/516蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院主要內(nèi)容

法蘭結(jié)構(gòu)類(lèi)型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法各種設(shè)計(jì)方法比較大口徑非標(biāo)法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法事例說(shuō)明—Waters法的可靠性？2023/2/517蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭設(shè)計(jì)內(nèi)容

墊片設(shè)計(jì)墊片有效密封寬度；墊片特性參數(shù)（m，y）墊片壓緊力作用中心圓直徑墊片壓緊力墊片寬度校核螺栓設(shè)計(jì)法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)

法蘭型式設(shè)計(jì)松套法蘭整體法蘭任意式法蘭2023/2/518蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法計(jì)算方法分類(lèi)：三類(lèi)以材料力學(xué)為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單計(jì)算方法—Bach法以彈性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)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(yàn)豐富，世界各國(guó)廣泛使用—Timoshenko

和Waters法以塑性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法：對(duì)法蘭的強(qiáng)度以塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則加以控制。但計(jì)算較復(fù)雜，目前除了個(gè)別國(guó)家（如西德標(biāo)準(zhǔn)DIN2505）使用外，還未被廣泛采用。2023/2/519蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院把高頸法蘭看作是一個(gè)懸臂梁，粱的高度是法蘭的高度，懸臂長(zhǎng)度為螺栓孔中心圓至壓力作用點(diǎn)的距離，將法蘭剖開(kāi)后伸直就成為如圖所示的又窄又長(zhǎng)的懸臀梁。梁的彎矩為W.L，然后分別校驗(yàn)A—C截面上和B—C截面上的彎曲應(yīng)力。法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法-Bach法2023/2/520蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法-Bach法2023/2/521蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法-Bach法2023/2/522蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法-Timoshenko法以彈性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法：Timoshenko法從計(jì)算角度將法蘭劃分為活套法蘭和整體法蘭兩大類(lèi)。計(jì)算活套法蘭：把法蘭當(dāng)作受扭轉(zhuǎn)的矩形截面圓環(huán)來(lái)考慮，即矩形截面的法蘭環(huán)在受扭轉(zhuǎn)作用后只能繞環(huán)的形心旋轉(zhuǎn)而不會(huì)產(chǎn)生彎曲或畸變，因而法蘭環(huán)的形狀仍保持矩形。認(rèn)為法蘭環(huán)在螺栓拉緊力作用下會(huì)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)系求出法蘭上的應(yīng)力，所以此法又稱(chēng)“環(huán)板扭轉(zhuǎn)法”。計(jì)算整體法蘭：把法蘭和筒體視為一個(gè)整體，在法蘭環(huán)與筒體連接處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，需通過(guò)變形協(xié)調(diào)方程求解。步驟較繁，對(duì)高頸法蘭，由于忽略了高頸的作用，所以結(jié)果偏于保守。2023/2/523蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法-Timoshenko法以活套法蘭為例：基本假設(shè)：法蘭在操作過(guò)程中不發(fā)生任何屈服或蠕變，即處于完全彈性狀態(tài)；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；不及操作內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力；不考慮螺栓孔的影響。2023/2/524蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法-Timoshenko法按基本假設(shè)b，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：2023/2/525蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法-Timoshenko法設(shè)A為矩形截面上任一點(diǎn)，其坐標(biāo)為(r，y)。當(dāng)矩形截面繞中心C轉(zhuǎn)過(guò)一角度q以后，A點(diǎn)位移到A’，其半徑出r變?yōu)閞+dr。A點(diǎn)的周向相對(duì)伸長(zhǎng)為：A點(diǎn)周向應(yīng)變：周向應(yīng)力：2023/2/526蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法-Timoshenko法周向應(yīng)力：偏轉(zhuǎn)角q

：Mt:法蘭環(huán)截面中心圓周上單位周長(zhǎng)力矩；r：法蘭環(huán)截面中心圓周上半徑；t：法蘭環(huán)厚度W:螺栓總拉緊力

最大周向應(yīng)力：環(huán)的上下表面內(nèi)側(cè)x=Ri；y=l/22023/2/527蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法--Waters法Waters法是我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB150-1998《鋼制壓力容器》和GB/T17186-1997國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼制管法蘭強(qiáng)度計(jì)算方法》(A方法)中的法蘭計(jì)算所引用。對(duì)法蘭的應(yīng)力分析和Timoshenko法計(jì)算整體法蘭的方法類(lèi)似，所不同的是，Waters法將法蘭環(huán)不是作為圓環(huán)，而是作為環(huán)板進(jìn)行分析，并且考慮了法蘭錐頸的作用。高頸法蘭的應(yīng)力分析力學(xué)模型如下圖所示：2023/2/528蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法-Waters法2023/2/529蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法--Waters法2023/2/530蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法--Waters法2023/2/531蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法--Waters法2023/2/532蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院按照彈性分析方法，將法蘭3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4個(gè)積分常數(shù)（d1，d2,d3,d4）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：給定法蘭材料，結(jié)構(gòu)尺寸和力矩M0的前提下，由8個(gè)平衡方程所確定的8個(gè)未知量求解得法蘭三個(gè)方向最大應(yīng)力為：法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法--Waters法2023/2/533蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法--Waters法t:初擬法蘭厚度；Di：法蘭內(nèi)直徑；M：法蘭力矩；f:法蘭錐頸應(yīng)力校正系數(shù)；e:系數(shù)，e=F/h0h0:系數(shù)，h0=（Dig0）1/2g1:系數(shù)，g1=（U/V）h0g02F和V分別是考慮剪力和轉(zhuǎn)角影響的錐頸系數(shù)，根據(jù)g1/g0

和h1/h0和由圖查?。?023/2/534蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters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3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結(jié)構(gòu)尺寸的相對(duì)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(wú)量綱比值的函數(shù)。法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法--Waters法從便于設(shè)計(jì)應(yīng)用的角度出發(fā)，Waters建立一組無(wú)量綱參數(shù)，其中體現(xiàn)錐徑結(jié)構(gòu)的參數(shù)是g1/g0

，h1/h0，體現(xiàn)法蘭環(huán)參數(shù)的是K（D0/Di），并進(jìn)行大量計(jì)算，給出由這些無(wú)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F,V,f,體現(xiàn)法蘭環(huán)作用的參數(shù)是Y，T，U，Z。2023/2/535蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法--Waters法法蘭各項(xiàng)應(yīng)力分布2023/2/536蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法--Waters法2023/2/537蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法--Waters法關(guān)于法蘭強(qiáng)度計(jì)算的全過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)：[美]螺栓法蘭一般公式的推導(dǎo)，1937；E.O.Waters,D.B.Wesstrom;中譯文：石油化工技術(shù)情報(bào)1978年第五期，北京石油化工總廠設(shè)計(jì)院。2023/2/538蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法--Waters法2023/2/539蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法--Waters法2023/2/540蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法-DIN2505法基于塑性極限載荷的設(shè)計(jì)方法：DIN2505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(duì)法蘭的強(qiáng)度計(jì)算以極限設(shè)計(jì)的概念進(jìn)行，而對(duì)整個(gè)連接的密封性能的檢驗(yàn)是通過(guò)制作一個(gè)“載荷-變形圖”的辦法來(lái)加以確認(rèn)。國(guó)標(biāo)GB/T17186-1997《鋼制管法蘭連接強(qiáng)度計(jì)算方法》方法B的主要內(nèi)容取自德國(guó)DIN2505-1964《管法蘭連接計(jì)算》。2023/2/541蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院該方法計(jì)算模型過(guò)于簡(jiǎn)化，與實(shí)際法蘭受力情況有很大出入。通常整體法蘭的危險(xiǎn)應(yīng)力總是發(fā)生于椎頸，而該方法則未加考慮。因此，計(jì)算結(jié)果無(wú)法反映法蘭的真實(shí)應(yīng)力狀況。該方法僅計(jì)算“環(huán)”的徑向彎曲應(yīng)力，而實(shí)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。Bach法存在問(wèn)題：通過(guò)大量計(jì)算比較和實(shí)踐表明，該方法計(jì)算結(jié)果偏于危險(xiǎn)。工程設(shè)計(jì)中很少采用該方法。三種設(shè)計(jì)方法比較2023/2/542蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院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(lái)說(shuō)是比較完善的計(jì)算方法。

Waters法：大量實(shí)踐證明，Waters法在通常情況下能獲得滿(mǎn)意的設(shè)計(jì)結(jié)果。具有以下特點(diǎn)：

A.建立在合理的彈性分析理論基礎(chǔ)之上；

B.經(jīng)歷了長(zhǎng)期的時(shí)間考驗(yàn)；C.計(jì)算簡(jiǎn)便。由于這些特點(diǎn)，Waters法為美、英、日等國(guó)的規(guī)范（ASME、BS及JIS）所采用。三種設(shè)計(jì)方法比較2023/2/543蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院該法認(rèn)為法蘭的強(qiáng)度并非是設(shè)計(jì)的主要矛盾，因此允許對(duì)法蘭按極限載荷法進(jìn)行計(jì)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(jì)。但是“載荷-變形圖”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)又受到許多因素的影響，測(cè)定這些參數(shù)的準(zhǔn)確性尚存在很多問(wèn)題。由于制作“載荷-變形圖”非常困難，AD規(guī)范中干脆免去了對(duì)密封性能的檢驗(yàn)步驟，因此，存在著密封失效的危險(xiǎn)性。DIN法：三種設(shè)計(jì)方法比較2023/2/544蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計(jì)步驟（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計(jì)（二）內(nèi)壓法蘭載荷（三）法蘭應(yīng)力（四）應(yīng)力校核2023/2/545蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計(jì)步驟--1（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計(jì)整體法蘭結(jié)構(gòu)尺寸示意圖W:螺栓設(shè)計(jì)載荷FG：墊片載荷FD：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DG：墊片壓緊力作用中心圓直徑2023/2/546蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計(jì)步驟--2

計(jì)算法蘭外力矩時(shí)，螺栓力、墊片載荷及壓力載荷的作用點(diǎn)均與法蘭尺寸有關(guān)。在進(jìn)行法蘭計(jì)算前，需先擬定必要的法蘭強(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，錐頸大端與小端比例關(guān)系為：g1/g0=1.6-1.8

或按如下經(jīng)驗(yàn)公式確定:

g0≤38mm時(shí)，g1=2g0；

g0>38mm時(shí)，g1=1.5g0；g1/t=0.43-0.73錐頸錐度通常等于或小于1︰3，錐頸高度一般取h=1.5g1（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計(jì)（1）法蘭強(qiáng)度尺寸和連接尺寸2023/2/547蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計(jì)步驟--3預(yù)緊狀態(tài)下最小墊片壓緊力：（2）墊片壓緊力操作狀態(tài)下最小墊片壓緊力：預(yù)緊狀態(tài)下最小螺栓載荷：（3）螺栓載荷操作狀態(tài)下最小螺栓載荷：2023/2/548蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計(jì)步驟--4（4）螺栓面積預(yù)緊狀態(tài)下最小螺栓面積：操作狀態(tài)下最小螺栓面積：需要的螺栓面積Am取Aa與Ap之大值；實(shí)際螺栓面積Ab應(yīng)不小于所需面積Am。（5）螺栓設(shè)計(jì)載荷預(yù)緊狀態(tài)下螺栓設(shè)計(jì)載荷：操作狀態(tài)下螺栓設(shè)計(jì)載荷：實(shí)際螺栓面積Ab將大于所需面積Am，為防止預(yù)緊時(shí)螺栓過(guò)量擰緊造成法蘭超載，在計(jì)算設(shè)計(jì)載荷時(shí)，螺栓面積按實(shí)際面積與計(jì)算面積的平均值考慮。2023/2/549蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計(jì)步驟--5預(yù)緊狀態(tài)下：操作狀態(tài)下：（二）內(nèi)壓法蘭載荷FG=W

；

FD=0；FT=0;將螺栓載荷向墊片載荷作用點(diǎn)取矩，得總力矩為：

M1=W.hGFG=FP=2π

DGbmpcFD=(π/4)Di2pFT=(π/4)(DG2-Di2)p將以上各力向螺栓力作用點(diǎn)取矩，得總力矩為：

M1=W.hGM2=FDhD+FThT+FGhG2023/2/550蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計(jì)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(jì)算力矩：法蘭計(jì)算力矩=max{M2，M1.[s]ft/[s]f

}設(shè)計(jì)和常溫下的許用應(yīng)力（三）法蘭應(yīng)力2023/2/551蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計(jì)步驟--7（四）應(yīng)力校核2023/2/552蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院2023/2/553蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院關(guān)于Waters法的幾點(diǎn)說(shuō)明Waters法雖然沒(méi)有直接計(jì)算法蘭變形，但它用計(jì)算法蘭的彈性名義應(yīng)力，通過(guò)控制適當(dāng)許用應(yīng)力的辦法來(lái)保證法蘭具有足夠的剛性，從而使整個(gè)連接達(dá)到密封可靠的要求，達(dá)到了以簡(jiǎn)便的強(qiáng)度設(shè)計(jì)代替密封設(shè)計(jì)的當(dāng)量計(jì)算目的。由此可見(jiàn)，Waters法的設(shè)計(jì)結(jié)果是法蘭相對(duì)偏于安全。--《法蘭實(shí)用手冊(cè)》李新華說(shuō)明：2023/2/554蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院說(shuō)明：Waters指出：該設(shè)計(jì)方面對(duì)所設(shè)計(jì)的法蘭直徑和壓力不受限制。---《法蘭實(shí)用手冊(cè)》李新華經(jīng)過(guò)綜合分析后，認(rèn)為Waters法中未考慮的一些因素對(duì)法蘭應(yīng)力的綜合影響結(jié)果，使法蘭應(yīng)力增高并非過(guò)大，總的計(jì)算結(jié)果仍有足夠的裕量，即使對(duì)于直徑達(dá)3600mm的法蘭仍適用。---《壓力容器及化工設(shè)備》陳國(guó)理關(guān)于Waters法的幾點(diǎn)說(shuō)明2023/2/555蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院大口徑非標(biāo)法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法--Waters法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(duì)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(jì)算力矩及各項(xiàng)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(shí)，調(diào)整法蘭椎頸或法蘭環(huán)的尺寸，重復(fù)計(jì)算過(guò)程，直至各項(xiàng)法蘭應(yīng)力小于相應(yīng)的許用應(yīng)力，并較接近時(shí)為止。試算法：Waters法設(shè)計(jì)中，隨著Di增大，對(duì)應(yīng)于系數(shù)圖f、F、V、T、U、Y、Z中可能無(wú)法查??？2023/2/556蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院非標(biāo)法蘭設(shè)計(jì)事例1-Waters法可靠性？根據(jù)清華大學(xué)5MW低溫核供熱堆試驗(yàn)堆工程的安全殼設(shè)計(jì)實(shí)例，建立了與實(shí)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(diǎn)三角形單元?jiǎng)澐钟邢拊W(wǎng)格，克服了采用Waters的近似，使應(yīng)力計(jì)算結(jié)果更加可靠。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于直徑大于1000mm的大型法蘭，采用GB150規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)力計(jì)算值小于實(shí)際值，誤差達(dá)10%以上，具有一定的局限性。2023/2/557蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院2.2有限元網(wǎng)格劃分采用MSC.PATRAN進(jìn)行安全殼頂蓋封頭法蘭結(jié)構(gòu)的有限元分析，模型為軸對(duì)稱(chēng)6節(jié)點(diǎn)三角形單元。網(wǎng)格劃分如圖所示。2023/2/558蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院2.3Waters法與FEM應(yīng)力計(jì)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(zhǎng)度L時(shí)，有限元法得到的法蘭錐頸小端M點(diǎn)的軸向應(yīng)力列于表中.安全殼實(shí)際L為100mm,FEM值為338.1MPa；而GB150計(jì)算得到的值為233.4MPa，且與L無(wú)關(guān)?？梢?jiàn)這兩種方法得到的法蘭錐頸小端應(yīng)力之差很大；FEM值與水壓試驗(yàn)實(shí)測(cè)值誤差很小。當(dāng)L很大，接近于Waters法假設(shè)的半無(wú)窮直筒壁時(shí)，M點(diǎn)的應(yīng)力值趨于一定值，這個(gè)值仍比Waters法的結(jié)果高17%，這就是Waters法對(duì)大口徑法蘭與半無(wú)限長(zhǎng)直筒體連接時(shí)的法蘭軸向應(yīng)力的計(jì)算誤差。2023/2/559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L的加長(zhǎng)，M點(diǎn)的軸向應(yīng)力值逐漸地趨于一個(gè)定值，這與彈性理論的分析結(jié)果是一致的。2023/2/560蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院結(jié)論：

5MW低溫核供熱堆金屬安全殼應(yīng)力和變形計(jì)算的實(shí)例說(shuō)明，GB150用于容器端蓋大法蘭的設(shè)計(jì)有較大的應(yīng)力計(jì)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(jì)算以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)和密封設(shè)計(jì)是必要的，尤其是當(dāng)強(qiáng)度要求和密封要求較高時(shí)，僅僅用GB150做容器端蓋大法蘭設(shè)計(jì)是不適宜的。2023/2/561蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院非標(biāo)法蘭設(shè)計(jì)事例2-Waters法可靠性？由于工程應(yīng)用和研究需要,本文作者設(shè)計(jì)了非標(biāo)法蘭、墊片、螺栓以及閥門(mén)連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時(shí),將法蘭、墊片、螺栓以及閥門(mén)作為一個(gè)整體,考慮法蘭旋轉(zhuǎn)、內(nèi)壓對(duì)法蘭、墊片、螺栓以及閥門(mén)的受力與變形的影響。應(yīng)用三維有限元技術(shù),分析在螺栓預(yù)緊過(guò)程和加壓過(guò)程中法蘭連接系統(tǒng)的整體應(yīng)力分布,為法蘭連接系統(tǒng)的精細(xì)化分析提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。2023/2/562蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院1.工況簡(jiǎn)介由于生產(chǎn)應(yīng)用的特殊要求,需要設(shè)計(jì)非標(biāo)管道法蘭、閥門(mén)連接系統(tǒng).其提供的法蘭及與之相連接的閥門(mén)工作參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式如表1所示.2023/2/563蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院從表1可以看出,法蘭與閥門(mén)的密封面形式不同,為非標(biāo)法蘭連接型式,其密封面所采用的墊片不能采用標(biāo)準(zhǔn)墊片,必須重新設(shè)計(jì),確保密封性能.因此,設(shè)計(jì)要求:對(duì)管道法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確保在工作狀態(tài)下的密封性。2023/2/564蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院2法蘭連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求,經(jīng)過(guò)研究和大量的計(jì)算,法蘭和閥門(mén)擬采用標(biāo)準(zhǔn)形式,并研究開(kāi)發(fā)出墊片的新型結(jié)構(gòu)型式與尺寸.墊片的結(jié)構(gòu)與尺寸如圖所示。從圖中可以看出,墊片為膨脹石墨和0Cr18Ni10Ti兩種材料的覆合.2023/2/565蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院3.有限元分析本文作者所計(jì)算的法蘭連接結(jié)構(gòu)由兩片法蘭、一個(gè)閥門(mén)、兩個(gè)墊片、一塊盲板和20個(gè)螺栓組成。該法蘭、螺栓連接系統(tǒng)中，法蘭、墊片和盲板為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，20個(gè)螺栓沿法蘭盤(pán)均勻分布。根據(jù)法蘭連接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為了減少計(jì)算工作量,可從整個(gè)法蘭結(jié)構(gòu)中取兩個(gè)對(duì)稱(chēng)面截出的1/4的接頭結(jié)構(gòu)來(lái)建立有限元模型。模型中包括了兩截面間的螺栓、上下螺母、墊片、上下法蘭環(huán)、封頭和與法蘭環(huán)相連接的筒體、與下法蘭