法蘭強度設計

法蘭的強度設計李淑欣2008.11.292023/2/51蘭州理工大學石油化工學院主要內(nèi)容

法蘭結構類型法蘭標準法蘭強度設計計算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法各種設計方法比較大口徑非標法蘭強度設計方法事例說明—Waters法的可靠性？2023/2/52蘭州理工大學石油化工學院主要內(nèi)容

法蘭結構類型法蘭標準法蘭強度設計計算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法各種設計方法比較大口徑非標法蘭強度設計方法事例說明—Waters法的可靠性？2023/2/53蘭州理工大學石油化工學院法蘭結構類型2023/2/54蘭州理工大學石油化工學院法蘭結構類型2023/2/55蘭州理工大學石油化工學院法蘭結構類型-松式法蘭2023/2/56蘭州理工大學石油化工學院法蘭結構類型-松式法蘭2023/2/57蘭州理工大學石油化工學院法蘭結構類型-整體法蘭2023/2/58蘭州理工大學石油化工學院法蘭結構類型-任意式法蘭2023/2/59蘭州理工大學石油化工學院主要內(nèi)容

法蘭結構類型法蘭標準法蘭強度設計計算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法2023/2/510蘭州理工大學石油化工學院法蘭標準2023/2/511蘭州理工大學石油化工學院法蘭標準-公稱直徑2023/2/512蘭州理工大學石油化工學院法蘭標準-公稱壓力2023/2/513蘭州理工大學石油化工學院c.法蘭標準的選用依據(jù)：根據(jù)容器或管道的公稱直徑、工程壓力、工作溫度、工作介質特性以及法蘭材料進行選用。管法蘭：國際上兩個體系，即歐洲體系（以DIN標準為代表）及美洲體系（以ASMEB16.5、B16.47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。國際標準化組織于1983年提出了ISO/DIS7005-1《鋼法蘭》標推(草案)，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。法蘭標準-法蘭的選用2023/2/514蘭州理工大學石油化工學院法蘭標準-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原一機部的《管法蘭和墊片》標準JB75~90-59和化工部的《管法蘭》標準HG5001~5028-58，兩者都是按前蘇聯(lián)管法蘭標準（屬德國DIN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：中國管法蘭標準：2023/2/515蘭州理工大學石油化工學院法蘭標準-中國管法蘭標準國家標準GB9112~9128-88《鋼制管法蘭》參照ISO/DIS7005-1制定的。公稱壓力PN0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0MPa為德國管法蘭系列；PN2.0、5.0、10.0、15.0、25.0、42.0MPa為美國管法蘭系列。中石化總公司工程建設標準JB/T74-90《鋼制管法蘭》按照美國ANSIB16.5管法蘭標準制定的，配用英制管，公稱壓力PN2.0、5.0、6.8、10.0、15.0、25.0、42.0MPa為美國管法蘭系列?；瘜W工業(yè)部工程建設標準HGJ44~76-91《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》是在HG，JB管法蘭基礎上參照德國DIN管法蘭標準制定的，配用公制管。2023/2/516蘭州理工大學石油化工學院主要內(nèi)容

法蘭結構類型法蘭標準法蘭強度設計計算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法各種設計方法比較大口徑非標法蘭強度設計方法事例說明—Waters法的可靠性？2023/2/517蘭州理工大學石油化工學院法蘭設計內(nèi)容

墊片設計墊片有效密封寬度；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計法蘭強度設計

法蘭型式設計松套法蘭整體法蘭任意式法蘭2023/2/518蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法計算方法分類：三類以材料力學為基礎的簡單計算方法—Bach法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內(nèi)。該法使用經(jīng)驗豐富，世界各國廣泛使用—Timoshenko

和Waters法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。但計算較復雜，目前除了個別國家（如西德標準DIN2505）使用外，還未被廣泛采用。2023/2/519蘭州理工大學石油化工學院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，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W.L，然后分別校驗A—C截面上和B—C截面上的彎曲應力。法蘭強度設計計算方法-Bach法2023/2/520蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法-Bach法2023/2/521蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法-Bach法2023/2/522蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法-Timoshenko法以彈性分析為基礎的設計方法：Timoshenko法從計算角度將法蘭劃分為活套法蘭和整體法蘭兩大類。計算活套法蘭：把法蘭當作受扭轉的矩形截面圓環(huán)來考慮，即矩形截面的法蘭環(huán)在受扭轉作用后只能繞環(huán)的形心旋轉而不會產(chǎn)生彎曲或畸變，因而法蘭環(huán)的形狀仍保持矩形。認為法蘭環(huán)在螺栓拉緊力作用下會產(chǎn)生微小的偏轉，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“環(huán)板扭轉法”。計算整體法蘭：把法蘭和筒體視為一個整體，在法蘭環(huán)與筒體連接處結構不連續(xù)，需通過變形協(xié)調(diào)方程求解。步驟較繁，對高頸法蘭，由于忽略了高頸的作用，所以結果偏于保守。2023/2/523蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法-Timoshenko法以活套法蘭為例：基本假設：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)；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)壓引起的薄膜應力；不考慮螺栓孔的影響。2023/2/524蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法-Timoshenko法按基本假設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一角度。按照下圖作如下分析：2023/2/525蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法-Timoshenko法設A為矩形截面上任一點，其坐標為(r，y)。當矩形截面繞中心C轉過一角度q以后，A點位移到A’，其半徑出r變?yōu)閞+dr。A點的周向相對伸長為：A點周向應變：周向應力：2023/2/526蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法-Timoshenko法周向應力：偏轉角q

：Mt:法蘭環(huán)截面中心圓周上單位周長力矩；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

最大周向應力：環(huán)的上下表面內(nèi)側x=Ri；y=l/22023/2/527蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法--Waters法Waters法是我國國家標準GB150-1998《鋼制壓力容器》和GB/T17186-1997國家標準《鋼制管法蘭強度計算方法》(A方法)中的法蘭計算所引用。對法蘭的應力分析和Timoshenko法計算整體法蘭的方法類似，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)板進行分析，并且考慮了法蘭錐頸的作用。高頸法蘭的應力分析力學模型如下圖所示：2023/2/528蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法-Waters法2023/2/529蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法--Waters法2023/2/530蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法--Waters法2023/2/531蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法--Waters法2023/2/532蘭州理工大學石油化工學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)關系建立協(xié)調(diào)方程：給定法蘭材料，結構尺寸和力矩M0的前提下，由8個平衡方程所確定的8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--Waters法2023/2/533蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法--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角影響的錐頸系數(shù)，根據(jù)g1/g0

和h1/h0和由圖查??；2023/2/534蘭州理工大學石油化工學院Waters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3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)。法蘭強度設計計算方法--Waters法從便于設計應用的角度出發(fā)，Waters建立一組無量綱參數(shù)，其中體現(xiàn)錐徑結構的參數(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蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法--Waters法法蘭各項應力分布2023/2/536蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法--Waters法2023/2/537蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法--Waters法關于法蘭強度計算的全過程見文獻：[美]螺栓法蘭一般公式的推導，1937；E.O.Waters,D.B.Wesstrom;中譯文：石油化工技術情報1978年第五期，北京石油化工總廠設計院。2023/2/538蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法--Waters法2023/2/539蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法--Waters法2023/2/540蘭州理工大學石油化工學院法蘭強度設計計算方法-DIN2505法基于塑性極限載荷的設計方法：DIN2505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“載荷-變形圖”的辦法來加以確認。國標GB/T17186-1997《鋼制管法蘭連接強度計算方法》方法B的主要內(nèi)容取自德國DIN2505-1964《管法蘭連接計算》。2023/2/541蘭州理工大學石油化工學院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“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。Bach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危險。工程設計中很少采用該方法。三種設計方法比較2023/2/542蘭州理工大學石油化工學院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善的計算方法。

Waters法：大量實踐證明，Waters法在通常情況下能獲得滿意的設計結果。具有以下特點：

A.建立在合理的彈性分析理論基礎之上；

B.經(jīng)歷了長期的時間考驗；C.計算簡便。由于這些特點，Waters法為美、英、日等國的規(guī)范（ASME、BS及JIS）所采用。三種設計方法比較2023/2/543蘭州理工大學石油化工學院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，從而挖掘法蘭的承載能力，可獲得較小結構尺寸的法蘭設計。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，測定這些參數(shù)的準確性尚存在很多問題。由于制作“載荷-變形圖”非常困難，AD規(guī)范中干脆免去了對密封性能的檢驗步驟，因此，存在著密封失效的危險性。DIN法：三種設計方法比較2023/2/544蘭州理工大學石油化工學院Waters法設計步驟（一）法蘭尺寸的初步設計（二）內(nèi)壓法蘭載荷（三）法蘭應力（四）應力校核2023/2/545蘭州理工大學石油化工學院Waters法設計步驟--1（一）法蘭尺寸的初步設計整體法蘭結構尺寸示意圖W:螺栓設計載荷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蘭州理工大學石油化工學院Waters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。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：g1/g0=1.6-1.8

或按如下經(jīng)驗公式確定:

g0≤38mm時，g1=2g0；

g0>38mm時，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）法蘭尺寸的初步設計（1）法蘭強度尺寸和連接尺寸2023/2/547蘭州理工大學石油化工學院Waters法設計步驟--3預緊狀態(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蘭州理工大學石油化工學院Waters法設計步驟--4（4）螺栓面積預緊狀態(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；實際螺栓面積Ab應不小于所需面積Am。（5）螺栓設計載荷預緊狀態(tài)下螺栓設計載荷：操作狀態(tài)下螺栓設計載荷：實際螺栓面積Ab將大于所需面積Am，為防止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積的平均值考慮。2023/2/549蘭州理工大學石油化工學院Waters法設計步驟--5預緊狀態(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取矩，得總力矩為：

M1=W.hGM2=FDhD+FThT+FGhG2023/2/550蘭州理工大學石油化工學院Waters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算力矩：法蘭計算力矩=max{M2，M1.[s]ft/[s]f

}設計和常溫下的許用應力（三）法蘭應力2023/2/551蘭州理工大學石油化工學院Waters法設計步驟--7（四）應力校核2023/2/552蘭州理工大學石油化工學院2023/2/553蘭州理工大學石油化工學院關于Waters法的幾點說明Waters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，達到了以簡便的強度設計代替密封設計的當量計算目的。由此可見，Waters法的設計結果是法蘭相對偏于安全。--《法蘭實用手冊》李新華說明：2023/2/554蘭州理工大學石油化工學院說明：Waters指出：該設計方面對所設計的法蘭直徑和壓力不受限制。---《法蘭實用手冊》李新華經(jīng)過綜合分析后，認為Waters法中未考慮的一些因素對法蘭應力的綜合影響結果，使法蘭應力增高并非過大，總的計算結果仍有足夠的裕量，即使對于直徑達3600mm的法蘭仍適用。---《壓力容器及化工設備》陳國理關于Waters法的幾點說明2023/2/555蘭州理工大學石油化工學院大口徑非標法蘭強度設計方法--Waters法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)整法蘭椎頸或法蘭環(huán)的尺寸，重復計算過程，直至各項法蘭應力小于相應的許用應力，并較接近時為止。試算法：Waters法設計中，隨著Di增大，對應于系數(shù)圖f、F、V、T、U、Y、Z中可能無法查?。?023/2/556蘭州理工大學石油化工學院非標法蘭設計事例1-Waters法可靠性？根據(jù)清華大學5MW低溫核供熱堆試驗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，采用六節(jié)點三角形單元劃分有限元網(wǎng)格，克服了采用Waters的近似，使應力計算結果更加可靠。計算結果表明，對于直徑大于1000mm的大型法蘭，采用GB150規(guī)范設計時，應力計算值小于實際值，誤差達10%以上，具有一定的局限性。2023/2/557蘭州理工大學石油化工學院2.2有限元網(wǎng)格劃分采用MSC.PATRAN進行安全殼頂蓋封頭法蘭結構的有限元分析，模型為軸對稱6節(jié)點三角形單元。網(wǎng)格劃分如圖所示。2023/2/558蘭州理工大學石油化工學院2.3Waters法與FEM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L時，有限元法得到的法蘭錐頸小端M點的軸向應力列于表中.安全殼實際L為100mm,FEM值為338.1MPa；而GB150計算得到的值為233.4MPa，且與L無關?？梢娺@兩種方法得到的法蘭錐頸小端應力之差很大；FEM值與水壓試驗實測值誤差很小。當L很大，接近于Waters法假設的半無窮直筒壁時，M點的應力值趨于一定值，這個值仍比Waters法的結果高17%，這就是Waters法對大口徑法蘭與半無限長直筒體連接時的法蘭軸向應力的計算誤差。2023/2/559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L的加長，M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。2023/2/560蘭州理工大學石油化工學院結論：

5MW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。2023/2/561蘭州理工大學石油化工學院非標法蘭設計事例2-Waters法可靠性？由于工程應用和研究需要,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,將法蘭、墊片、螺栓以及閥門作為一個整體,考慮法蘭旋轉、內(nèi)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,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,為法蘭連接系統(tǒng)的精細化分析提供可靠的設計依據(jù)。2023/2/562蘭州理工大學石油化工學院1.工況簡介由于生產(chǎn)應用的特殊要求,需要設計非標管道法蘭、閥門連接系統(tǒng).其提供的法蘭及與之相連接的閥門工作參數(shù)及結構型式如表1所示.2023/2/563蘭州理工大學石油化工學院從表1可以看出,法蘭與閥門的密封面形式不同,為非標法蘭連接型式,其密封面所采用的墊片不能采用標準墊片,必須重新設計,確保密封性能.因此,設計要求:對管道法蘭連接系統(tǒng)進行分析與結構設計,確保在工作狀態(tài)下的密封性。2023/2/564蘭州理工大學石油化工學院2法蘭連接系統(tǒng)結構設計根據(jù)設計要求,經(jīng)過研究和大量的計算,法蘭和閥門擬采用標準形式,并研究開發(fā)出墊片的新型結構型式與尺寸.墊片的結構與尺寸如圖所示。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蘭州理工大學石油化工學院3.有限元分析本文作者所計算的法蘭連接結構由兩片法蘭、一個閥門、兩個墊片、一塊盲板和20個螺栓組成。該法蘭、螺栓連接系統(tǒng)中，法蘭、墊片和盲板為軸對稱結構，20個螺栓沿法蘭盤均勻分布。根據(jù)法蘭連接系統(tǒng)的結構特點,為了減少計算工作量,可從整個法蘭結構中取兩個對稱面截出的1/4的接頭結構來建立有限元模型。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