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1、北京市艾思弗計算機(jī)軟件技術(shù)有限責(zé)任公司Beijing AECsoft Engineering Software Co.,LtdASME法蘭計算之螺栓調(diào)整李振武010-58815851- 北京市艾思弗計算機(jī)軟件技術(shù)有限責(zé)任公司成立于1997年。我們是一家從事電力、石油、石油化工、海洋工程和其他行業(yè) （PPMO- Power 、Process、Marine、Others) 工程軟件銷售及工程技術(shù)服務(wù)的專業(yè)公司。 壓力容器相關(guān)軟件PVASME -1,2；EN-13445，PD5500VVDEN13445,ASME -1,PD5500 ,TKN，TBK2PASSAT俄羅斯GOST標(biāo)準(zhǔn)TANKAPI65

2、0，API653NozzlePro管口應(yīng)力分析（基于ASME -2）Nozzle FEM管口應(yīng)力分析（支持俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)，EN13445，ASME，JB4732） 公司雜志 ASME法蘭計算之螺栓今天的網(wǎng)絡(luò)研討會內(nèi)容：1. 法蘭及法蘭失效基本原理2. 法蘭強(qiáng)度計算方法Waters法介紹3. ASME VIII-1法蘭計算步驟4. 法蘭計算中螺栓的作用與調(diào)整5. 討論環(huán)節(jié) 法蘭簡介法蘭是壓力容器中的基本元件之一特別是在換熱器中被廣泛應(yīng)用 螺栓墊片法蘭法蘭結(jié)構(gòu)一個法蘭組件由三個元件構(gòu)成：1.法蘭2.墊片3.螺栓 法蘭失效形式法蘭的失效形式有兩種：一是密封失效，即墊片發(fā)生泄漏；另一中是強(qiáng)度失效，即法蘭發(fā)

3、生大變形甚至斷裂。由于密封失效往往在其強(qiáng)度破壞前發(fā)生，所以我們通常研究密封失效 泄漏的產(chǎn)生那么泄漏產(chǎn)生的原因是什么呢？我們知道，法蘭組中的螺栓用來提供壓緊力當(dāng)內(nèi)壓加載時，使墊片壓緊以保證密封PF F P 泄漏的產(chǎn)生那么泄漏產(chǎn)生的原因是什么呢？我們可以得到：螺栓力=內(nèi)壓作用力+墊片反力那么，如果：螺栓力內(nèi)壓作用力+墊片反力P PFF可能發(fā)生泄漏 泄漏的產(chǎn)生那么泄漏產(chǎn)生的原因是什么呢？我們再放大看一下法蘭組件在內(nèi)壓的作用下，法蘭會繞螺栓旋轉(zhuǎn)，如果轉(zhuǎn)角過大可能發(fā)生泄漏 泄漏的產(chǎn)生那么泄漏產(chǎn)生的原因是什么呢？在一些特殊的設(shè)備中，如換熱器管殼程的溫度是不同的，法蘭的膨脹變形也就不同，如果差別過大就有可能

4、使墊片脫離密封面，發(fā)生泄漏 泄漏的產(chǎn)生那么泄漏產(chǎn)生的原因是什么呢？對于法蘭塔中的法蘭，不僅受到內(nèi)壓的作用同時，在風(fēng)載和地震的影響下，也受到彎矩和其他力的作用使法蘭轉(zhuǎn)動，可能產(chǎn)生泄漏 泄漏的產(chǎn)生綜上，我們可以看到，法蘭的泄漏大致可以分為四種原因1. 螺栓力內(nèi)壓作用力+墊片反力，發(fā)生泄漏；2. 法蘭在內(nèi)壓作用下，以螺栓為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，發(fā)生泄漏；3. 兩片法蘭的溫度不同，由于膨脹差，墊片脫離，發(fā)生泄漏；4. 外部的彎矩和力的作用，使法蘭轉(zhuǎn)動，發(fā)生泄漏 法蘭的計算那么，如何避免法蘭泄漏?這涉及到法蘭的密封性計算，包括法蘭的形變和墊片密封性能的研究。然而，法蘭的形變和密封性計算遠(yuǎn)較強(qiáng)度計算復(fù)雜，所以依據(jù)密

5、封性的法蘭計算甚為困難，為此多少年來法蘭設(shè)計還是以強(qiáng)度計算為基礎(chǔ)的。當(dāng)然強(qiáng)度計算涉及法蘭應(yīng)力，由于應(yīng)力與形變成一定的關(guān)系，所以對法蘭控制一定的應(yīng)力，使之保持在彈性范圍內(nèi)，則實際上也就對法蘭的變形加以了限制。 法蘭強(qiáng)度計算 1937年Waters法今天70多年 法蘭的強(qiáng)度計算方法那么，強(qiáng)度計算選用什么方法？是國際上應(yīng)用最為廣泛的強(qiáng)度計算方法是Waters法該法自1937年提出至今已在世界范圍內(nèi)歷經(jīng)了70多年的長期廣泛實踐考驗ASME VIII-1標(biāo)準(zhǔn)中的法蘭計算也是用的這種方法 Waters法假設(shè)Waters法將法蘭假設(shè)為三個部分直邊段錐段法蘭環(huán) 直邊段錐段法蘭環(huán) Waters法假設(shè)Waters

6、法將法蘭假設(shè)為三個部分直邊段錐段法蘭環(huán) 內(nèi)壓P FFQ1M1內(nèi)壓P Q1M1Q0M0 Q0M0內(nèi)壓P法蘭實際受力如下所示W(wǎng)aters法認(rèn)為內(nèi)壓P的均布載荷以及內(nèi)壓作用在直邊段和錐段的軸向力為小值，可以忽略，即為FDFD FDFDFD Waters法假設(shè)Waters法的這種假設(shè)，對于長頸對焊法蘭是合理的然而，對于平焊法蘭頸部厚度即為與法蘭對接的圓筒的厚度，此厚度按內(nèi)壓圓筒計算這使Waters法允許的法蘭軸向力較大，雖不致法蘭破壞但會使法蘭撓度值過大，不太合理 這就需要除應(yīng)力控制外，額外的控制條件內(nèi)壓圓筒計算時，將其環(huán)向薄膜應(yīng)力控制在1倍筒體材料的許用應(yīng)力此時軸向薄膜應(yīng)力為0.5倍許用應(yīng)力，已非小

7、量而Waters法控制法蘭軸向應(yīng)力小于1.5倍許用應(yīng)力 LEg 0 K L h0ASME法蘭計算ASME VIII-1 補(bǔ)充提出了法蘭剛度計算的要求ASME規(guī)定，對于整體法蘭和按整體法蘭設(shè)計的任意式法蘭，應(yīng)滿足：對公式進(jìn)行考證可知對于剛度的控制，實質(zhì)上是控制錐頸大端的偏轉(zhuǎn)角2/3下面，我們以整體法蘭為例，來看一下ASME規(guī)范的法蘭計算過程 1.052.14VM 02J ASME法蘭計算步驟選取墊片選取螺栓計算法蘭受力計算法蘭所受力矩操作工況預(yù)緊工況 計算法蘭應(yīng)力操作工況預(yù)緊工況M0=HDhD+HThT+HGhGM0=HGhG=（Am+Ab）Sa/2*(C-G)/2操作工況預(yù)緊工況SH=fM0/

8、Lg12BSR=(1.33te+1)M0/Lt2BST=YM0/t2B-ZSRSH=0SR=0ST=YM0/t2B應(yīng)力評定剛度評定SH1.5SfSRSfSTSfSH+SR2SfSH+ST2SfJ=52.14VM 0/LEg20K1h01.0 確定m，y確定操作工況螺栓載荷，Wm1=H+Hp=0.785G2P+（2b3.14GmP）確定最小螺栓初始載荷，Wm2=3.14bGy確定操作工況所需螺栓面積，Am1=Wm1/Sb確定預(yù)緊工況所需螺栓面積，Am2=Wm2/Sa確定所需螺栓面積，Am=max（Am1，Am2）確定實際螺栓面積，AbAmHD=0.785B2PHT=H-HD=0.785G2P-0

9、.785B2PH G=2b3.14GmPHD=0HT=0HG=（Am+Ab）Sa/2 ASME法蘭計算步驟由上圖可以看出法蘭主要計算的是由彎矩引起的應(yīng)力的評定和剛度評定彎矩由力和力臂共同決定力由內(nèi)壓和墊片反力確定，力臂由螺栓圓直徑和法蘭結(jié)構(gòu)確定剛度由法蘭結(jié)構(gòu)確定 我們這次的研討會主要討論螺栓對法蘭計算的影響那么探討影響法蘭設(shè)計的因素，也就是從法蘭組的墊片、螺栓和法蘭結(jié)構(gòu)這三個方面著手。 螺栓對法蘭計算的影響下面我們將討論關(guān)于螺栓的三個問題1. 螺栓的選取2. 螺栓對法蘭計算的影響3. 如何調(diào)整螺栓來優(yōu)化法蘭設(shè)計 螺栓選取前面我們了解到螺栓力=內(nèi)壓作用力+墊片反力PF F PASME計算步驟中的

10、螺栓選取過程就是運用了這個原理 1h R g hG 螺栓對法蘭計算的影響根據(jù)前面的計算步驟22C GhT GhD R 0.5g1 螺栓對法蘭計算的影響根據(jù)前面的計算步驟螺栓載荷越大，所需法蘭越厚（預(yù)緊工況）螺栓中心圓直徑越大，所需法蘭越厚（操作工況） 優(yōu)化法蘭設(shè)計螺栓的調(diào)節(jié)法蘭的設(shè)計中螺栓的優(yōu)化有兩個方面1.減小螺栓載荷2.減小螺栓圓直徑 減小螺栓載荷通過前面的討論，我們知道減小螺栓載荷的方法是1.減小墊片硬度（減小m、y ）2.調(diào)整墊片尺寸（減小G、b）但是，由于墊片與介質(zhì)有關(guān)，通常墊片材質(zhì)已經(jīng)由工藝專業(yè)確定 而墊片的尺寸與設(shè)備尺寸相關(guān)，墊片寬度b與墊片材質(zhì)相關(guān)所以，在墊片上的優(yōu)化空間較小我

11、們通常通過減小螺栓圓直徑的方法來優(yōu)化法蘭設(shè)計 減小螺栓圓直徑關(guān)于螺栓圓直徑，我們希望得到“最小螺栓圓直徑”由于法蘭結(jié)構(gòu)和扳手空間的限制，螺栓圓直徑有最小的要求如下圖：螺栓圓直徑受到以下三個方面的要求1.沿法蘭密封面的徑向結(jié)構(gòu)要求： CGo+2a+d2.沿法蘭背面徑向結(jié)構(gòu)要求： CDi+2g1+2R3.沿法蘭環(huán)向分布的結(jié)構(gòu)要求： CB*n/ 減小螺栓圓直徑關(guān)于螺栓圓直徑，我們希望得到“最小螺栓圓直徑”由于法蘭結(jié)構(gòu)和扳手空間的限制，螺栓圓直徑有最小的要求如下圖：螺栓圓直徑受到以下三個方面的要求1.沿法蘭密封面的徑向結(jié)構(gòu)要求： CGo+2a+d2.沿法蘭背面徑向結(jié)構(gòu)要求： CDi+2g1+2R3.沿

12、法蘭環(huán)向分布的結(jié)構(gòu)要求： CB*n/ 減小螺栓圓直徑1.沿法蘭密封面的徑向結(jié)構(gòu)要求： CGo+2a+d2.沿法蘭背面徑向結(jié)構(gòu)要求： CDi+2g1+2R3.沿法蘭環(huán)向分布的結(jié)構(gòu)要求： CB*n/ 另外，ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，致死介質(zhì)，螺栓最大間距：6tm 0.5如果螺栓間距大于2a+t，總力矩M0還需要按照Bsc進(jìn)行修正Bsc Bs2a t 減小螺栓圓直徑關(guān)于扳手空間，在TEMA中有要求，ASME采用的就是這個數(shù)據(jù) 優(yōu)化法蘭設(shè)計通過實踐，我們可以得到一些優(yōu)化法蘭中調(diào)整螺栓的大致方向：1.控制操作工況和預(yù)緊工況的所需螺栓面積接近如果操作遠(yuǎn)大于預(yù)緊，說明螺栓的許用應(yīng)力隨溫度的升高減小過快可以選擇在設(shè)計溫度下具有較高許用應(yīng)力的螺栓材質(zhì)2.注意確定，是B值還是R值控制螺栓圓兩者確定的值相差過大，可以通過調(diào)整螺栓直徑和數(shù)量來進(jìn)行調(diào)整，以得到較小的螺栓中心圓 提問環(huán)節(jié) 謝謝大家的參與下次網(wǎng)絡(luò)研討會話題:G OST標(biāo)準(zhǔn)介紹及PASSAT軟件建模計算