3[1].2 法兰的设计

3.2法兰的设计
法兰连接是化工容器、管通常用的一种可拆连接型式。

本节从如何满足法兰连接密封的可靠性、足够的强度等出发，简要介绍垫片、螺栓及法兰本体的设计等问题。

3.2.1 基本要求
1、正确理解法兰连接的密封原理，了解影响密封的因素。

2、掌握垫片材料类型及垫片的选择，并理解垫片性能参数的物理意义。

3、掌握螺栓载荷的计算及螺栓的设计问题。

4、了解法兰的结构及其特点，并能使用法兰标准正确选用法兰。

5、掌握非标准法兰结构尺寸的确定和强度计算方法。

3.2.2 内容提要
1、法兰连接通过紧固螺栓压紧垫片实现密封。

法兰密封的泄漏形式包括渗透泄漏和界面泄漏。

当法兰通过螺栓压紧垫片时，使垫片发生变形，并提供垫片与密封面的压紧力，以形成压力介质通过密封面的阻力，当这种阻力大于密封元件两侧的介质压力差时，介质即被密封住。

垫片性能、螺栓力大小、密封面型式及尺寸精度、法兰刚度及操作条件等均影响密封的可靠性。

2、法兰连接设计中首先面临垫片选择。

垫片是法兰密封中的主要元件，为形成密封，主要要求垫片具有适宜的变形和回弹能力。

垫片按材料分为非金属垫、金属垫和组合垫三种。

由于法兰密封面有平面、凹凸面、榫槽面、梯形槽等，因此与不同密封面相匹配的垫片结构也不完全相同。

设计时主要根据介质的特性、温度、压力，确定垫片的材料、结构型式及尺寸。

预紧密封比压y 和垫片系数m 是表征垫片特征的两个主要参数。

预紧密封比压y 是指预紧时迫使垫片变形与密封面接触以形成初始密封条件，垫片上所必须的单位面积上的最小压紧载荷。

垫片系数m 是指操作时达到密封不漏，垫片上所必须维持的工作密封比压8σ与介质压力p 的比值。

y 、m 的大小与垫片材料、结构等因素有关。

设计时，由y 、m 确定垫片在预紧和操作状态下的压紧力大小。

3、在法兰连接结构中，连接螺栓提供压紧力。

螺栓力既要保证预紧和操作时密封不漏，又要不致把垫片压坏。

计算螺栓预紧和操作状态所需最小载荷和螺栓最小截面积如表3-2所示。

设计所需螺栓面积A m 取A a 与A p 之大值，并按下式计算螺栓的根径。

mm n A d m
π
41=
（3-7） 为满足法兰环刚度和安装等要求，设计时必须合理调配螺栓的大小和个数，并要求实际螺栓面积A b ≥A m 。

由法兰环的刚度要求螺栓的最大间距为：
mm m t
d S B )
5.0(62max ++
= （3-8）
4、法兰按法兰环、锥颈和筒体的整体程度分为松式法兰、整体法兰和任意式法兰。

松式法兰被认为法半未能有效地地与筒体连接成一整体，筒体不与法兰共同承受法兰力矩的作用；如果法兰环、颈部和筒体三者能有效地连成一整体，共同承受法兰力矩的作用，则为整体法兰；其受力的整体性程度介于以上二者之
间的法兰为任意式法兰。

法兰标准有压力容器法兰标准（JB4700—4707—92）和钢制管法兰标准（HGJ44-76—91）。

前者将法兰分为平焊（包括甲型和乙型）和对焊法兰，后者则分为平焊、对焊、承插焊、平焊环松套板式等法兰。

使用法兰标准时，按不同公称直么（DN ）和公称压力（PN ）选择。

应当指出，由于标准法兰的PN 是一定的法兰材料和温度下的最大工作压力，例如，压力容器法兰的PN 是按材料16MnR 或16Mn 在200℃条件下确定的。

因此选择标准法兰时，应注意法兰材料和温度对法兰PN 与最大工作压力的对应关系。

5、法兰设计方法很多，其中应用较多的是Waters 法，它是以弹性应力分析为基础的设计方法。

分析过程是将带颈整体法兰分为壳体、锥颈和法兰环三部分，然后利用薄壳理论和平板理论对三部分进行应力分析，并经简化得设计公式。

非标准法兰从设计角度分为整体法兰和活套法兰，其受力如图3-1所示。

（1）法兰载荷计算（表3-3）。

（2）法兰应力计算如表3-4所示。

法兰的最大轴向弯曲应力总发生在颈的大端或小端处；法兰环的最大径向应力由径向弯曲应力和径向正应力两部分组成，并位于环内缘面与锥颈的连接点处；法兰环的最大环向应力由弯曲应力和正应力两部分组成，位于内缘面靠近垫片密封面处，而表中σt 为环内缘面与锥颈的连接点处的应力。

对于活套法兰及平焊法兰，还应按预紧和操作两种工况计算剪应力，即
⎪⎪⎭
⎪
⎪⎬⎫=+==
ττττστA W A A W p
p b a /][2A A b m （3-9）
式中，A τ为剪切面积。

（3）应力校核
⎪⎪
⎪
⎭
⎪
⎪
⎪⎬⎫≤≤≤++≤≤≤t n
n a r z t f t t f z ][8.0][8.0][)0.5()(5.0][][]2.5[][5.1p t f t z t
f t
n στστσσσσσσσσσσσστ及及之小值
与 （3-10）
颈部的轴向弯曲应力σz 按极限载荷设计法，取1.5[t f ]σ与2.5[t n ]σ的小值作为它的最大允许应力。

法兰的σr 、σt 则按制在材料的弹性范围内。

为避免法兰
环材料部分屈服，故应对锥颈和法兰环的应力平均值加以限制。

当不满足应力校核条件时，需调整法兰锥颈或法兰环的尺寸，使应力校核条件满足。

法兰的剪应力应分别小于或等于翻边或筒体材料在常温和设计温度下许用应力的0.8倍。

3.2.3 复习思考题
1、法兰垫片密封的原理是什么？影响密封的因素有哪些？
2、法兰垫片密封面型式有哪些？各有何特点？
3、垫片按其材料分为几类？各类的特点和大致适用范围如何？
4、垫片的性能参数有哪些？它们各自的物理意义是什么？
5、法兰的型式有哪些？各有何特点？
6、法兰标准有何意义？标准化的基本参数有哪些？选择标准法兰时，按哪些因素确定法兰的公称压力PN ？
7、螺栓设计时，对螺栓大小和个数的调配由哪些因素确定？ 8、在法兰应力计算中，为什么要对平均应力进行校核？
9、进行非标准活套法兰设计时，可调整什么尺寸以降落法兰的应力？ 10、如果长颈对焊法兰的应力校核不满足要求时，可调整法兰的哪些尺寸来降低法兰的应力。

3.2.4 例题
例3-5 设计一受压容器连接用的容器法兰。

已知：圆筒DN=800mm ，设计压力p =0.8Mpa ，设计温度T=250℃，筒体名义厚度t n =6mm ，圆筒材料Q235-A ，腐蚀裕量C 2=1.5mm 。

[解] 根据设计条件，本设计采用平焊法兰结构型式。

由于t c =t n —C 2=4.5mm<15mm ，D i /t c =800/4.5=178<300，p=0.8Mpa<2Mpa ，操作温度小于370℃，故可按活套法兰进行简化设计。

1、垫片设计
（1）垫片材料、密封面型式
根据设计条件，参照JB4700采用石棉橡胶板垫片。

采用平密封面。

（2）垫片参数
由GB150或教材表2-9查得，y =11Mpa,m=2。

（3）垫片尺寸
参照JB4704《非金属软垫片》标准，取垫片厚度δg =3mm ，垫片外径D 3=844mm ，内径D 2=804mm 。

（4）垫片宽度
垫片实际宽度 N=mm D D 202
2
3=-
垫片基本密封宽度 mm 4.6102
20
20>==mm N b
垫片有效密封宽度 mm 81053.2b 2.53b 0=== （5）垫片压紧力作用中心圆直径
D c =垫片接触面外径―2b=844―2×8=828mm （6）垫片宽度校核
mm y D A N G b 45.1311
82828.6117
657428.6][b min
=⨯⨯⨯=σ
因N=20mm>N min ，故满足要求。

2、螺栓设计 （1）螺栓载荷
a.预紧状态时需要的最小载荷
N by D W G 22879311882814.3a =⨯⨯⨯==π
b.操作时需要的最小载荷
bmp D p
D W G G p ππ24
2+=
=0.785×8282×0.8+6.28×828×8×2×0.8=497105N
（2）螺栓材料及许用应力
参照JB4700—92，选用螺栓材料35钢，其许用应力为
a 82][117][t
b MP MPa b ==σσ，
（3）螺栓面积 预紧时 2a 1956117
228793][mm W A b a ===
σ 操作时 2p 606282
497105
][mm W A t b
p ==
=
σ 需要的螺栓面积A m 取上述两者中的大值，A m =6062mm 2 （4）螺栓配置
参照JB4701《甲型平焊法兰》，取螺栓M20，螺栓根径
d 1=17.294mm
b.螺栓数量及总截面积 螺栓数量个8.25294.1714.36062
44A n 2
21m =⨯⨯==
d π 按4的倍数圆整为28个。

螺栓总截面积
22
21b 65744
294.1714.3284n A mm d =⨯⨯==π
c.螺栓中心圆直径
法兰背面的径向结构要求
D b1≥DN+mm S g 867242)86(2800221
=⨯+++='+' 式中 1
g '按JB4701—92确定： S '由GB150得S '=0.8S=0.8×30=24mm 。

密封面径向结构要求
D b2≥D 3+2△+d+848+2×3+23=873mm
式中 d ——螺栓孔直径，d =23mm 。

螺栓孔环向结构要求
mm S n D b 41014
.346283=⨯=≥π
式中S 由GB150查得，S
=46mm 。

实际螺栓中心圆直径取D b =880mm （5）螺栓设计载荷 预紧状态N A W b 73920611726574
6062][2
A b m =⨯+=+=
σ 操作状态W=W p =497105N 3、法兰设计
（1）法兰材料及许用应力 法兰材料选用16MnR （板材），许用应力为：
MPa MPa f 132][157][t f ==σσ，
（2）法兰力矩
N p D P 4140688.0812785.04
22i 1=⨯⨯==
π
N p D P 164798.0)812828(785.0)D (4
2
22i 2G 2=⨯-=-=
π
66558N 0.8288286.28bm p 23=⨯⨯⨯⨯==G D P π
mm D D l i b 5.382812
88021=-=-=
mm l l l 25.322
265.382312=+=+=
mm D D l G b 26282888023=-=-=
操作时法兰力矩
M p =P 1l 1＋P 2l 2+P 3l 3=414068×38.5+16479×32.25+66558×26=18203574N ·mm 预紧时法兰力矩
M a =W l 3=739206×26=19219356N ·mm
法兰设计力矩
⎪⎭
⎪
⎬⎫=⨯==1615894
157132
19219356][][mm
N? 18203574Mp t t f a M σσ取大值 M=18203574N ·mm
（3）形状系数
法兰外径D=D b +2S e =880+2×20=920mm 式中 S e 由GB150得，S e =20mm
133.1812
920===
i D D K 由GB150或教材图2-57查得Y=15.57 （4）法兰厚度
mm 42.51812
132********
57.15][YM t t
f =⨯⨯==
i D σ
取t =52mm 。

（5）剪应力校核 a.剪切面积
2i 22947mm 98123.14l =⨯⨯==D A πτ
式中 l 按JB4701—92《甲型平焊法兰》确定，l =9mm
b.剪应力
预紧状态下的剪应力
MPa A W a 2.3222974
739206===
ττ 操作状态的剪应力
MPa A W p p 64.2122974
497105
==
=
τ
τ
c.剪应力校核
MPa
MPa p a 2.75948.0]0.8[64.214.901138.0]0.8[2.32t n n
=⨯=<==⨯=<=στστ
满足要求。

（6）法兰刚度要求
为满足法兰刚度要求，螺栓最大间距)
5.0(62+=m t
d S B
，本设计中
mm 69.9828
88014.3=⨯==n D S b π
则满足法兰刚度要求所需的最小法兰厚度为：
m m 5.246)5.02)(20269.98(6)5.0)(2(t min =+⨯-=+-=m d S B
因min t t >，故本法兰设计厚度t =52mm 。

例3-6 设计一容器用的平焊法兰。

已知容器公称直径DN=800mm ，设计压
力p=3Mpa ，设计温度T=300℃，筒体材料16MnR ，筒体名义厚度t n =14mm ，腐蚀裕量C 2=2mm 。

[解]根据设计条件，采用设置法兰圆筒短节的乙型平焊法兰型式，取短节厚
度)16g (22g 00mm mm >'='，伸出法兰环部分长度l =125mm )g 5.0(l 0'∙>DN 。

1、垫片设计
（1）垫片材料、密封面型式
根据设计条件，采用带内加强环的不锈钢缠绕垫片，密封面用凹凸面。

（2）垫片参数
m =3，y=69
（3）垫片尺寸
参照JB4705《缠绕垫片》，取垫片外径D 3=865mm ，内径D 2=825mm ，垫片厚度g δ=4.5mm 。

（4）垫片尺寸 垫片实际宽度：mm 202
825
8652D -D N 23=-==
垫片基本密封宽度 mm mm g
4.62
5.112
5
.4182
b 0>=+=
+=
δϖ 垫片有效密封宽度 mm 5.825.1153.2b 2.53b 0=⨯== （5）垫片压紧力作用中心圆直径
D G =垫片接触面外径－2b=865－2×8.5=848mm
（6）垫片宽度校核
mm N mm y D A G b b 208.769
84828.6212
1352228.6][N min =<=⨯⨯⨯==
σ
取N=20mm 满足要求。

2、螺栓设计
（1）螺栓材料和许用应力
材料用40MbB ，其许用应力MPa MPa b 167][212][t b ==σσ，
（2）螺栓载荷
预紧状态所面的最小螺栓载荷
W a =3.14D G by=3.14×848×8.5×69=1561685N
操作状态所城最小螺栓载荷
W p =0.785bmp D p D G 28.62
G +
=0.785×8482×3+6.28×848×8.5×3×3=2100886N
（3）螺栓面积 预紧时27366212
1561685
][mm W A b a a ===
σ 操作时212580167
2100886
][mm W A t b
p p ==
=
σ
需要的螺栓面积A m =12580mm 2 （4）螺栓配置 a.螺栓规格
取M24，螺纹根径d 1=20.752mm b.螺栓数量
个2.37752.2014.312580
44n 2
21=⨯⨯==
d A m π 圆整后取n =40个
螺栓总截面积
222
1b 135224
752.2014.3404
mm d n A =⨯⨯==
π
c.螺栓中心圆直径
法兰背面径向结构要求
m m 4.9342.272402800221
1=⨯+⨯+='+'+≥S g DN D b 式中1
g '由GB150中法兰结构确定，取1g '=40mm ； S '由GB150，得S '=0.8S=0.8×34=27.2mm 。

法兰密封面径向结构要求
D b2≥D 4+2△+d=863+2×12.5+27=915mm 式中△参照JB4702-92取△≥12.5mm 。

螺栓环向结构要求
mm S n D b 4.71314
.356403=⨯=≥π
式中S 由GB150查得，S
=56mm
实取螺栓中心圆直径D b =935mm 。

（5）螺栓设计载荷
预紧时W=0.5(A m +A b )[σ]b =0.5(12580+13522)×212=2767024N
操作时W=W p =2100886N
3.法兰设计 （1）法兰材料
法兰材料16MnR ，许用应力[σ]f =150Mpa ，MPa t
f 113][=σ。

（2）法兰力矩 a.载荷
P 1=N p D 15223103804785.0785.02
2i =⨯⨯=
P 2=N p D p D i 1711803804785.03848785.0785.0785.02
222G =⨯⨯-⨯⨯=-
P 3=N p D 407396335.884828.6bm 28.6G =⨯⨯⨯⨯= b.力臂
l 1=S+0.5g1=27.5+0.5×38=46.5mm
式中 S=0.5(D b －D i －2g 1)=0.5(935－804－2×38)=27.5mm
mm C 38240g g 21
1=-=-'= mm l g S 5.54)5.43385.27(5.0)(5.0l 312=++=++= mm D D G 5.43)848935(5.0)(5.0l b 3=-=-=
c.法兰力矩
M p =P 1l 1+P 2l 2+P 3l 3=1522310×46.5+171180×54.5+407396×43.5 =97838451N ·mm
M a =W l 3=2767024×43.5=120365540N ·mm d.法兰设计力矩
取大值⎪⎪
⎭
⎪⎪
⎬⎫∙=∙=⨯==∙=mm 97838451N M mm 9067538150113120365540][][M mm
97838451N M a p N f t f σσ
（3）形状系数
1735
.08
.12622
h/h 8.12620804h 000===⨯==mm g D i
法兰外径D+D b +2S c =935+2×26=987mm ，取D=990mm
9.120
38g g 231.1804
99001=====
i D D K
查表得 T=1.83，Z=4.88，Y=9.46，U=10.40 查图得 F=0.894，V=0.385，f=2.5
1370099208.126385
.040.10d 00705.08
.126894.0h F e 22
0010=⨯⨯==
===
g h V U
假设法兰厚度t=90mm
425
.1532.0893.0532
.01370099
90t 893
.083
.1635.1T 635
.1100705.09013
13=+=+========+⨯=+=ηγληψγϕd te
（4）法兰应力
a.应力
47.4MPa .41988.4804
909783845146.9t YM 4.1980490425.197838451
)100705.0901.33()133.1(8.147804
38425.197838451
5.222t 22r 221=⨯-⨯⨯=-=
=⨯⨯+⨯⨯=+==⨯⨯⨯=r i i i z
Z D MPa D t M te MPa D g fM σσλσλσ
b.应力校核
MPa
MPa MPa MPa MPa
t f t f r t z 113][6.97)4.478.147(5.0)(5.0113][6.83)4.198.147(5.0)(5.0113][113MPa ][169.5MPa 1131.5]1.5[t 22t f t f r t f =<=+=+=<=+=+=<=<=⨯=<σσσσσσσσσσσσ
（5）法兰剪应力 a.剪切面积
mm l D A r 1166074484414.3=⨯⨯==τπ
式中 l ——法兰与短节焊缝高度，取l =44mm 。

b.剪应力
预紧状态 MPa A W 4.1301638.0]0.8[.7MPa 23116607
2767024n a =⨯=<===
σττ 操作状态 MPa MP A W p 1081358.0]0.8[a 18116607
2100886t
n p =⨯=<==
=
σττ
由以上计算可知，法兰的正应力和剪应力的强度足够。

（6）法兰刚度要求
14.8mm
0.5)/6(324)2-(73.4 6
/)5.0)(2(min
=+⨯⨯=+-=m d S t B
式中mm D S b 4.7340
935
14.3n =⨯==π。

90m m t min ，满足刚度要求=<t
例3-7 设计某容器筒身与筒盖的连接法兰。

已知容器内径D i =1000mm ，设计压力
p =6Mpa ，设计温度T=1000℃，筒体材料16MnR ，壁厚t n =25mm ，腐蚀裕量C 2=2mm 。

[解]根据设计条件，压力较高，宜采用长颈对焊法兰。

1、垫片设计
（1）垫片材料、密封面型式
根据设计条件，采用不锈钢缠绕垫片和榫槽密封面。

（2）垫片参数
m =3，y=69
（3）垫片尺寸
由JB4706《金属包垫片》，取垫片外径D 3=1099mm ，内径D 2=1049mm ，厚度g δ=4.5mm 。

（4）垫片宽度
垫片实际宽度 mm D D N 252
1049
1099223=-=-=
垫片基本密封宽度 mm mm b g
4.67
5.132
4.5
232
0>=+=
+=
δϖ 垫片有效密封宽度 mm b 38.975.1353.2b 35.20=⨯==
（5）垫片压紧力作用中心圆直径
D G =垫片接触外径—2b=1099—2×9.38=1080.24mm
（6）垫片宽度校核
mm y D A N G b b 9.1669
1080.246.28228
3464328.6][min =⨯⨯⨯==
σ
N=25mm>N min ，满足要求。

2、螺栓设计
（1）螺栓材料和许用应力
螺栓材料采用35CrMoA ，b ][σ=228Mpa ，t
b ][σ=206Mpa （2）螺栓载荷
预紧状态 W a =3.14D G by=3.14×1080.24×9.38×69=2195340N 操作状态 W p =0.7852
G D p+6.28D G bmp
=0.785×1080.242×6+6.28×1080.24×9.38×3×6=6641581N （3）螺栓面积 预紧状态 2a a 9629228
2195340
][mm W A b ===
σ 操作状态 2p p 32241206
6641581
][mm W A t b
==
=
σ
需要的螺栓面积 A m =32241mm 2 （4）螺栓配置 a ．螺栓规格
取M36螺栓，螺纹根径d 1=31.670mm b ．螺栓数量
41670.3114.332241
44n 2
21m =⨯⨯==
d A π个 取n=44个
螺栓总面积
22
21p 346434
670.3114.3444n mm d A =⨯⨯=π
c. 螺栓中心圆直径
法兰背面结构要求：
以法兰锥颈小端厚度与容器壳壁等厚，即0
g '=25mm ，锥颈大端厚度 m m 50~5.3725)2~5.1()2~5.1(00
=⨯='='g g ，取1g '=46mm 。

由GB150查得S=48mm 。

11884824621000221
1=⨯+⨯+=+'+≥S g DN D b mm 螺栓环向布置要求：
mm S
n D b 112114
.380
443=⨯=
≥
π
式中 S 由GB150查得，S
=80mm 。

实际取螺栓中心圆直径D b =1195mm 。

（5）螺栓设计载荷
预紧时W=0.5(A m +A b )b ][σ=0.5×(32241+34643)×228=7624776N 操作时W=W p =6641581N 3．法兰设计
（1）法兰材料
法兰材料16Mn （锻件），许用应力f ][σ=150Mpa ，MPa 150][t
f =σ （2）法兰力矩 a.载荷
6
1004785.0624.1080785.0785.0785.0474775561004785.0785.02
22222
2i
1⨯⨯-⨯⨯=-==⨯⨯==p D p D P N p D P i
G
=748431N
P 3=6.28D G bmp=6.28×1080.24×9.38×3×6=1145395N b.力臂
mm
S mm g D S 5.71445.05.490.5l 5.49)46210041195(5.02-D -5.0g121i b =⨯+=+==⨯--⨯='=（
式中 mm C g 44246g 21
1=-=-'= l 2=0.5(S+g 1+l 3)=0.5×(49.5+44+57.38)=75.44mm
l 3=0.5(D b －D G )=0.5×(1195-1080.24)=57.38mm
c.法兰力矩
M p =P 1l 1+P 2l 2+P 3l 3=4747755×71.5+748431×75.44+1145395×57.38 =461648882N ·mm
M a =W l 3=7624776×57.38=437509647N d.法兰设计力矩
M p =461648882N ·mm
mm 437509647150
150
437509647][][∙=⨯
=N M f
t f a
σσ 取M=461648882N ·mm （3）形状系数
mm 152231004g D h 0i 0=⨯==
式中 g 0——法兰锥颈小端有效厚度，g 0=mm C g 2322520
=-=-' g 1/g 0=44/23=1.91
令f =1，由GB150或教材图2-54查得h/h 0=0.54，则法兰锥颈高度
h =0.54×152=82mm 。

法兰外径 D=D b +2S c =1195+2×36mm=1267mm ，取D=1270mm 。

式中 S c 由GB150得S c =36mm 。

265.11004
1270===
i D D K 查表得 T=1.81，Z=4.33，Y=8.39，U=9.23 查图得 F=0.822，V=0.23
32268082315223
.023.9d 00541.0152
833.0h F e 22
0010=⨯⨯==
===
g h V U
法兰厚度：假设t =110mm
293
.1412.0881.0412.03226808/110/881.081.1/595.1/595.1100541.01101213=+=+========+⨯=+=ηγληψγψd t T te
（4）法兰应力
MPa Z D t YM MPa D t M MPa D r i t i i z 6.907.524.331004
11046164888239.87.521004110293.1461648882
)100541.011033.1(1te 33.17.1831004
44293.1461648882
1g fM 2
22
2r 2
21=⨯⨯⨯=-=
=⨯⨯⨯+⨯⨯=+==⨯⨯⨯==－）（σσλσλσ （5）应力校核
t f
t z t f r z t f
t t f z MPa MPa MPa MPa MPa MP ][2.132)6.907.183(5.0)(5.0][2.118)7.527.183(5.0)(5.0][6.90][7.522251505.1]1.5[a 7.183r t f σσσσσσσσσσσσ<=+=+<=+=+<=<==⨯=<=
法兰满足强度要求。

（6）法兰刚度要求
mm n D S b 3.8544
119514.3=⨯==π
由法兰刚度要求厚度
mm m d S B 8.76/)5.03)(3623.85(6/)5.0)(2(t min =+⨯-=+-=
t=120mm>7.8mm ，故法兰刚度满足要求。

讨论
（1）例3-5是按活套法兰设计的任意式（平焊）法兰，采用JB4701-92甲型法兰结构型式。

一般说来，这种法兰应按整体法兰设计。

只有满足一定条件时，才可按活套法兰设计。

这种方法不考虑锥颈与圆筒连接处的应力，但如果圆筒壁较薄时，此处的应力往往较大。

（2）例3-6和例3-7设计的乙型平焊法兰和长颈对焊法兰，从应力计算过程可知，锥颈（包括圆筒短节及其焊缝）尺寸对轴向应力z σ有显著影响，而对径向应力r σ影响最大的是法兰环的厚度。

因此，设计时如果z σ不合适，宜采取调整锥颈尺寸的办法；如果r σ不合适应调整法兰环的厚度；当t σ不合适则主要采取调整锥颈尺寸的办法。

（3）法兰连接设计的内容为垫片设计、螺栓设计和法兰设计。

设计时必须合理选择垫片，合理配置螺栓，恰当确定法兰结构尺寸，以保证法兰连接密封的可靠性和具有足够的强度和刚度。

3.2.5 习题
题3-11 试为一塔器的塔身（分段式）及部分接管选配法兰。

已知塔的内径1000mm ，设计压力p =0.4Mpa ，操作温度250℃，壳体材料20R ，接管材料10钢，接管公称直径DN （1）=150mm ，DN （2）=300mm 。

题3-12 某容器筒身和端盖用兰联接，试校核法兰的强度。

已知条件如下：
设计压力p=2.5Mpa ，操作温度150℃，筒体内径D i =1000mm ，腐蚀裕量1mm 。

采用长颈对焊法兰，凹凸密封面，法兰材料16Mn ，采用M27螺栓36个，螺栓材料35CrMoA 。

采用碳钢缠绕垫，垫片外径d 0=1087mm ，内径d i =1047mm ，厚度4.5mm 。

法兰各部分尺寸：
法兰外径D=1195mm ，螺栓中心圆直径D b =1140mm ，颈部小端厚度0
g '=20mm ，颈部大端厚度1
g '=32mm ，锥颈高h =50mm ，法兰厚度t =64mm 。

题3-13 设计一筒体与封头联接的平焊法兰。

设计条件为：筒体公称直径DN=800mm ，
设计压力P=0.4Mpa ，设计温度T=150℃，筒体材料Q235—A ，筒体壁厚t n =5mm ，腐蚀裕量2mm ，采用石棉橡胶垫，垫片外径d 0=844mm ，内径d 1=804mm ，平密封面，螺栓材料
Q235—A，螺栓规格为M16，法兰材料用16MnR。

题3-14 有一化工设备设计压力p=2Mpa，设计温度T=100℃，筒体内径D i=1000mm，材料16MnR，腐蚀裕量1mm，筒体壁厚t n=8mm，若筒体与端盖采有圆筒短节的平焊法兰联接，圆筒短节厚度为16mm，平密封面，碳钢缠绕垫片，垫片外径d0=1060mm，内径d i=1025mm，垫片厚度δg=4.5mm，螺栓材料40Cr，螺栓规格M24，法兰材料16MnR，试确定法兰的结构尺寸。

题3-15 设计一内压筒体的对焊法兰。

已知筒体内径D i=1200mm，设计压力p=4.5Mpa，设计温度T=30℃，筒体材料15MnVR，腐蚀裕量1.5mm，筒体壁厚t n=20mm，采用长颈对焊法兰，碳钢缠绕垫，榫槽密封面，垫片外径d0=1308mm，内径d i=1258mm，垫片厚度δ=4.5mm，螺栓材料35CrMoA，螺栓规格用M36，法兰材料16Mn(锻)。

g
题3-16 设计一外压容器用法兰。

已知设备内径D i=1000mm，设计外压力p=0.1 Mpa，设计温度T=200℃，圆筒材料Q235—A，腐蚀裕量2mm，筒体壁厚8mm，采用甲型平焊法兰，平密封面，石棉橡胶垫片，垫片外径d o=844mm，内径d i=804，螺栓材料 Q235—A，螺栓规格M16，法兰材料20R。