浮头法兰的设计
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［9］ 新版 （2= 版） 软件， 进行了改造， 可免于死 4:; ［<］ 循环的发生， 设计出一定的结果 。因为浮头法兰
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浮头法兰的设计
中国石化工程建设公司
摘
桑如苞
林上富
针对浮头式换热器的浮头法兰设计存在的问题， 对该种法兰的合理设计原理进行了分析并 要：
提出合理设计方法， 从而使浮头法兰的设计趋于安全、 经济和合理。 浮头法兰； 合理设计 关键词：
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浮头法兰的设计
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前言
浮头式换热器的浮头法兰设计是压力容器设计 中一项长期存在困扰的工作。01%.%—%222 《 管壳式 换热器》 中的浮头法兰计算方法源自美国 34!5 ［7］ 对该计算方法的分析见文献 ［8］ 。文献 ［%、 !6% ， 仅给出了此种法兰的强度计算方法， 因该种法兰 7］ 的特殊性， 其设计采用叠代试算法， 不仅设计过程较 为麻烦， 而且设计结果往往不易达到经济合理的要 求。特别是因其受两种压力 （管程压力和壳程压力） 的作用， 必须兼顾多种工况下的受力并同时满足相 应结构设计的要求， 为此使设计工作复杂化。 我国目前通用的压力容器软件 4:; 在此存在 一些的问题。因此浮头法兰的设计存在的问题， 不 仅国内如此， 国外也在探索。 为此文献 ［<、 进行了讨论， 无疑对提高浮头法 .］ 兰设计的技术水平作出有益的贡献， 但未能切中浮 头法兰合理设计的关键即最佳 +, 的确定。本文对 该种法兰的合理设计原理进行分析， 并提出相应设 计方法。该法已编制成计算软件
符号说明 — —法兰外直径， !— GG； — —法兰内直径， !" — GG； — —作用在法兰环内径圆截面上由压力引起的轴向 #! — 分力， 0； #! K ’L,*M !" $% ； — —由壳程压力 #& !— #& ! K ’& 作用引起的 #! ， 0； $& ； ’L,*M !"
— —操作状态下， 由压力在环面积上产生的轴向分 #/ —
［;］ ［9］ ［%］
不安全的隐患， 并且由于固定封头埋入法兰的深度， 可导致浮头法兰设计结果极不合理， 甚至不能得到 设计结果。 浮头法兰的合理设计与法兰所受力矩的大小密 切相关， 其中 +, 起着重要的作用， 对法兰操作力矩 （无论 !" 或 !# 工况） 具有很大的影响 8 浮头法兰的合理设计原理
・ %8 ・
且应用于工程。
本设计方法克服了现行 4:; 所存在的问题， 且较国 外同类设计具有优越性。 7 浮头法兰设计现状
浮头法兰主要在法兰厚度的设计上存在困难。 浮头法兰的厚度受控于强度和结构两个方面。强度 方面包括法兰在管程压力和壳程压力单独作用下的 厚度计算， 并应分别考虑预紧和操作两种情况。其 中较复杂的是球冠形封头与法兰连接位置的确定， 万方数据
需经受管程压力 （ !# ） 和壳程压力 （ !" ） 两种工况， 所 以软件中分别以两种工况进行计算， 而后取其大值， 作为最终设计结果。然而这种作法存在问题。即当 按某工况的 “大值” 确定的法兰厚度回代到另一工况 进行校核计算， 可出现强度尚不能满足要求的情况。 其原因是随着法兰厚度的加大， 当封头焊入法兰的 深度 （ -） 保持不变时， 由于封头水平力 ., 对法兰形 心的作用力臂 +, 也随之增大， 故使 .,+, 增加， 导致 法兰力矩 /’ 增大使法兰的计算厚度需进一步加
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为此， 合理的 %$ 应使法兰在 !" 和 !) 两种工况 作用下所形成的法兰力矩相接近 （当 !) # !" 时， 应 使其 *! 相等） 则较为合理。同时顾及到 !) 、 !" 尚 对法兰产生环向 “薄膜应力” 的作用 （上述 *! 产生 弯曲应力） ， 因此对 %$ 的合理取值应以使法兰在 !) 和 !" 两种操作工况下的法兰计算厚度 （!+ ） 趋相同
欲使浮头法兰厚度设计成最小值以得到较经济 合理的设计结果， 其关键是控制合适的 +（封头中 , 面与法兰的连接点至法兰环形心的垂直距离） ， 其对 法兰操作力矩有至关重要的影响。以下先就 +, 对 法兰操作力矩的影响进行分析， 然后讨论最佳 +, 的 确定 （ +, 对法兰预紧力矩不产生影响） 。 8 0 % +, 对法兰力矩的影响 使 .（封头薄膜力的水平分量） 对法 +, 的存在， , 兰环形心产生力矩 /, ， /, & .,・+, 。 /, 对法兰在 !# 作用时 （相当于法兰受内压情况） 和在 !" 作用时 （相 当于法兰受外压情况） ， 其作用方向相反。 （%） （见图 %） !# 作用情况：
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容wenku.baidu.com
器
总第 %%9 期
其得当与否对法兰设计结果有很大的影响 （可使法 兰厚度相差一倍之多） 。 该种法兰的厚度所受结构要求的限制是： 既要 保证封头与法兰的连接焊缝尺寸又要确保浮头盖内 侧有足够的 “横跨流通面积” 。 上述影响法兰设计厚度的各个因素在不同的设 计条件下， 均可成为控制因素， 且互相影响， 使浮头 法兰的设计复杂化。 浮头法兰的设计通常应用 4:; 软件进行计算。 旧版 4:; 软件在浮头法兰设计中存在经常发生死 ［<］ 循环的问题 ， 使设计难于进行。
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本设计方法克服了现行 4:; 所存在的问题， 且较国 外同类设计具有优越性。 7 浮头法兰设计现状
浮头法兰主要在法兰厚度的设计上存在困难。 浮头法兰的厚度受控于强度和结构两个方面。强度 方面包括法兰在管程压力和壳程压力单独作用下的 厚度计算， 并应分别考虑预紧和操作两种情况。其 中较复杂的是球冠形封头与法兰连接位置的确定， 万方数据
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欲使浮头法兰厚度设计成最小值以得到较经济 合理的设计结果， 其关键是控制合适的 +（封头中 , 面与法兰的连接点至法兰环形心的垂直距离） ， 其对 法兰操作力矩有至关重要的影响。以下先就 +, 对 法兰操作力矩的影响进行分析， 然后讨论最佳 +, 的 确定 （ +, 对法兰预紧力矩不产生影响） 。 8 0 % +, 对法兰力矩的影响 使 .（封头薄膜力的水平分量） 对法 +, 的存在， , 兰环形心产生力矩 /, ， /, & .,・+, 。 /, 对法兰在 !# 作用时 （相当于法兰受内压情况） 和在 !" 作用时 （相 当于法兰受外压情况） ， 其作用方向相反。 （%） （见图 %） !# 作用情况：
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