浮头法兰的合理设计

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 L r 起着重要的作用 ,对法兰操作 力矩 (无论 ps 或 pt 工况) 具有很大的影响 。 3 浮头法兰的合理设计原理
欲使浮头法兰厚度得到较经济合理的设计结 果 ,其关键是控制合适的 L r (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 L r 对法兰操 作力矩的影响进行分析 ,尔后讨论最佳 L r 的确定 ( L r 对法兰预紧力矩不发生影响) 。
311 L r 对法兰力矩的影响 L r 的存在 ,使 Fr (封头薄膜力的水平分量) 对
法兰环形心产生力矩 Mr , Mr = Fr L r 。在 pt 作用 时 (相当于法兰受内压) 和在 ps 作用时 (相当于法 兰受外压) , Mr 对法兰的作用方向相反 。
a) pt 作用时的情况 在 pt 作用下 ,作用于法兰上的力 FDt , FtG , FtT 对法兰产生的力矩方向是逆时针的 。为了减小法 兰所受力矩 ,故一般应将 Ftr 作用位置设于法兰形 心之上方 ,此力产生的力矩 FtrL r 方向为顺时针 , 可与 FDt , FtG , FtT 产生的力矩抵消一部分 ,使法兰 在 pt 作用下的法兰净力矩减小 ,如图 1 所示 。如 Ftr 作用位置位于形心下方 ,则会使法兰净力矩因 两者叠加而大增 ,故不可取 。
收稿日期 :2002202226 作者简介 :桑如苞 (1945 —) ,男 ,浙江绍兴人 。1964 年毕业于 浙江工业大学 (现名) 化工机械专业 ,高级工程师 。长期从事 压力容器设计标准工作 ,为 GB150 等十项标准的主要编制人 之一 。专长压力容器强度设计 ,在法兰 、管板 、凸缘 、开孔补 强及应力分类等专题上 ,提出合理设计方法并指出国外同类 方法中的错误 ,发表系列论文 50 余篇 。
常量
,而其中
:Jt
=
Mpt ( D + [σ]ft Di ( D
Di) - Di)
。
其中 Mpt = [ FDt LD + FtTL T + FtGL G] - Ftr L r ,此
式中唯有 L r 为变量 ,其他均为常量 。并且 L r 与
δftp间存在 L r 增大则 δftp下降的单调变化关系 。
LD ———法兰力矩计算力臂 (见图 1) ,mm ;
L G ———法兰力矩计算力臂 (见图 1) ,mm ;
L T ———法兰力矩计算力臂 (见图 1) ,mm ;
Frs ———由壳程压力 ps 作用引起的 Fr ,N ; Frs = FDs tan - 1β1
FDs ———由壳程压力 ps 作用引起的 FD ,N ; FDs = 01785 D2i ps
受净力 矩
M
s P
不利
,导致较大的法兰设计厚度。
相反 ,较小的 L r 虽然对降低 ps 作用下的法兰净
力矩
M
s P
有利
,但会对
pt
作用下的法兰净力矩
M
t P
不利
,同样导致较大的法兰设计厚度 。L r
对
ps , pt 作用工况的法兰净力矩的影响如图 3 所示 。
图 1 pt 作用时法兰受力示意图
b) ps 作用时的情况 (见图 2)
·6 ·
石 油 化 工 设 备 技 术 2002 年
起的径向分力 ,N ; Fr = FDtan - 1β1
L r ———法兰力矩计算力臂 (见图 1) ,mm ;
MP ———法兰操作力矩 ,N·mm ;
Mr ———Fr 对法兰环形心产生的力矩 ,N·mm ; FDt ———由管程压力 pt 作用引起的 FD ,N ;
FDs , FsT 产 生 的 反 向 力 矩 , 即 法 兰 净 力 矩
M
s P
=
FrsL r - [ FDs ( LD - L G) + FsT ( L T - L G) ] 。所以增大
Lr
,则会导致法兰所受净力矩
M
s P
增大 。
由此可见 ,较大的 L r 虽然对降低 pt 作用时
的法兰净力矩 MtP 有利 ,但会对 ps 作用下法兰所
静设备
石Petr油o2C化he工mi设cal备Eq技uip术me,n2t0T0e2ch, n2o3lo(g4y) ·4 ·
浮头法兰的合理设计
桑如苞
(中国石化工程建设公司 ,北京 100101)
摘 要 :浮头式换热器的浮头法兰是一种特殊法兰 ,不能采取一般法兰的“分工况独立计算法兰厚度 ,尔 后取其大值”的方法进行设计 。同时 ,浮头法兰设计中涉及一重要参数 Lr ,能否适当地确定 Lr ,是浮头法兰 设计成败的关键 。文中介绍了该种法兰的合理设计原理及方法 ,并附以实例 。实例表明 ,用这种方法设计的 浮头法兰厚度仅约为用 SW6 (经校正 ,使之全面满足强度要求) 软件计算厚度的 1/ 2 ,体现出合理设计的价值 。
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 ,为此 使浮头法兰的设计复杂化 。 2 浮头法兰设计现状
浮头法兰的设计通常应用 SW6 软件进行计 算 。老版 SW6 软件在浮头法兰设计中存在经常 发生死循环的问题〔1〕,使设计难于进行 。
新版 (98 版) SW6 软件进行了改造 ,可免于死 循环的发生 ,可以设计出一定的结果〔2〕。因为浮 头法兰需经受管程设计压力 ( pt) 和壳程设计压力 ( ps) 两种工况 ,所以软件中分别按两种工况进行 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
t P
=
( FDt LD +
FtTL T +
FtGL G)
-
Ftr L r 。所以增大 L r 则可平衡掉较多的由 FDt 等产
生的力矩 ,从而使法兰所受净力矩 ( MtP) 减小 ,故
对法兰设计有利
,即
Lr
↑可使
M
t P
↓。
相反在 ps (正压) 作用下 ,作用于法兰上的两
个方向的力矩 ,由 FrsL r 产生的力矩值一般大于由
受的净力矩 ,如图 2 所示 。否则也会因两部分力
矩相叠加 ,导致法兰力矩大增 ,对设计不利 。
需要明确的是 : 在 pt (正压) 作用时 ,作用于
法兰上的两个方向的力矩 ,由 FDt , FtG , FtT 产生的
力矩的绝对值一般大于由 FtrL r 产生的反向力矩 ,
即法 兰 净 力 矩
M
图 3 法兰力矩随 Lr 的变化图
因此 ,L r 应使法兰在 pt 和 ps 两种工况作用 下所形成的法兰力矩相接近 (当 ps = pt 时 ,应使 Mp 相等) 较为合理 。若同时顾及到 ps , pt 尚对法 兰产生环向薄膜应力的作用 (上述 MP 产生弯曲 应力) ,则对 L r 的合理取值以使法兰在 ps 和 pt 两 种操作工况下的法兰计算厚度 (δf) 趋于相同值时 最为合适 ,即使 δftp =δfsp 。
FDt = 01785 D2i pt FtG ———管程压力 pt 作用下的 FG ,N ;
FtG = 2πD G bmpt
FtT ———管程压力 pt 作用下的 FT ,N ;
FtT = 01785 ( D2G - D2i ) pt Ftr ———由管程压力 pt 作用引起的 Fr ,N ;
Ftr = FDs tan - 1β1
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 ,其位置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) 。此 外该种法兰的厚度尚受结构要求的限制 。总之 , 设计时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”。
前述符号说明 : ps ———换热器壳程设计压力 ,MPa ; pt ———换热器管程设计压力 ,MPa ; l ———封头焊入法兰的深度 (见图 1) ,mm ; Fr ———由作用在法兰内侧的封头薄膜应力引
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法兰厚度回代到另一工况进行校核计算时 ,可能 出现强度尚不能满足要求的情况 。其原因是随着 法兰厚度的加厚 ,当封头焊入法兰的深度 ( l) 保持 不变时 ,由于封头水平力 Fr 对法兰形心的作用力 臂 L r 也随之增大 ,故使 FrL r 增加 ,导致法兰力矩 Mp 增大 ,使法兰的计算厚度需进一步加厚 。因此 现行 SW6〔3〕软件在浮头法兰的设计上存在不安全 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 。
关键词 :浮头式换热器 ;浮头法兰 ;设计原理 ;设计方法 中图分类号 :TE969 文献标识码 :B 文章编号 :100628805 (2002) 0420004206
Hale Waihona Puke Baidu
1 前言 浮头式换热器的浮头法兰设计是一项费事的
工作 。浮头法兰设计主要是法兰厚度的设计存在 困难 。通常需在假设厚度的基础上经反复叠代试 算才能完成 。
- L G) ] ,此式中唯有 L r 为变量 ,其他均属常量 。
并且 L r 与 δfsp间存在 L r 增大则 δfsp增大的单调变
化关系 。
为便于分析 ,令 δftp = δfsp ,即 Ft + F2t + J t =
Fs + F2s + J s ,并代入相应各量的计算式并经数 学整理可化解得到以下以 L r 为自变量 ,以 δfsp = δftp为目标的一元二次代数方程 ,求解该方程则可
图 2 ps 作用时法兰受力示意图
在 ps 作用时 ,作用于法兰上的力 FDs , FsT 对 法兰产生的力矩方向是顺时针的 ,为了减小法兰 所受力矩 ,也应将 Frs 作用位置设于法兰形心之上 方 ,此 力 产 生 的 力 矩 FrsL r 方 向 为 逆 时 针 , 可 与 FDs , FsT 产生的力矩抵消一部分 ,从而减小法兰所
度 ,mm ; δftp ———浮头法兰在 pt 作用下的强度计算厚
度 ,mm。
312 最佳 L r 的确定 为实现以上目的 ,对 pt 作用工况 ,根据内压
法兰厚度 δfp的计算式 ,可将 δftp表达成以 L r 为自
变量的函数 ,即 δftp = Ft + F2t J t 。其中 Ft 视为
解得法兰在操作力矩作用下 ( ps , pt 两工况) 使法 兰设计厚度趋于最小值时的 L r 。
该方程及解为 :
aL
2 r
+
bL r
对于 ps 作用工况 ,根据外压法兰 δfp 的计算 式 ,也可将 δfsp 表达成以 L r 为自变量的函数 , 即
δfsp = Fs + F2s J s 。其中 Fs 可视为常量 ,而 J s =
Mps ( D + [σ]ft Di ( D
Di) - Di)
。
其中的 Mps = FrsL r - [ FDs ( LD - L G) + FsT ( L T
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第 23 卷第 4 期 桑如苞. 浮头法兰的合理设计
·5 ·
FsT ———壳程压力 ps 作用下的 FT ,N ;
FsT = 01785 ( D2G - D2i ) ps Mps ———ps 作用下的法兰操作力矩 ,N·mm ;
Mps = FrsL r - [ FDS ( LD - L G) + FsT ( L T - L G) ] Mpt ———pt 作用下的法兰操作力矩 ,N·mm ; Mpt = ( FDt LD + FtTL T + FtGL G) - Ftr L r δf ———浮头法兰厚度 ,mm ; δfsp ———浮头法兰在 ps 作用下的强度计算厚