压力容器法兰设计分析

压力容器法兰设计分析
6-5-1 法兰设计概述
压力容器法兰分为窄面法兰和宽面法兰两大类型。

窄面法兰是指垫片接触面位于法兰螺栓孔包围的圆周范围内的法兰联接。

宽面法兰是指垫片接触面分布于法兰螺栓中心圆内外两侧的法兰联接。

一般仅用于压力很低的场合。

窄面法兰分为内压和外压两种设计情况。

外压法兰可按内压法兰进行设计，只是法兰操作力矩的计算略有不同。

窄面法兰按组成法兰的圆筒、法兰环及锥颈三部分的整体性程度分为三种型式。

1．活套法兰：指法兰未能有效地与容器或接管(即圆筒)连接成一整体的法兰。

计算中认为圆筒不与法兰环共同承受法兰力矩的作用。

法兰力矩完全由法兰环本身来承担。

2．整体法兰：指法兰环、颈部及圆筒三者能有效地连接成一整体结构的法兰，共同承受法兰力矩的作用。

3．任意式法兰：指整体性程度介于上述两者之间的法兰。

其圆筒与法兰环虽未形成一整体结构，但能作为一个结构元件，共同承担法兰力矩的作用。

窄面法兰在计算上仅分两种方法，即活套法兰与整体法兰。

任意法兰一般应按整体法兰设计，在一定条件下可简化为按活套法兰计算。

活套法兰的计算较为简单，法兰厚度可一次算出。

整体法兰的设计须以试算法进行。

法兰联接设计分为三部分：垫片设计、螺栓设计和法兰本体设计。

1．垫片设计：这是整体联接设计的基础，应根据设计条件和使用介质，选定适当的垫片种类、材质、并确定垫片的尺寸(内径、外径)，以此计算出在预紧和操作两种状态下的压紧力。

2．螺栓设计：在选用适当的螺栓材料的基础上，根据垫片所须的压紧力分别计算螺栓面积，并以大者作为计算面积。

实际配置的螺栓面积应不小于该面积。

螺栓设计的关键是须确定一尽可能小的螺栓中心圆直径。

具体作法是通过试选合适的螺栓规格和数量来进行。

3．法兰设计：对整体法兰是须通过试算进行的。

即在假设法兰锥颈和法兰巧厚度的基础上计算祛兰力矩及各项法
兰应力。

当应力与相应的许用应力相差较大时，均须调整法兰锥颈或法兰环的尺寸，然后重复计算过程，各项法兰应力小于相应的许用应力，并相接近方为合适。

宽面法兰的计算，不分型式，均按“简支粱”的模型计算。

6-5-2活套法兰与整体法兰的分析比较
平焊法兰按活套法兰的计算中，由于不考虑组成法兰的圆筒和锥颈部分的存在，认为整个法兰力矩是由法兰环本身所承受，因此通常以为法兰环设计厚度较厚。

然而实际上，由计算对比表明：对于任意式法兰(平焊法兰)按整体法兰计算的法兰厚度有可能大于按活套法兰的计算厚度。

这是因为对于圆筒较薄，焊缝尺寸较小的甲型平焊法兰，实际上存在于其锥颈(焊缝)两端的轴向应力即是很高的。

按整体法兰计
算，为了使该应力降到许用应力之下，对圆筒厚度不变的情况，则往往需要较大的法兰厚度。

由此可见，按“活套法兰设计，其结果总是偏保守”的说法，未必完全正确。

从原则上讲，任意式法兰应按整体法兰计算。

按活套法兰的计算；由于忽略了存在焊缝锥颈上的高应力，因此这种算法是较粗略的。

为此，对任意式法兰按活套法兰的简化计算须规定限制条件。

6-5-3 甲型法兰与乙型法兰的分析比较
对于甲型平焊法兰，特别是当与其相连接的圆筒较薄时，由于在圆筒与法兰环的焊缝上存在着很高的轴向应力σH，为降低其应力，通常可采取两种处理办法：
(1)增加法兰厚度的作法(即采取甲型法兰的设计结构)。

由于法兰厚度对σH的作用并不明显，因此往往需要增加较大的法兰厚度才能使σH满足要求。

(2)采用直接增加圆筒和焊缝厚度的作法(即采取乙型法兰的设计结构)。

此法对降低σH有明显的效果。

计算表明：对某设计条件，由于将圆筒厚度由
5mm改为16mm后，法兰的强度厚度可由48mm降到30mm，充分体现了锥颈的作用。

因此，乙型法兰较甲型法兰有着较大的强度优势，为此乙型法兰的使用范围比甲型法兰扩大了许多。

6-5-4 乙型法兰与长颈法兰的分析比较
乙型法兰由于直接加大了圆筒及锥颈的尺寸，对降低σH 起着积极的作用。

但因一般σH的最大值往往发生于锥颈的小端(见左图)的截面上。

锥颈小端的σH与大端σH之比可由计算中的f系数看出。

一般f>1，而有的竟达到11．6。

为有效地降低此起控制作用的小端σH 更为直接的办法是“拉开”小端与大端的距离，即加长锥颈的长度h，使σH 在锥颈上有较大的衰减，从而使小端的σH降低到一定的程度。

以满足许用应力的要求。

对于平焊法兰对说，其锥颈长度h取决于焊缝高度；由于焊缝高度是很有限的，这就限制了较大地降低小端σH的可能。

而锻制法兰可具有较大的锥颈，从而有效地降低其小端的σH由设计表明：对某设计条件，由于采用长颈对焊型式
后，法兰厚度可由原200mm(乙型法兰型式)，降到125mm，大大地减少了法兰厚度。

因此，长颈对焊法兰比乙型法兰更具有明显的强度优势，故长颈法兰使用压力等级及直径系列范围可远大于乙型法
兰
6-5-5 锥颈及法兰环尺寸对法兰应力的影响及调整要领
锥颈及法兰环尺寸对法兰三项主要应力σH、σR、σT的影响关系较为复杂。

图左侧表示了锥颈尺寸(占δ1、h)对法兰三项应力的影响关系：
增加锥颈尺寸对降低σH有明显的作用，对σT影响较小，而对σR则起相反的作用。

图右侧表示了法兰环厚度δf对法兰三项应力的影响关系：增加法兰环厚度，对降低σHR有明显作用，对σH影响较小，而对σT响更小，且作用效果并不肯定。

上述影响关系可见：
当法兰设计中，σH过大或过小时，应采取调整锥颈尺寸的办法，且以δl·调整锥颈厚度。

锥颈高度h的调整，应尽可能使f=1为宜。

当法兰的σR过大或过小时，应采取调整法兰环厚度的办
法，且以δf·调整法兰厚度。

当法兰的σT不合适时，宜调整锥颈尺寸。

一般文献中推荐调整法兰厚度的作法，·往往会达不到预期的目的。

以上是根据法兰不同应力情况，分别调整“颈”和“环”的作法其出发点即是期望法兰能得到满应力的设计结果。

满应力设计是一种优化设计。

满应力的设计结果，由于其各项应力能分别与相应的许用应力相接近，即结构材料在各个方向的强度都能得到较充分的发挥，因此对一定的载荷情况，其设计具有结构紧凑、受力合理、重量轻、耗材少的优越性，从而达到降低生产成本的目的，体现明显的经济效益。

需指出的是：不遵循满应力设计的法兰与满应力设计结果相比较，两者相差可甚远。

就它们的体积或重量而言，可差一倍以至几倍，屡见不鲜。

因此法兰的优化设计具有明显的经济效益，详见《螺栓法兰联接的优化设计》、《压力容器法兰的合理设计原理与方法》，《化工设备设计》1987。

2期。

6-5-6 外压法兰与内压法兰的比较
外压法兰与其它设计条件相同的内压法兰相比较，其所需螺栓面积较小，法兰力矩较小，因此法兰厚度必然较薄。

因此，一般外压法兰按等同压力的内压法兰选用，其强度肯定是不成问题的。

且对压力不高的外压法兰，直接按其压力选用内压法兰也是可行的，不致造成较大的浪费。

6-5-7 宽面法兰与窄面法兰的分析比较
宽面法兰由于垫片沿法兰全宽度接触，压紧面积较大，特别在操作状态下所需的螺栓载荷远较窄面情况为大，所以所需螺栓面积较多。

对于相同的设计条件，宽面法兰所需螺栓面积可达窄面法兰的数倍，螺栓数量大为增加。

但由于宽面法兰的计算模型是将法兰沿宽度视作一简支梁考虑。

而窄面法兰是将法兰环作为沿圆周均布作用力矩的环板进行处理。

两者相比，宽面法兰的受力较好，因此法兰厚度就较小，当然它是以付出较多的螺栓为代价的。

宽面法兰虽然法兰厚度可以较薄，但所需螺栓太多，在压力较高的情况下，往往会发生螺栓布置困难或因螺栓中心圆直径太大，致使法兰径向尺寸极不紧凑。

同时，还因宽面法兰密封效果不甚可靠，因此其仅适用于压力较低，使用软垫片的场合。