北京市艾思弗計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)有限責(zé)任公司Beijing AECsoft Engineering Software Co.,LtdASME法蘭計(jì)算之螺栓調(diào)整李振武010-58815851- 北京市艾思弗計(jì)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(xiāo)售及工程技術(shù)服務(wù)的專(zhuān)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)TANKAPI650，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(jì)算之螺栓今天的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)內(nèi)容：1. 法蘭及法蘭失效基本原理2. 法蘭強(qiáng)度計(jì)算方法Waters法介紹3. ASME VIII-1法蘭計(jì)算步驟4. 法蘭計(jì)算中螺栓的作用與調(diào)整5. 討論環(huán)節(jié) 法蘭簡(jiǎn)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(gè)法蘭組件由三個(gè)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)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(lái)提供壓緊力當(dāng)內(nèi)壓加載時(shí)，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?cè)俜糯罂匆幌路ㄌm組件在內(nèi)壓的作用下，法蘭會(huì)繞螺栓旋轉(zhuǎn)，如果轉(zhuǎn)角過(guò)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(guò)大就有可能使墊片脫離密封面，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(duì)于法蘭塔中的法蘭，不僅受到內(nèi)壓的作用同時(shí)，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(dòng)，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(dòng)，發(fā)生泄漏 法蘭的計(jì)算那么，如何避免法蘭泄漏?這涉及到法蘭的密封性計(jì)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(jì)算遠(yuǎn)較強(qiáng)度計(jì)算復(fù)雜，所以依據(jù)密封性的法蘭計(jì)算甚為困難，為此多少年來(lái)法蘭設(shè)計(jì)還是以強(qiáng)度計(jì)算為基礎(chǔ)的。當(dāng)然強(qiáng)度計(jì)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(duì)法蘭控制一定的應(yīng)力，使之保持在彈性范圍內(nèi)，則實(shí)際上也就對(duì)法蘭的變形加以了限制。 法蘭強(qiáng)度計(jì)算 1937年Waters法今天70多年 法蘭的強(qiáng)度計(jì)算方法那么，強(qiáng)度計(jì)算選用什么方法？是國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的強(qiáng)度計(jì)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(zhǎng)期廣泛實(shí)踐考驗(yàn)ASME VIII-1標(biāo)準(zhǔn)中的法蘭計(jì)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(gè)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法將法蘭假設(shè)為三個(gè)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(shí)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(duì)于長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭是合理的然而，對(duì)于平焊法蘭頸部厚度即為與法蘭對(duì)接的圓筒的厚度，此厚度按內(nèi)壓圓筒計(jì)算這使Waters法允許的法蘭軸向力較大，雖不致法蘭破壞但會(huì)使法蘭撓度值過(guò)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(jì)算時(shí)，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(shí)軸向薄膜應(yīng)力為0.5倍許用應(yīng)力，已非小量而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(jì)算ASME VIII-1 補(bǔ)充提出了法蘭剛度計(jì)算的要求ASME規(guī)定，對(duì)于整體法蘭和按整體法蘭設(shè)計(jì)的任意式法蘭，應(yīng)滿足：對(duì)公式進(jìn)行考證可知對(duì)于剛度的控制，實(shí)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(lái)看一下ASME規(guī)范的法蘭計(jì)算過(guò)程 1.052.14VM 02J ASME法蘭計(jì)算步驟選取墊片選取螺栓計(jì)算法蘭受力計(jì)算法蘭所受力矩操作工況預(yù)緊工況 計(jì)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/Lg12BSR=(1.33te+1)M0/Lt2BST=YM0/t2B-ZSRSH=0SR=0ST=YM0/t2B應(yīng)力評(píng)定剛度評(píng)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(shí)際螺栓面積，AbAmHD=0.785B2PHT=H-HD=0.785G2P-0.785B2PH G=2b3.14GmPHD=0HT=0HG=（Am+Ab）Sa/2 ASME法蘭計(jì)算步驟由上圖可以看出法蘭主要計(jì)算的是由彎矩引起的應(yīng)力的評(píng)定和剛度評(píng)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(huì)主要討論螺栓對(duì)法蘭計(jì)算的影響那么探討影響法蘭設(shè)計(jì)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(gè)方面著手。 螺栓對(duì)法蘭計(jì)算的影響下面我們將討論關(guān)于螺栓的三個(gè)問(wèn)題1. 螺栓的選取2. 螺栓對(duì)法蘭計(jì)算的影響3. 如何調(diào)整螺栓來(lái)優(yōu)化法蘭設(shè)計(jì) 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(jì)算步驟中的螺栓選取過(guò)程就是運(yùn)用了這個(gè)原理 1h R g hG 螺栓對(duì)法蘭計(jì)算的影響根據(jù)前面的計(jì)算步驟22C GhT GhD R 0.5g1 螺栓對(duì)法蘭計(jì)算的影響根據(jù)前面的計(jì)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(jì)螺栓的調(diào)節(jié)法蘭的設(shè)計(jì)中螺栓的優(yōu)化有兩個(gè)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(guò)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(zhuān)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)化空間較小我們通常通過(guò)減小螺栓圓直徑的方法來(lái)優(yōu)化法蘭設(shè)計(jì) 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(gè)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù) 優(yōu)化法蘭設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)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(shuō)明螺栓的許用應(yīng)力隨溫度的升高減小過(guò)快可以選擇在設(shè)計(jì)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(guò)大，可以通過(guò)調(diào)整螺栓直徑和數(shù)量來(lái)進(jìn)行調(diào)整，以得到較小的螺栓中心圓 提問(wèn)環(huán)節(jié) 謝謝大家的參與下次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)話題:G OST標(biāo)準(zhǔn)介紹及PASSAT軟件建模計(jì)算