巢孟科

（上海核工程研究設(shè)計院)

壓力容器

核3級壓縮空氣儲罐人孔法蘭計算

巢孟科*

（上海核工程研究設(shè)計院)

根據(jù)ASME規(guī)范，利用Excel和VBA的功能，對典型的核3級壓縮空氣儲罐人孔法蘭進行編程計算。通過公式法求得所需的法蘭系數(shù)，使得法蘭計算更為準確。

壓縮空氣儲罐 人孔法蘭 墊片 螺栓載荷 模塊 力矩 ASME規(guī)范

眾所周知，法蘭在整個設(shè)備中起著非常重要的作用，在承壓容器中尤為突出。一旦法蘭的強度和剛度得不到滿足而產(chǎn)生失效，所導(dǎo)致的后果不堪設(shè)想。法蘭計算一直是容器設(shè)備設(shè)計計算中相對繁瑣的工作，需要解決預(yù)緊力計算、密封分析、應(yīng)力校核三個主要問題[1]。在一次計算通不過的前提下，需要對結(jié)構(gòu)尺寸、校核應(yīng)力等進行重新調(diào)整，直至計算通過。對于優(yōu)化設(shè)計同樣如此。為了簡化計算，本文介紹了典型的核3級壓縮空氣儲罐中人孔法蘭的計算方法。利用Excel及VBA[2]的功能，編制法蘭計算程序，將法蘭計算所需的參數(shù)、計算公式以及最終結(jié)果進行關(guān)聯(lián)，可大大降低計算的復(fù)雜度。

1 計算準備

壓縮空氣儲罐主要用于儲存壓縮空氣分配系統(tǒng)中的儀表用壓縮空氣，其外形見圖1。人孔部件包括法蘭、墊片、法蘭蓋、螺柱和螺母，見圖2。

參照ASME-Ⅲ-1-強制性附錄Ⅺ[3]有關(guān)法蘭計算的內(nèi)容，編制核3級壓縮空氣儲罐人孔法蘭的計算過程，并形成計算程序。這一方法的特點在于只需輸入一些關(guān)鍵參數(shù)即可得到最終結(jié)果，從而大大減少了計算時間，提高了工作效率。以下列出法蘭計算所需的一些關(guān)鍵參數(shù)。由于法蘭類型為整體法蘭，故尺寸定位如圖3所示。

圖3所示的結(jié)構(gòu)參數(shù)是法蘭計算所需的關(guān)鍵參數(shù)，各參數(shù)的含意如下所述：

P——設(shè)計壓力，MPa；

A——法蘭外徑，mm；

B——法蘭內(nèi)徑，mm；

C——螺栓圓直徑，mm；

n——螺栓數(shù)量；

g0——法蘭頸小端厚度，mm；

g1——法蘭頸大端厚度，mm；

圖1 壓縮空氣儲罐

圖2 人孔法蘭布置

圖3 法蘭結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

t——法蘭厚度，mm；

h——法蘭頸長度，mm；

h0——系數(shù)，；

K——法蘭外徑與法蘭內(nèi)徑的比值，K=A/B。

2 計算步驟

2.1 模塊1——墊片計算模塊

利用Taylor-Waters法[4]，基于墊片系數(shù)m和最小設(shè)計壓緊應(yīng)力y的兩個墊片系數(shù)，以強度為主要準則，進行應(yīng)力校核計算。m和y值根據(jù)墊片尺寸和材料，由ASME-Ⅲ-1-強制性附錄Ⅺ中表Ⅺ-3221.1-1中查得。根據(jù)ASME-Ⅲ-1-強制性附錄Ⅺ中表Ⅺ-3221.1-2的圖示，結(jié)合設(shè)備密封結(jié)構(gòu)和墊片尺寸可以得出墊片可能接觸的寬度N和法蘭面與壓緊墊片間的接觸寬度w。模塊1主要是用于計算墊片壓緊有效寬度b（mm）以及墊片載荷反作用力處的直徑G（mm）的模塊。計算所需的參數(shù)墊片高度T、墊片接觸面內(nèi)徑D墊內(nèi)、墊片接觸面外徑D墊外的尺寸定位如圖4所示，其計算流程見圖5。其中，b0為墊片基本密封寬度。

圖4 墊片高度和接觸面內(nèi)、外徑示意圖

圖5 墊片計算流程

2.2 模塊2——螺栓載荷計算模塊

根據(jù)模塊1的計算結(jié)果，運行模塊2，得到設(shè)計工況下的法蘭設(shè)計螺栓載荷及墊片壓緊工況下的法蘭設(shè)計螺栓載荷，其計算流程見圖6。其中，螺栓的螺紋根部直徑db根據(jù)螺紋公稱直徑，查《機械設(shè)計手冊》第二卷[5]1.3節(jié)普通螺紋的表5-1-3，取螺紋小徑值。

螺栓載荷計算所需的關(guān)鍵參數(shù)如下所述：

ST1——常溫下螺栓材料最小抗拉強度，MPa；

SY1——常溫下螺栓材料最小屈服強度，MPa；

ST1t——設(shè)計溫度下螺栓材料的最小抗拉強度，MPa；

圖6 螺栓載荷計算流程

Wm1——設(shè)計工況下的螺栓載荷，MPa；

Wm2——墊片壓緊工況下的螺栓載荷，MPa；

Sa——常溫下螺栓許用應(yīng)力，MPa；

Sb——設(shè)計溫度下螺栓許用應(yīng)力，MPa；

Ab——螺栓螺紋根部實際總橫截面積，mm2；

Am1——設(shè)計工況下所需的螺栓根部或承受應(yīng)力的最小直徑截面的總橫截面積，mm2；

Am2——墊片壓緊情況下所需的螺栓螺紋根部或承受應(yīng)力的最小直徑截面的總橫截面積，mm2；

Am——螺栓所需的總橫截面積，mm2；

W1——設(shè)計工況下的法蘭設(shè)計螺栓載荷，N；

W2——墊片壓緊工況下的法蘭設(shè)計螺栓載荷，N。

2.3 模塊3——法蘭力臂計算模塊

模塊3是用于法蘭力臂計算的模塊，其計算流程如圖7所示。法蘭力臂計算所需的關(guān)鍵參數(shù)如下所述：

R——螺栓圓至法蘭背面與頸部交點的徑向距離，mm；

hD——螺栓圓至HD作用圓之間的徑向距離，mm；

hG——墊片載荷反作用力處至螺栓圓之間的徑向距離，mm；

hT——螺栓圓至HT作用圓之間的徑向距離，mm。

圖7 法蘭力臂計算流程

2.4 模塊4——法蘭力矩計算模塊

模塊4是用于法蘭力矩計算的模塊，分別計算設(shè)計工況下的法蘭力矩M01及墊片壓緊工況下的法蘭力矩M02，其計算流程如圖8所示。各參數(shù)如下：

圖8 法蘭力矩計算流程

H——流體靜壓端部力，N；

1、操作電源的原因。當(dāng)操作機構(gòu)對回路進行控制，受到熔絲熔斷無直流電源的影響，操作機構(gòu)無法實現(xiàn)分閘，還會受到直流電源與電壓的影響，會低于分閘線圈使用范圍，導(dǎo)致分閘時有動作，卻根本不能順利實現(xiàn)分閘。

HD——作用在法蘭內(nèi)徑面積上的流體靜壓端部力，N；

HG——設(shè)計工況下墊片載荷（法蘭設(shè)計螺栓載荷和總的流體靜壓端部力之差），N；

HT——總的流體靜壓端部力和作用在法蘭內(nèi)徑面積上的流體靜壓端部力之差，N；

MD——由HD產(chǎn)生的力矩分量，N·mm；

MG——由HG產(chǎn)生的力矩分量，N·mm；

MT——由HT產(chǎn)生的力矩分量，N·mm。

2.5 模塊5——法蘭系數(shù)模塊

對于法蘭系數(shù)值的計算，ASME提供了兩種方法：圖表和公式。為了方便，我們過去習(xí)慣于查圖表得到數(shù)據(jù)，但這樣存在人為因素造成的偏差。國外通常都采用規(guī)范中提供的公式進行計算，這樣不僅計算值準確，也提高了編制、校核、審核工作的效率。為此，對繁瑣的公式進行函數(shù)關(guān)聯(lián)，就能達到其重復(fù)利用的效果。

根據(jù)ASME-Ⅲ-1-強制性附錄Ⅺ中表Ⅺ-3240-1法蘭系數(shù)的公式，利用編程進行計算，輸入值后即可得到法蘭系數(shù)F和V以及頸部應(yīng)力修正系數(shù)f，其他系數(shù)的計算也是如此。

2.6 模塊6——設(shè)計工況應(yīng)力校核模塊

模塊6是用于設(shè)計工況應(yīng)力校核的模塊，詳見圖9所示。設(shè)計工況應(yīng)力校核所需的關(guān)鍵參數(shù)如下所述：

圖9 設(shè)計工況應(yīng)力校核流程

ST2——常溫下法蘭材料最小抗拉強度，MPa；

SY2——常溫下法蘭材料最小屈服強度，MPa；

ST2t——設(shè)計溫度下法蘭材料的最小抗拉強度, MPa;

SY2t——設(shè)計溫度下法蘭材料的最小屈服強度, MPa;

ST3——常溫下相鄰材料的最小抗拉強度,MPa；

SY3——常溫下相鄰材料最小屈服強度，MPa；

ST3t——設(shè)計溫度下相鄰材料的最小抗拉強度，MPa；

SY3t——設(shè)計溫度下相鄰材料的最小屈服強度，MPa;

M0——法蘭力矩，取設(shè)計工況下法蘭力矩M01，N·mm；

SH1——法蘭頸部軸向應(yīng)力，MPa；

SR1——法蘭徑向應(yīng)力，MPa；

ST1——法蘭切向應(yīng)力，MPa；

Sf1——設(shè)計溫度下法蘭材料的許用應(yīng)力，MPa；

Sn1——設(shè)計溫度下相鄰材料的許用應(yīng)力，MPa。

2.7 模塊7——墊片壓緊工況應(yīng)力校核模塊

模塊7是用于墊片壓緊工況應(yīng)力校核的模塊，詳見圖10所示。

圖10 墊片壓緊工況應(yīng)力校核流程

將上述法蘭各部分計算在程序中進行合并，得出簡單的“輸入關(guān)鍵參數(shù)—最終輸出結(jié)果”的對應(yīng)關(guān)系，如圖11所示。

圖11 法蘭計算流程簡化圖

在模塊7的計算中，墊片壓緊工況應(yīng)力校核所需的關(guān)鍵參數(shù)如下所述：

ST2——常溫下法蘭材料的最小抗拉強度，MPa；

SY2——常溫下法蘭材料的最小屈服強度，MPa；

ST3——常溫下相鄰材料最小抗拉強度，MPa；

SY3——常溫下相鄰材料最小屈服強度，MPa；

M0'——法蘭力矩，取墊片壓緊工況下的法蘭力矩M02，N·mm；

SH1——法蘭頸部軸向應(yīng)力，MPa;

SR1——法蘭徑向應(yīng)力，MPa;

ST1——法蘭切向應(yīng)力，MPa;

Sf1——設(shè)計溫度下法蘭材料許用應(yīng)力，MPa;

Sn1——設(shè)計溫度下相鄰材料許用應(yīng)力，MPa。

3 總結(jié)

本文根據(jù)ASME規(guī)范，利用Excel和VBA的功能，對典型的核3級壓縮空氣儲罐人孔法蘭進行編程計算。通過編程對各步驟所需計算的參數(shù)進行函數(shù)關(guān)聯(lián)，在確保輸入準確無誤的前提下，只需人工輸入關(guān)鍵參數(shù)就可得到最終結(jié)果。這樣的計算方式達到了簡化計算、提高工作效率的目的。尤其在法蘭系數(shù)的計算中，采用公式法代替圖表法更提高了計算值的準確度和計算的自動化程度。

[1]蔡暖姝.法蘭計算方法和墊片性能參數(shù)[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2014，35(2):57.

[2]劉增杰,王英英.Excel 2010 VBA入門與實戰(zhàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[3]The American Society of Mechanical Engineers.Boiler& Pressure Vessel Code[S].2007.

[4]應(yīng)道宴,蔡暖姝,蔡仁良.螺栓法蘭接頭安全密封技術(shù)（三）——法蘭的設(shè)計選用及其承載能力評估[J].化工設(shè)備與管道,2012，49(6)：1－10.

[5]成大先.機械設(shè)計手冊[M].第5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

國內(nèi)首臺大直徑聚乙烯離心機研制成功

中國石油天然氣集團公司2016年6月29日宣布，由東北煉化工程公司吉林機械分公司研發(fā)的國內(nèi)首臺大直徑聚乙烯離心機設(shè)備通過中國石油科技部驗收，各項指標(biāo)達到國際先進水平。

這種型號為LWF-1000的聚乙烯離心機，轉(zhuǎn)鼓直徑為1000 mm，長度與直徑比為2.5，是目前國內(nèi)首臺大直徑、大長徑比聚乙烯離心機。吉林機械分公司在研制中，全面進行技術(shù)優(yōu)化，成功地制造出LWF-1000聚乙烯離心機，并擁有5項創(chuàng)新、4項專利。

LWF-1000聚乙烯離心機首次修正了傳統(tǒng)的離心機離心分離沉降模型，提出了“上浮臨界粒度”模型；首次應(yīng)用上浮臨界理論，利用專業(yè)軟件進行離心機流場分析；樣機設(shè)計在整體布局上全面優(yōu)化；在離心機設(shè)計基礎(chǔ)上，在國內(nèi)首創(chuàng)橇裝離心機測試平臺，可適用多物料種類分離性能測試；首次將自動化控制系統(tǒng)和實時監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用于離心機上。(錢伯章)

Calculating of Manhole Flange of Class 3 Compressed Air Tank

Chao Mengke

According to the ASME code,the procedure calculation of the manhole flange of the typical class 3 compressed air tank is carried out by applying the Excel and VBA.The flange calculation is more accurate when the flange coefficient is obtained from the formula manipulation.

Compressed air tank;Manhole flange;Gasket;Bolt load;Module;Moment;ASME code

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.08.010

2015-11-17)

*巢孟科，男，1986年生，碩士研究生，工程師。上海市，200233。