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        內(nèi)壓及外載荷作用下的法蘭計(jì)算方法介紹

        2020-08-08 03:35:32陸征崔秀君青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司山東青島266000
        化工管理 2020年21期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)壓當(dāng)量計(jì)算方法

        陸征 崔秀君(青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司,山東 青島 266000)

        1 緒論

        完整的設(shè)備設(shè)計(jì)條件通常會(huì)包含管道載荷,該值一般由管道專業(yè)提供。在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí),通常會(huì)用該載荷校核接管與殼體間的局部應(yīng)力,以此防止接管與殼體連接部位的失效。然而,是否應(yīng)該將該載荷同樣應(yīng)用于法蘭計(jì)算,可能是存在疑問(wèn)的:

        (1)法蘭規(guī)格(標(biāo)準(zhǔn)法蘭)通常由管道給出,可能已經(jīng)過(guò)了配管設(shè)計(jì)可以滿足管道連接。

        (2)管道選用的標(biāo)準(zhǔn)法蘭本身具備一定的承受外載荷的能力。

        (3)所提供的管道載荷可能是個(gè)前期預(yù)估的保守值,若以此條件設(shè)計(jì)法蘭,需要的法蘭會(huì)遠(yuǎn)大于配對(duì)法蘭。

        與此同時(shí),考慮到法蘭的失效形式,通常是泄露失效。要保證法蘭不會(huì)泄露,必須要保證墊片上存在一定的壓緊力(強(qiáng)制密封法蘭),因此,螺栓及法蘭的設(shè)計(jì)時(shí)就必須要考慮到會(huì)導(dǎo)致墊片壓緊力減小的各種情況,其中最主要的就是內(nèi)壓力(抵消部分螺栓上緊力)和外載荷(抵消部分螺栓上緊力,并且使得各螺栓力不再均衡)的影響。

        因此,內(nèi)壓及外載荷作用下的法蘭計(jì)算方法同樣是需要討論的課題。

        2 現(xiàn)行計(jì)算方法

        2.1 現(xiàn)行計(jì)算方法介紹

        目前,我國(guó)對(duì)法蘭承受外載荷的情況主要由以下幾處要求:

        (1)HG/T 20582—2011 中指出,法蘭除承受內(nèi)壓外,還承受較大的軸向力和外力矩(如立式設(shè)備的質(zhì)量、風(fēng)載荷、地震載荷或管道引起的力和力矩等),這時(shí)僅按內(nèi)壓來(lái)設(shè)計(jì)或選用法蘭是不安全的,應(yīng)按如下公式計(jì)算當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力

        (2)NB/T 47041—2014 中規(guī)定:塔殼各段采用法蘭連接時(shí),法蘭應(yīng)同時(shí)考慮內(nèi)壓,軸向力和外力矩的作用,其當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力按下式計(jì)算

        以上兩處內(nèi)容的表述大致相同,其對(duì)外載荷均是引入了“當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力”的概念,且其計(jì)算方法相同。目前壓力容器設(shè)計(jì)中廣泛使用的計(jì)算軟件SW6 中對(duì)法蘭外載荷的處理也是采用了上述處理方法。

        2.2 當(dāng)量壓力計(jì)算的適用范圍

        HG 20582—2011《編制說(shuō)明》中明確指出:

        (1)該方法主要推薦用于標(biāo)準(zhǔn)法蘭的選用;

        (2)此方法明確僅限于平墊密封的法蘭,不用于其他形式密封的法蘭。

        故,該當(dāng)量壓力計(jì)算方法并非適用于所有密封面形式,且該方法用于法蘭設(shè)計(jì)計(jì)算可能是不完全合適的。NB/T 47040-2014 中公式則不區(qū)分法蘭密封面形式,但大部分設(shè)備法蘭都是以平墊密封為主。

        2.3 當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力公式的推導(dǎo)

        法蘭的當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力計(jì)算公式中由3 部分組成即:

        (1)設(shè)計(jì)內(nèi)壓P。

        (2)軸向力F 產(chǎn)生的當(dāng)量應(yīng)力PF。

        將軸向力F 等效為DG范圍內(nèi)的內(nèi)壓,即:

        (3)外力矩M 產(chǎn)生的當(dāng)量應(yīng)力PM。

        其中,b 為墊片寬度。

        將作用于墊片區(qū)域的應(yīng)力引起的軸向力等效為內(nèi)壓引起的軸向力,即:

        綜合以上三項(xiàng),得當(dāng)量計(jì)算壓力的計(jì)算公式為:

        3 ASME中對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)法蘭選配的規(guī)定介紹

        新版ASME Ⅷ-DIV2 2019 中4.16.12 條規(guī)定,對(duì)于承受外力和外力矩的標(biāo)準(zhǔn)法蘭選配應(yīng)符合下式要求:

        其中PR 為標(biāo)準(zhǔn)法蘭對(duì)應(yīng)材料類別、溫度、等級(jí)下的最高許用工作壓力,F(xiàn)M 為力矩系數(shù),按照table 4.16.12 查取,對(duì)與符合ASME B16.5 的管法蘭,一般取0.3-1.2。

        將上式變形后可得:

        該不等式左側(cè)與上節(jié)中當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力的計(jì)算公式一致,右側(cè)相當(dāng)于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)法蘭的最高允許工作壓力放大了0.3-1.2 倍。

        由此可見,該要求無(wú)疑放大了標(biāo)準(zhǔn)法蘭可承受的外載荷的能力,相比于上節(jié)中的計(jì)算方法更為經(jīng)濟(jì)。

        4 法蘭計(jì)算方法的比較

        設(shè)備設(shè)計(jì)中,往往可以選擇標(biāo)準(zhǔn)法蘭而不必進(jìn)行法蘭計(jì)算。而實(shí)際設(shè)計(jì)中也會(huì)遇到標(biāo)準(zhǔn)法蘭不適用,需要通過(guò)計(jì)算確定法蘭尺寸的情況,而此時(shí)需要按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行法蘭校核計(jì)算。

        GB150 中的法蘭計(jì)算方法并不包法蘭承受外力和外力矩的情況,對(duì)于該情況的法蘭,只能先計(jì)算法蘭當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力,而后進(jìn)行法蘭強(qiáng)度計(jì)算。

        ASME 標(biāo)準(zhǔn)中法蘭計(jì)算方法同GB150 類似,同時(shí)是采用經(jīng)典的Waters 法蘭計(jì)算方法。不同的是,ASME Ⅷ-2 2019 中給出的計(jì)算公式中,包含了有外力和外力矩的情況下,法蘭螺栓及法蘭力矩的計(jì)算方法。

        所需要的最小螺栓面積如下:

        考慮外力和外力矩后,法蘭力矩按下式計(jì)算

        經(jīng)實(shí)際計(jì)算發(fā)現(xiàn),從法蘭計(jì)算到法蘭選用,到法蘭強(qiáng)度計(jì)算,ASME Ⅷ-2 2019 都顯得更為經(jīng)濟(jì),適用范圍更廣。

        5 結(jié)語(yǔ)

        經(jīng)過(guò)上述對(duì)比分析,我們發(fā)現(xiàn)ASME Ⅷ-2 2019 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)法蘭選配到非標(biāo)法蘭計(jì)算,均顯得更為經(jīng)濟(jì),對(duì)以后的法蘭設(shè)計(jì),有以下借鑒意義:

        (1)對(duì)于平墊密封法蘭,需要按照HG/T20582 的要求計(jì)算法蘭當(dāng)量計(jì)算壓力,然后選擇合適的法蘭;對(duì)于非平墊密封法蘭,按ASME Ⅷ-2 2019 中4.16.12 確定有外載荷時(shí)法蘭的最高允許工作壓力(相當(dāng)于把最高允許工作壓力提高FM倍)。

        (2)非平墊密封的非標(biāo)法蘭設(shè)計(jì),可以按ASME Ⅷ-2 2019中4.16 的方式處理外載荷對(duì)螺栓和法蘭力矩的影響。以此來(lái)計(jì)算合適的螺栓面積,活的合理的法蘭尺寸。

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