陸征 崔秀君(青島蘭石重型機械設(shè)備有限公司,山東 青島 266000)
完整的設(shè)備設(shè)計條件通常會包含管道載荷,該值一般由管道專業(yè)提供。在進行設(shè)計工作時,通常會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)用于法蘭計算,可能是存在疑問的:
(1)法蘭規(guī)格(標準法蘭)通常由管道給出,可能已經(jīng)過了配管設(shè)計可以滿足管道連接。
(2)管道選用的標準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前期預(yù)估的保守值,若以此條件設(shè)計法蘭,需要的法蘭會遠大于配對法蘭。
與此同時,考慮到法蘭的失效形式,通常是泄露失效。要保證法蘭不會泄露,必須要保證墊片上存在一定的壓緊力(強制密封法蘭),因此,螺栓及法蘭的設(shè)計時就必須要考慮到會導(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算方法同樣是需要討論的課題。
目前,我國對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),這時僅按內(nèi)壓來設(shè)計或選用法蘭是不安全的,應(yīng)按如下公式計算當量設(shè)計壓力
(2)NB/T 47041—2014 中規(guī)定:塔殼各段采用法蘭連接時,法蘭應(yīng)同時考慮內(nèi)壓,軸向力和外力矩的作用,其當量設(shè)計壓力按下式計算
以上兩處內(nèi)容的表述大致相同,其對外載荷均是引入了“當量設(shè)計壓力”的概念,且其計算方法相同。目前壓力容器設(shè)計中廣泛使用的計算軟件SW6 中對法蘭外載荷的處理也是采用了上述處理方法。
HG 20582—2011《編制說明》中明確指出:
(1)該方法主要推薦用于標準法蘭的選用;
(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,該當量壓力計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)計計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。
法蘭的當量設(shè)計壓力計算公式中由3 部分組成即:
(1)設(shè)計內(nèi)壓P。
(2)軸向力F 產(chǎn)生的當量應(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,得當量計算壓力的計算公式為:
新版ASME Ⅷ-DIV2 2019 中4.16.12 條規(guī)定,對于承受外力和外力矩的標準法蘭選配應(yīng)符合下式要求:
其中PR 為標準法蘭對應(yīng)材料類別、溫度、等級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)中當量設(shè)計壓力的計算公式一致,右側(cè)相當于對標準法蘭的最高允許工作壓力放大了0.3-1.2 倍。
由此可見,該要求無疑放大了標準法蘭可承受的外載荷的能力,相比于上節(jié)中的計算方法更為經(jīng)濟。
設(shè)備設(shè)計中,往往可以選擇標準法蘭而不必進行法蘭計算。而實際設(shè)計中也會遇到標準法蘭不適用,需要通過計算確定法蘭尺寸的情況,而此時需要按標準進行法蘭校核計算。
GB150 中的法蘭計算方法并不包法蘭承受外力和外力矩的情況,對于該情況的法蘭,只能先計算法蘭當量設(shè)計壓力,而后進行法蘭強度計算。
ASME 標準中法蘭計算方法同GB150 類似,同時是采用經(jīng)典的Waters 法蘭計算方法。不同的是,ASME Ⅷ-2 2019 中給出的計算公式中,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,法蘭力矩按下式計算
經(jīng)實際計算發(fā)現(xiàn),從法蘭計算到法蘭選用,到法蘭強度計算,ASME Ⅷ-2 2019 都顯得更為經(jīng)濟,適用范圍更廣。
經(jīng)過上述對比分析,我們發(fā)現(xiàn)ASME Ⅷ-2 2019 對標準法蘭選配到非標法蘭計算,均顯得更為經(jīng)濟,對以后的法蘭設(shè)計,有以下借鑒意義:
(1)對于平墊密封法蘭,需要按照HG/T20582 的要求計算法蘭當量計算壓力,然后選擇合適的法蘭;對于非平墊密封法蘭,按ASME Ⅷ-2 2019 中4.16.12 確定有外載荷時法蘭的最高允許工作壓力(相當于把最高允許工作壓力提高FM倍)。
(2)非平墊密封的非標法蘭設(shè)計,可以按ASME Ⅷ-2 2019中4.16 的方式處理外載荷對螺栓和法蘭力矩的影響。以此來計算合適的螺栓面積,活的合理的法蘭尺寸。