以算例淺談夾持管板用成對(duì)法蘭中低壓側(cè)法蘭合理設(shè)計(jì)

丁金翔

(北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京市房山區(qū) 102502）

1 前言

夾持管板用成對(duì)法蘭連接（如圖一）是U形管式、浮頭式、填料函式換熱器固定端管板連接的常用形式，此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最為常見(jiàn)，適用于管、殼程介質(zhì)溫差較大，壓力差較大的情況，其密封效果和強(qiáng)度對(duì)換熱器的安全使用至關(guān)重要。對(duì)于夾持管板用成對(duì)法蘭中低壓側(cè)法蘭計(jì)算，現(xiàn)行SW6軟件計(jì)算方法采取直接選用高壓側(cè)法蘭的計(jì)算壓力作為低壓側(cè)法蘭的計(jì)算壓力進(jìn)行計(jì)算，這種處理方式，在多年工程實(shí)踐中的一般情況下都是偏安全的，但是一些少數(shù)特定的情況下，會(huì)出現(xiàn)不安全的情況，下面本文通過(guò)一算例進(jìn)行分析。

2 算例

圖1 夾持管板用成對(duì)法蘭連接結(jié)構(gòu)

某廠U型管式換熱器，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)下表1 、表2 、表3。針對(duì)下面的算例，為了分析，本文對(duì)夾持管板用成對(duì)法蘭中低壓側(cè)法蘭采取兩種計(jì)算方法，方法一：現(xiàn)行SW6軟件計(jì)算方法，低壓側(cè)法蘭的計(jì)算壓力取高壓側(cè)法蘭的計(jì)算壓力（即8.4 MPa），螺栓載荷取兩側(cè)螺栓載荷的高值，簡(jiǎn)稱SW6法；方法二：采用通過(guò)合理受力分析，即采用低壓側(cè)法蘭采取低壓側(cè)壓力（即5.8MPa)，計(jì)算方法采用GB /T 150.3-2011中7.5.2.3節(jié)注明方法，即“對(duì)于類似U形管式換熱器管板兩側(cè)成對(duì)法蘭的設(shè)計(jì)中，由于兩側(cè)的壓力和溫度及所用墊片可能不同，因此在螺栓的設(shè)計(jì)中應(yīng)兼顧兩側(cè)的條件，要求以較大的螺栓載荷和較高的溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)，且對(duì)法蘭設(shè)計(jì)力矩應(yīng)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算” 的計(jì)算方法。簡(jiǎn)稱分析法。計(jì)算結(jié)果部分見(jiàn)表4。（本文未注符號(hào)定義見(jiàn)GB 150.1～150.4-2011）

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 法蘭結(jié)構(gòu)尺寸

表3 螺柱墊片材料尺寸

表4 計(jì)算結(jié)果(力矩）

3 理論分析

從表4結(jié)果可以看出，在方法二壓力較低的情況下，法蘭設(shè)計(jì)力矩M = M 反而更大，此時(shí)用方法一(即現(xiàn)行SW6軟件計(jì)算方法)計(jì)算反而偏不安全了。那么出現(xiàn)此類情況的原因是什么呢，本文下面就就此進(jìn)行理論分析。

現(xiàn)行SW6軟件計(jì)算方法采取直接選用高壓側(cè)法蘭的計(jì)算壓力作為低壓側(cè)法蘭的計(jì)算壓力進(jìn)行計(jì)算，一般認(rèn)為是偏安全的，即用采用高壓側(cè)計(jì)算壓力得出設(shè)計(jì)力矩一般大于采用低壓側(cè)計(jì)算壓力得出設(shè)計(jì)力矩，這是個(gè)隱含的一個(gè)前提條件，但通過(guò)上述計(jì)算實(shí)例表明這可能需要某些條件下成立。首先我們假定采用高壓側(cè)計(jì)算壓力(現(xiàn)行SW6軟件計(jì)算方法)得出計(jì)算載荷力矩一定大于采用低壓側(cè)計(jì)算壓力得出計(jì)算載荷力矩大，由于這種情況發(fā)生在操作載荷控制下，故這里以操作載荷控制下的夾持管板用成對(duì)法蘭中低壓側(cè)法蘭的進(jìn)行計(jì)算分析。

由方法二，低壓側(cè)法蘭采用本側(cè)計(jì)算壓力（即低壓側(cè)計(jì)算壓力）計(jì)算時(shí)，螺栓設(shè)計(jì)載荷為：

同理方法一低壓側(cè)法蘭采用高壓側(cè)計(jì)算壓力計(jì)算時(shí)，螺栓設(shè)計(jì)載荷為：

WPL、WPH—W表示螺栓設(shè)計(jì)載荷N，下標(biāo)P表示操作狀態(tài)下的，下標(biāo)L表示用低壓側(cè)壓力計(jì)算，下標(biāo)H表示用高壓側(cè)壓力計(jì)算;

FDL、FDH—表示壓力引起的作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體軸向力，N；下標(biāo)L表示用低壓側(cè)壓力計(jì)算，下標(biāo)H表示用高壓側(cè)壓力計(jì)算;

FGL、FGH—表示法蘭墊片壓緊力，N；下標(biāo)L表示用低壓側(cè)壓力計(jì)算，下標(biāo)H表示用高壓側(cè)壓力計(jì)算;，

FTL、FTH—表示作用于墊片內(nèi)法蘭密封面上的流體壓力引起的軸向力，N；下標(biāo)L表示用低壓側(cè)壓力計(jì)算，下標(biāo)H表示用高壓側(cè)壓力計(jì)算;。

由于方法一(即現(xiàn)行SW6軟件計(jì)算方法)與方法二計(jì)算共同基礎(chǔ)是按GB /T 150.3-2011中7.5.2.3節(jié)注明方法，即螺栓的設(shè)計(jì)中應(yīng)兼顧兩側(cè)的條件，要求以較大的螺栓載荷為基礎(chǔ)對(duì)法蘭設(shè)計(jì)力矩進(jìn)行計(jì)算。故在操作載荷下控制下，兩種計(jì)算方法的螺栓載荷都是以高壓側(cè)操作狀態(tài)下螺栓設(shè)計(jì)載荷W高進(jìn)行計(jì)算的。(因?yàn)椴僮鳡顟B(tài)下螺栓設(shè)計(jì)載荷W高與壓力成正比，操作狀態(tài)下高壓側(cè)螺栓設(shè)計(jì)載荷W高大)。根據(jù)上面分析，無(wú)論低壓側(cè)采用高壓側(cè)壓力計(jì)算還是低壓側(cè)壓力計(jì)算，都等于高壓側(cè)法蘭操作狀態(tài)下螺栓設(shè)計(jì)載荷W高，即：

W高—這里表示高壓側(cè)法蘭操作狀態(tài)下螺栓設(shè)計(jì)載荷，無(wú)論低壓側(cè)采用高壓側(cè)壓力計(jì)算還是低壓側(cè)壓力計(jì)算，高壓側(cè)法蘭操作狀態(tài)下螺栓設(shè)計(jì)載荷都是一樣的，即高壓側(cè)螺栓設(shè)計(jì)載荷與低壓側(cè)螺栓設(shè)計(jì)載荷無(wú)關(guān)。

因此 FDH+FTH+FGH=FDL+FTL+FGL整理得：

則方法二低壓側(cè)法蘭采用本側(cè)計(jì)算壓力計(jì)算時(shí)，法蘭操作力矩為：

同理方法一低壓側(cè)法蘭采用高壓側(cè)計(jì)算壓力計(jì)算時(shí)，法蘭操作力矩為：

MPL、MPH—M表示力矩，N.mm，下標(biāo)P表示操作狀態(tài)下的，下標(biāo)L表示用低壓側(cè)壓力計(jì)算，下標(biāo)H表示用高壓側(cè)壓力計(jì)算；

LD—螺栓中心至FDL、FDH作用點(diǎn)的徑向距離，mm；

LG—螺栓中心至FGL、FGH作用點(diǎn)的徑向距離，mm；

LT—螺栓中心至FTL、FTH作用點(diǎn)的徑向距離，mm；

則（5）-（4）

根據(jù)假設(shè)ΔMP≥0 由于(FDH-FDL)≥0, FTH-FTL≥0,則保守考慮

對(duì)于整體法蘭和按整體法蘭計(jì)算的任意式法蘭，LD= LA+0.5δ 見(jiàn)表5故 LA+0.5δ1≥LG(9)

表5 法蘭力矩的力臂 (GB/T150.3-2011表7-4)

δ1—法蘭頸部大端厚度，mm；

LA—螺栓中心至法蘭頸部(或焊縫)與法蘭背面交點(diǎn)的徑向距離，mm

顯然公式(9)成立情況下，公式(10)自然成立。故

LA+0.5δ1≥LG是ΔMP≥0充分條件，另從實(shí)際設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看FG在法蘭設(shè)計(jì)中占比很大，故有必要(FDH-FDL)*( LD- LG)≥0,因此公式LA+0.5δ1≥LG作為ΔMP≥0判定條件，即對(duì)于整體法蘭和按整體法蘭計(jì)算的任意式法蘭滿足LA+0.5δ1≥LG時(shí)能夠保證用低壓側(cè)法蘭采用高壓側(cè)計(jì)算壓力得出設(shè)計(jì)力矩大等于采用低壓側(cè)計(jì)算壓力得出設(shè)計(jì)力矩。

可以證明對(duì)于松式法蘭和活套法蘭由于一般DG＞Di,自然滿足LD＞LT≥LG,故不存在問(wèn)題。

Db—螺栓中心圓直徑，mm；Di—法蘭或筒體端部結(jié)構(gòu)的內(nèi)直徑，mm；

DG—墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm；

由于LA+0.5δ1≥LG對(duì)于設(shè)計(jì)者不夠直觀，由LA+0.5δ1=(Db-Di)/2-0.5δ1

LG=(Db- DG)/2，一般DG= D外-2b，可變換成

DG≥Di+δ1即：

D外—墊片外徑，mm； b—墊片有效寬度，mm；

即公式(11) 作為設(shè)計(jì)者在法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的參考。

4 算例分析及討論

首先本算例出現(xiàn)的問(wèn)題表明法蘭及墊片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，可以驗(yàn)證，本算例中D外=928mm，Di=850mm，δ1=76mm, b=9.21mm,則顯然D ＜Di+2b+δ1，墊片外徑太小而法蘭頸部大端厚度δ1偏大，出現(xiàn)上述問(wèn)題也不足為奇了。

其次本算例說(shuō)明，合理法蘭強(qiáng)度計(jì)算是在合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的。對(duì)于設(shè)計(jì)來(lái)講，合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括墊片、法蘭和螺栓。就本文而言，由公式（9）看出主要應(yīng)降低LG, 降低LG,不僅可以降低操作力矩和預(yù)緊力矩，在特定情況下更能保證低壓側(cè)法蘭設(shè)計(jì)的安全，是夾持管板用成對(duì)法蘭中低壓側(cè)法蘭安全經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，降低LG的方法是法蘭螺栓圓直徑合理確定后，且墊片有效寬度一定時(shí)，盡量增大墊片內(nèi)外徑，由此增大墊片壓緊力作用中心圓直徑DG。在合理確定墊片壓緊力作用中心圓直徑DG之后，合理設(shè)計(jì)法蘭頸部大端厚度δ1。由于過(guò)大的法蘭頸部大端厚度δ1，會(huì)增加螺栓圓直徑，從而增加LG和LD，LT，使低壓側(cè)法蘭設(shè)計(jì)既不經(jīng)濟(jì)，也可能不安全，因此一般不宜采用較大的法蘭頸部大端厚度，可以用增加法蘭頸部高度h的方法減小法蘭頸部大端厚度δ1，這是因?yàn)樵黾臃ㄌm頸部高度h和增加法蘭頸部大端厚度δ1相類似的作用見(jiàn)圖二。

圖二 δ1與h對(duì)法蘭應(yīng)力的影響

最后由公式（6）當(dāng)LD-LG＜0 ，ΔMP將變成負(fù)的，當(dāng)法蘭低壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力很低，高壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力很高，即壓差很大時(shí)，ΔMP絕對(duì)值也就越大，即越不安全，因此壓差較大時(shí)，更應(yīng)注意夾持管板用成對(duì)法蘭中低壓側(cè)法蘭合理設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

(1) 由于夾持管板用成對(duì)法蘭中低壓側(cè)法蘭設(shè)計(jì)的特殊性，不合理設(shè)計(jì)不僅不經(jīng)濟(jì)，還可能造成安全問(wèn)題，本文從理論上推導(dǎo)，給出對(duì)于處于操作載荷控制下用現(xiàn)行SW6軟件進(jìn)行整體法蘭和按整體法蘭計(jì)算的任意式法蘭偏安全的判定方法，即LA+0.5δ1≥LG,或D外≥Di+2b+δ1，供設(shè)計(jì)者在法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就能夠參考，既能保證一定經(jīng)濟(jì)合理，又能避免不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)安全問(wèn)題。

(2) 在夾持管板用成對(duì)法蘭中低壓側(cè)法蘭設(shè)計(jì)時(shí)，本文分析認(rèn)為降低LG,是夾持管板用成對(duì)法蘭中低壓側(cè)法蘭安全經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，降低LG不僅可以降低操作力矩和預(yù)緊力矩，在特定情況下更能保證低壓側(cè)法蘭設(shè)計(jì)的安全。降低LG方法是，法蘭螺栓圓直徑合理確定后，由D外≥Di+2b+δ1，在墊片有效寬度一定時(shí)，墊片設(shè)計(jì)宜采用大的墊片內(nèi)外徑。

(3) 適當(dāng)?shù)姆ㄌm頸部大端厚度δ1。過(guò)大的法蘭頸部大端厚度δ1，會(huì)增加螺栓圓直徑，從而增加L 和LD，LT，使低壓側(cè)法蘭設(shè)計(jì)既不經(jīng)濟(jì)，也可能不安全，可以用增加法蘭頸部高度h的方法減小法蘭頸部大端厚度δ1，使大端厚度δ1在一個(gè)合理范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備法蘭頸部大端厚度δ1較為合理，設(shè)計(jì)時(shí)可以進(jìn)行參考。

(4) 本文表明低壓側(cè)的法蘭的合理設(shè)計(jì)要求有時(shí)會(huì)高于高壓側(cè)和一般的法蘭設(shè)計(jì)。本文算例雖然是一些少數(shù)特定的情況下，但希望能給設(shè)計(jì)者起到一點(diǎn)提示的作用，尤其壓差很大時(shí)。