法兰强度设计

LANZHOUUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY兰州理工大学2019年10月11日1兰州理工大学石油化工学院法兰的强度设计李淑欣2008.11.292019年10月11日兰州理工大学石油化工学院2主要内容法兰结构类型法兰标准法兰强度设计计算方法巴赫法铁木辛哥法华脱斯法各种设计方法比较大口径非标法兰强度设计方法事例说明—Waters法的可靠性？2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院3主要内容法兰结构类型法兰标准法兰强度设计计算方法巴赫法铁木辛哥法华脱斯法各种设计方法比较大口径非标法兰强度设计方法事例说明—Waters法的可靠性？2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院4法兰结构类型2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院5法兰结构类型2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院6法兰结构类型-松式法兰2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院7法兰结构类型-松式法兰2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院8法兰结构类型-整体法兰2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院9法兰结构类型-任意式法兰2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院10主要内容法兰结构类型法兰标准法兰强度设计计算方法巴赫法铁木辛哥法华脱斯法2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院11法兰标准2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院12法兰标准-公称直径2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院13法兰标准-公称压力2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院14c.法兰标准的选用依据：根据容器或管道的公称直径、工程压力、工作温度、工作介质特性以及法兰材料进行选用。管法兰：国际上两个体系，即欧洲体系（以DIN标准为代表）及美洲体系（以ASMEB16.5、B16.47为代表）。两个体系之间不能互相配用。较明显的区分标志为公称压力等级不同。国际标准化组织于1983年提出了ISO/DIS7005-1《钢法兰》标推(草案)，它实际上是由美国和德国的管法兰标准修改合并而成，但仍末成为正式标准。法兰标准-法兰的选用2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院15法兰标准-中国管法兰标准长期以来，在我国化工、电力和机械等部门广泛使用原一机部的《管法兰和垫片》标准JB75~90-59和化工部的《管法兰》标准HG5001~5028-58，两者都是按前苏联管法兰标准（属德国DIN管法兰标准体系）制定的，配用公制管，可互换使用。但随着科技的发展和相关标准的修订，上述标准已难以适应工程建设的需要。因此，近几年我国有关部门又制定了下列法兰标准：中国管法兰标准：2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院16法兰标准-中国管法兰标准国家标准GB9112~9128-88《钢制管法兰》参照ISO/DIS7005-1制定的。公称压力PN0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0MPa为德国管法兰系列；PN2.0、5.0、10.0、15.0、25.0、42.0MPa为美国管法兰系列。中石化总公司工程建设标准JB/T74-90《钢制管法兰》按照美国ANSIB16.5管法兰标准制定的，配用英制管，公称压力PN2.0、5.0、6.8、10.0、15.0、25.0、42.0MPa为美国管法兰系列。化学工业部工程建设标准HGJ44~76-91《钢制管法兰、垫片、紧固件》是在HG，JB管法兰基础上参照德国DIN管法兰标准制定的，配用公制管。2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院17主要内容法兰结构类型法兰标准法兰强度设计计算方法巴赫法铁木辛哥法华脱斯法各种设计方法比较大口径非标法兰强度设计方法事例说明—Waters法的可靠性？2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院18法兰设计内容垫片设计垫片有效密封宽度；垫片特性参数（m，y）垫片压紧力作用中心圆直径垫片压紧力垫片宽度校核螺栓设计法兰强度设计法兰型式设计松套法兰整体法兰任意式法兰2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院19法兰强度设计计算方法计算方法分类：三类以材料力学为基础的简单计算方法—Bach法以弹性分析为基础的设计方法：将法兰中的应力控制在弹性范围内。该法使用经验丰富，世界各国广泛使用—Timoshenko和Waters法以塑性分析为基础的设计方法：对法兰的强度以塑性失效设计准则加以控制。但计算较复杂，目前除了个别国家（如西德标准DIN2505）使用外，还未被广泛采用。2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院20把高颈法兰看作是一个悬臂梁，粱的高度是法兰的高度，悬臂长度为螺栓孔中心圆至压力作用点的距离，将法兰剖开后伸直就成为如图所示的又窄又长的悬臀梁。梁的弯矩为W.L，然后分别校验A—C截面上和B—C截面上的弯曲应力。法兰强度设计计算方法-Bach法2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院21法兰强度设计计算方法-Bach法a.AC()/2WlWKN剖面所受弯矩：2AC/6Nt剖面截面系数AC()/23-22/6WKNWKNNtNt因此，剖面上的弯曲应力为（）=2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院22法兰强度设计计算方法-Bach法1BC()/2WKNS剖面所受的弯矩为：BC40但考虑到此弯矩为由法兰环和颈部两者所承担，假设剖面承载%的弯矩，则为112BC()/6NSS剖面的截面系数为：11211110.4()/21.2-SBC2(S)S()/6WKNSWKNNtNSS（）因此剖面弯曲应力为：=t[]强度条件：10.4()/2WKNS2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院23法兰强度设计计算方法-Timoshenko法以弹性分析为基础的设计方法：Timoshenko法•从计算角度将法兰划分为活套法兰和整体法兰两大类。计算活套法兰：把法兰当作受扭转的矩形截面圆环来考虑，即矩形截面的法兰环在受扭转作用后只能绕环的形心旋转而不会产生弯曲或畸变，因而法兰环的形状仍保持矩形。认为法兰环在螺栓拉紧力作用下会产生微小的偏转，从而应用弹性理论，按照力与变形的关系求出法兰上的应力，所以此法又称“环板扭转法”。计算整体法兰：把法兰和筒体视为一个整体，在法兰环与筒体连接处结构不连续，需通过变形协调方程求解。步骤较繁，对高颈法兰，由于忽略了高颈的作用，所以结果偏于保守。2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院24法兰强度设计计算方法-Timoshenko法以活套法兰为例：基本假设：法兰在操作过程中不发生任何屈服或蠕变，即处于完全弹性状态；法兰为受均布外力矩作用的矩形截面的圆环，受力后不发生畸变扭歪；不及操作内压引起的薄膜应力；不考虑螺栓孔的影响。2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院25法兰强度设计计算方法-Timoshenko法按基本假设b，法兰的矩形截面不发生畸变扭歪，则环的变形只是由于截面偏转一角度。按照下图作如下分析：2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院26法兰强度设计计算方法-Timoshenko法设A为矩形截面上任一点，其坐标为(r，y)。当矩形截面绕中心C转过一角度q以后，A点位移到A’，其半径出r变为r+dr。A点的周向相对伸长为：A点周向应变：周向应力：2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院27法兰强度设计计算方法-Timoshenko法周向应力：偏转角q：Mt:法兰环截面中心圆周上单位周长力矩；r：法兰环截面中心圆周上半径；t：法兰环厚度W:螺栓总拉紧力最大周向应力：环的上下表面内侧x=Ri；y=l/22019年10月11日兰州理工大学石油化工学院28法兰强度设计计算方法--Waters法Waters法是我国国家标准GB150-1998《钢制压力容器》和GB/T17186-1997国家标准《钢制管法兰强度计算方法》(A方法)中的法兰计算所引用。对法兰的应力分析和Timoshenko法计算整体法兰的方法类似，所不同的是，Waters法将法兰环不是作为圆环，而是作为环板进行分析，并且考虑了法兰锥颈的作用。高颈法兰的应力分析力学模型如下图所示：2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院29法兰强度设计计算方法-Waters法2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院30法兰强度设计计算方法--Waters法2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院31法兰强度设计计算方法--Waters法2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院32法兰强度设计计算方法--Waters法2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院330000wwshshqq圆筒与颈部连接处：；0110whhpqq颈部与环板连接处：；;0000MMQQshsh圆筒与颈部连接处：1010MMQQhphp颈部与环板连接处：；按照弹性分析方法，将法兰3部分边界上的未知内力（Ms0,Mp0,Qs0,Qp0）和锥颈径向位移函数中的4个积分常数（d1，d2,d3,d4）作为基本未知量。由内力平衡条件和变形协调关系建立协调方程：给定法兰材料，结构尺寸和力矩M0的前提下，由8个平衡方程所确定的8个未知量求解得法兰三个方向最大应力为：法兰强度设计计算方法--Waters法2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院34法兰强度设计计算方法--Waters法122:AB(11.33)C-CHfMDgiMterDtiYMZsrDti锥颈上轴向应力或点法兰环上径向应力：点法兰环上周向应力：点t:初拟法兰厚度；Di：法兰内直径；M：法兰力矩；f:法兰锥颈应力校正系数；e:系数，e=F/h0h0:系数，h0=（Dig0）1/2g1:系数，g1=（U/V）h0g02F和V分别是考虑剪力和转角影响的锥颈系数，根据g1/g0和h1/h0和由图查取；2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院35•Waters法是线弹性理论方法，法兰中各处的应力与外载（法兰力矩）成线形（正比）关系，而法兰3部分边界上的未知内力及由此引起的法兰中的应力取决于法兰各部分结构尺寸的相对比例，即法兰各部位应力可表征为法兰结构尺寸的无量纲比值的函数。法兰强度设计计算方法--Waters法•从便于设计应用的角度出发，Waters建立一组无量纲参数，其中体现锥径结构的参数是g1/g0，h1/h0，体现法兰环参数的是K（D0/Di），并进行大量计算，给出由这些无量纲参数所确定的相应应力参数，其中体现锥径作用的参数是F,V,f,体现法兰环作用的参数是Y，T，U，Z。2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院36法兰强度设计计算方法--Waters法法兰各项应力分布2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院37法兰强度设计计算方法--Waters法2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院38法兰强度设计计算方法--Waters法关于法兰强度计算的全过程见文献：[美]螺栓法兰一般公式的推导，1937；E.O.Waters,D.B.Wesstrom;中译文：石油化工技术情报1978年第五期，北京石油化工总厂设计院。2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院39法兰强度设计计算方法--Waters法2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院40法兰强度设计计算方法--Waters法2019年10月11日兰州理工大学石油化工学院41法兰强度设计计算方法-DIN2505法基于塑性极限载荷的设计方法：DIN2505法•该方法并不注重于法兰本身的应力水平，而是着眼于法兰连接的密封性能。因此对法兰的强度计算以极限设计的概念进行，而对整个连接的密封性能的检验是通过制作一个“载荷-变形图”的办法来加以确认。•国标GB/T17186-1997《钢制管法兰连接强度计算方法》方法B的主要内容取自德国DIN2505-1964《管法兰连接计算》。2019年10月1