化工压力容器法兰设计

计算模型及原理见HG20582-1998
《非圆形法 兰的设计和计算》，和GB150的计算公式不同， 所以计算出来的结果和以椭圆长轴当量圆环直 径计算结果不一致。 O形圈法兰计算，未计及垫片压紧力的作用。

法兰应力只考虑了法兰力矩的作用。实际上由压力 在法兰直边段中产生的应力并非很小。对于平焊法 兰来说，其直边段厚度即为与法兰对接的圆筒的厚 度。此厚度按内压圆筒计算。内压圆筒计算此壁厚 时，将其环向薄膜应力控制在一倍筒体材料的许用 应力[σ]，此时圆筒中的轴向薄膜应力 σ H P 即达 0.5[σ]。这轴向应力 σ H P 相比法兰力矩在法兰锥 颈上引起的法兰轴向弯曲应力 σ H （按标准控制 1.5[σ]），可见 σ H P ≈ σ H /3，故 σ H P 已非小量。 同时因为一次总体薄膜应力，而 又为一次弯曲应 力。即法兰锥颈小端的总轴向应力为 σ H P + σH 。 根据塑性力学的极限设计原理： σ H P + σH ≤ 1.5[σ] 。而Waters法中已将σH 控制至1.5[σ]，为 此是不合理的。
当法兰在相同的操作条件下有成功的使用经验
时可以免除刚度校核。 对承受内压的窄面整体法兰和按照整体法兰计 算的窄面任意式法兰，刚度指数按照下式计算：
外压法兰可按内压法兰计算，但螺栓面积仅需
按照预紧状态考虑 法兰力矩按以下公式计算： MP=FD*LD+FT*LT- FG*LG
FG=FD+FT
铁木辛柯法 计算活套法兰时，法兰环上仅为周向弯 曲应力。未考虑带锥颈的活套法兰。
华脱尔斯法 计算活套法兰（不带颈）时， 法兰环上仅为周向弯曲应力。 带颈时，锥颈小端不受力。一 对边缘应力作用。 法兰环上有环向和径向弯曲应 力，锥颈和圆筒上有轴向弯曲 应力和周向应力，轴向边缘应 力大于周向边缘应力，所以仅 校核轴向边缘应力。
MP=FD* （LD-LG ）+FT*（LT-LG ）
在整个法兰密封面都铺设垫片，即为宽面法兰。
计算方法采用巴赫法，系将连接在筒体上的法
兰环视作是悬臂梁，计算在设计力矩作用下法 兰环的弯曲应力并使之满足法兰环材料的许用 应力。 适用于压力不高的场合，具体见GB150的7.8条。
SW6中有非圆形法兰的计算
铁木辛柯法
华脱尔斯法
法兰环和壳体（接管）均处于弹性 法兰环和壳体（接管）均处于弹性 状态，不发生屈服和蠕变现象。 状态，不发生屈服和蠕变现象。
将法兰环视为受均布扭矩作用的矩 将法兰环视为受均布弯矩作用的环 形截面圆环，在扭矩作用下只绕其 板，法兰环，锥颈（当有锥颈时）， 圆筒三者相连而组成两对边缘问题， 形心旋转，不发生畸变和弯曲。 他们的变形均相互协调。 将螺栓孔的影响忽略不计，将法兰 将螺栓孔的影响忽略不计，将法兰 环视为实心圆环。 环视为实心圆环。 都只受螺栓力所引起的力矩，略去 都只受螺栓力所引起的力矩，略去 介质内外压对法兰环，锥颈（当有 介质内外压引起的薄膜应力。 锥颈时），圆筒引起的薄膜应力。
当选用JB/T4700~4707标准时，可免除计算
带颈法兰应采用热轧或锻件经机加工制成，加
工后的法兰轴线须与原热轧件或锻件的轴线平 行。采用钢板制造带颈法兰时，应符合7.1.4要 求。 碳素钢或低合金钢制法兰在下列任一情况下应 经正火处理：1.法兰断面厚度大于50mm,2.锻 制法兰 螺栓的公称直径应不小于M12，当公称直径大 于M48时，应采用细牙螺纹。



对较厚的锥颈，在按刚度法控制锥颈端部(2/3) °转角 时，由于锥颈表面离中性面较远，为此锥颈表面产生较 大的σH，以至可能超过1.5[σ]，导致M刚大于M强。即按 刚度法设计的法兰，并不能满足强度法的设计要求。相 反此时按强度法设计的法兰则可自动满足刚度法的要求 （偏转角≤ (2/3) ° ）。 相反，对较薄的锥颈，在按刚度法控制锥颈端面（2/3） °转角时，由于锥颈表面离中心面较近，为此锥颈表面 产生较小的σH，以至于1.5[σ]，导致M刚小于M强。即按 刚度法设计的法兰能同时满足强度法的要求。相反，此 时按强度法的设计则并不能满足刚度的要求。 即两种方法何种起控制作用取决于法兰锥颈的厚度。
计算整体法兰时，法兰环和壳体（接管） 的变形协调，只有一对。最大周向弯曲 应力发生在法兰环内侧的上下表面，法 兰环上无径向力；圆筒上存在轴向弯曲 应力，周向弯曲应力和周向薄膜应力。 轴向边缘应力大于周向边缘应力，所以 仅校核轴向边缘应力。未考虑带锥颈的 整体法兰。
预紧状态的法兰力矩：
Ma=（Am+Ab）/2*[σ]b
X24项目沉降器设备，水压试验时螺栓预紧力
远超过计算所得的数据，垫片表面的粗糙度、 密封面的粗糙度都对结果有很大的影响，以水 压状态上紧的螺栓在实际使用过程中会来自百度文库成螺 栓的应力超过所允许的许用应力。 关于JMH12-3-80010液压拉伸器的拉伸力： （20个M72X4螺栓） 预紧时所需的总的螺栓力为13714316N 操作时所需的总的螺栓力为5918957N
不锈钢衬里法兰盖的使用温度上限不大于350。C。 带颈平焊法兰、承插焊法兰和螺纹法兰的颈部外侧 斜度应不大于7。。带颈对焊法兰的锥颈斜度应不大 于45。，且应具有斜度不大于7。的直边段。

随着科学的进步，华脱尔斯法的不足也逐渐体
现出来，EN 标准附录G和附录GA 体现了新的 设计方法，具体内容请见秦书经的《法兰接头 设计》和EN13445附录G和附录GA 。
松式法兰：凡是法兰环和壳体壁（或管壁）并
无固定连接关系或虽有固定连接关系但不能有 效地保证与壳体（或管壁）同时受载，同时变 形的法兰。螺纹法兰也是松式法兰。 整体法兰：凡是法兰环和壳体整体锻成或法兰 环与壳体壁（或管壁）全部焊透以保证法兰环 与壳体（或管壁）同时受载，同时变形的法兰。 整体法兰的强度和刚度都比较高，适用于压力 和温度较高的场合。法兰环的受力会牵动容器 或接管，在容器或接管上产生附加弯曲应力。
化工部管法兰标准有欧洲体系和美洲体系，设
备法兰标准为JB/T4700~4703。 具有确定公称压力的法兰根据材料和设计温度 的不同具有不同的最高允许工作压力，在选用 标准时，必须查询对应的压力-温度额定表。 标准中列出了法兰、垫片、紧固件的选配原则。 紧固件分为低强度，中等强度及高强度三种强 度等级，按照对材料的控制又可以分为专用级 和商品级。 衬里法兰盖的塞焊孔和位臵可参照化工部管法 兰标准。
美国ASME标准为了解决Waters法可能造成的
较大变形引起泄漏问题，对该法补充提出了刚 度计算要求。此刚度法对整体法兰来说，实质 上是控制锥颈大端的偏转角≤2/3°，比英国 BS1500的限制法兰密封面偏转角3/4°稍小。 松式法兰控制偏转角≤0.2°

Waters法是通过以强度控制形式进行设计。 ASME 刚度法是对法兰锥颈大端偏转角以（2/3）°加以 限制，以刚度控制形式进行计算。刚度法对锥颈表 面的轴向应力σH是不加控制的。而锥颈表面的轴向 应力σH是与锥颈表面离锥颈中性面的距离成正比的。
*LG 操作状态下的法兰力矩： FD=0.785*Di 2 PC FT=F-FD MP=FD*LD+FT*LT+FG*LG 法兰设计力矩:Mo 取大值{ Ma [σ]ft /[σ]f , MP } 见计算书阐述：垫片有效密封宽度，特性参数 （m,y),压紧力作用中心圆直径，垫片压紧力， 螺栓载荷，螺栓设计载荷，螺栓布臵间距要求。