Ａｐｒ．２０１０ ・化肥设计 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ 第４８卷第２期 ２２・ ２０１０年４月 无垫片密封焊反向法兰强度计算 赵小平 （中国五环工程有限公司，湖北武汉摘４３０２２３） 要：针对无垫片密封焊反向法兰的结构形式和受力特点，分析了普通反向法兰和无垫片焊接密封法兰的强度 计算，总结了无垫片密封焊接反向法兰的强度计算方法。 关键词：无垫片密封焊法兰，反向法兰，强度计算 中图分类号：ＴＱ２２１．１３；ＴＱ０５５．８２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—８９０１（２０１０）０２—００２２—０３ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ Ｆｌａｎｇｅ ｆｏｒ Ｓｅａｌ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｇａｓｋｅｔ ＺＨＡＯ Ｘｉａｏ－ｐｉｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ｗｕｈｕａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ Ｈｕｂｅｉ ４３０２２３ Ｃｈｉａ）ｎ Ａｈ￣ｒａｅｔ：Ｉｎ ａｌｌｕｓｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｌａｎｇｅ ｏｆ ｆｓｅａｌ ｗｅｌｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｇａｓｋｅｔ，ａｕｔｈｏｒ ｈａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃａｌ— ｅｕｌａｔｉｔｉｎ ｆｏｒ ｃｏｍｍｏｎ ｒｅｖｅｍｉｎｇ ｆｌａｎｇｅ ａｎｄ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅａｌ ｆｌａｎｇｅ ｗｉｔｈｏｕｔ ｇａｓｋｅｔ，ｈａｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｖｅｒｓ— ｉｎｇ ｆｌａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｌ ｗｅｌｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｇａｓｋｅｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅａｌ ｗｅｌｄｉｎｇ ｆｌａｎｇｅ ｗｉｔｈｏｕｔ ｇａｓｋｅｔ；ｒｅｖｅｒｓｉｎｇ ｌａｎｇｅ；ｓｔｆｒｅｎｇｔｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ 目前，在化工设备中，高温高压工况下的法兰 般采用无垫片密封焊接法兰或反向法兰结构，而 随着工艺条件愈来愈苛刻，普通的反向法兰或无垫 一片密封焊接法兰的密封效果已不明显，设备泄漏现 象也时有存在。为了提高高温高压设备的密封效 果，笔者从结构设计和强度计算方面对无垫片密封 焊反向法兰进行了研究，总结了其设计方法，以下 简要介绍。 到平均直径。考虑到我国ＧＢ１５０＜（钢制压力容器》 中法兰设计按Ｗａｒｔｅｓ法，因此笔者按ＢＳ５５００的方 法来确定直径Ｄ 。 （１）Ｎ为计算用的垫片宽度，ｍｍ。 Ｎ＝１．３Ｄ（２）ｂ为计算用的相当垫片有效密封宽 度，ｍｍ。 ｂ＝Ｎ／２ １法兰尺寸确定 无垫片密封焊反向法兰结构模型见图１。 （３）Ｄ 为计算用的相当垫片载荷作用的直 径，ｍｍ。 ＤＧ＝Ｄ。一２６ （４） 为螺栓中心至 作用位置的径向距离 （见图１），ｍｍ。 ＬＤ＝（Ｄ６＋６１—２６０一Ｄ ）／２ （５） 为螺栓中心至Ｆ。作用位置处的径向距 离（见图１），ｍｍ。 ＬＧ＝（ＤＧ—Ｄ６）／２ （６）Ｌ 为螺栓中心至Ｆ 作用位置处的径向距 离（见图１），ｍｍ。 图１无垫片密封焊反向法兰结构模型 虽然无垫片密封焊反向法兰中间没有依 Ｌ ＝［Ｄ６一（Ｄ ＋ＤＧ）／２］／２ 式中，Ｄ 为接触面的外直径，即刚性部分的外直 径，ｍｍｏ 靠压紧密封的垫片，但在法兰力矩计算中仍需要确 定垫片载荷作用处的直径Ｄ 。不同规范计算Ｄ。的 方法有所不同，西德ＡＤ规范取垫片接触面的平均 直径。这种法兰也可从密封焊元件刚性接触面得 作者简介：赵小平（１９８４年一），男，江西吉安人，２００９年毕业于华东 理工大学化工过程机械专业，从事化工工程项目设备设计工作。 第２期 赵小平无垫片密封焊反向法兰强度计算 ・２３・ ２螺栓校核 关于垫片系数ｍ和预紧比压力ｌ，，英国和西德 规范均有明确规定。英国ＢＳ５５００按无垫片考虑， 即ｍ＝０，Ｙ：０。西德ＡＤ规范中与ｍ相当的Ｋ ＝ ： ｌ 霹（ ＋丁２６ｆ ｅｒ１＇￣ ］ｊ 式中，ｄｒ为参数，ｄ ＝ ＾。 氏。／ ，ｍｍ’；ｅ，为参数，ｅ，＝ ０，与】，相当的Ｋｏ：０。为了使密封焊缝在操作使用 中安全可靠不致开裂，密封焊元件处于受压缩或至 少处于轴向自由状态，而不能处于受拉伸状态，因 此螺栓应给于适当的预紧力。为此，螺栓载荷按操 作状态下的螺栓力再乘以１．１的系数。这一螺栓 Ｆ ／ｈ ｌｎｌｎ～；Ｆ，为系数，以 。，代替ｈ。，由ＧＢ１５０～ １９９８图９－３查得 为系数，以ｈｏｔ代替ｈ。，由ＧＢ１５０ １９９８图９—７查得；当 ＜１时 ＝１； 。，为参数，ｈ。 —～； 为反向法兰外径与内径之比； ＝ Ｄ。 ，并以此代替 ，由ＧＢ１５０—１９９８图９－８或表 ＝ ，力也可以作为预紧螺栓力而在实际拧紧螺栓时加 以考虑。这种法兰的螺栓载荷比有垫片的法兰要 小，法兰厚度相应也可能薄些。这时仍应满足 Ｇｉｎ５０（钢制压力容器》中有关法兰刚性设计的要 求和最小螺栓直径的要求。 （１）螺栓载荷按操作情况计算： ｍ＝０，ＦＰ＝２叮Ｔ６ＤＧｒａｐ＝０ ＝Ｆ＋ＦＰ＝１．１×丌／４・ＤＩＰ （２）所需螺栓总截面积按操作情况计算： Ａ ：Ａ ＝Ｗｅ／［ｏｒ］ （３）实际螺栓总截面积 不得小于Ａ 。 ３法兰力及力矩确定 （１）Ｆ为流体压力引起的总轴向力，Ｎ。 Ｆ＝（７ｒ／４）Ｄ］Ｐ （２） 为作用于法兰内径截面上的流体压力 引起的轴向力，Ｎ。 Ｆｏ＝（７ｒ／４）・ Ｐｃ （３）Ｆ 为流体压力引起的总轴向力与作用于 法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力之差，Ｎ。 Ｆ ＝Ｆ—Ｆｏ （４） 为法兰操作力矩，Ｎ・ｉｎ。 ＭＰ＝Ｉ ＦＤ Ｄ＋Ｆｒ ｒ—ＦＧ Ｇ １（５） 为法兰设计力矩。 Ｍ０＝ＭＰ ４法兰应力计算 （１）ｏｒ胁为法兰颈部轴向应力，ＭＰａ。 ｝ＴＭ ｏ 册一Ａ ２ （２）ｏｒ册为法兰外径处径向应力，ＭＰａ。 （１．３３３ｉ＋１） ｍ— Ａ ２ （３）ｏｒｎ为法兰外径处环向应力，ＭＰａ。 ＬＭ。 ０．６７６Ｉ ｅ ＋１ Ｏ＇Ｔｒ —３２—Ｄｒ ｒ ９．５查取 ，ｕ，ｙ，ｚ； 为系数， ＝（＿ｚ ） ， ； 为系 ，＝［１＋ ］去 为系数，以ｈｏｔ代替ｈ。，由ＧＢ１５０—１９９８图９—４查 得； 为系数， ： ，ｙ；Ａ，为参数，Ａ ： ＋壁ｄ； 蚋系 ：［ ＋ 】 ５计算实例 法兰设计条件如下：反向法兰设计压力Ｐ为 １９．４ ＭＰａ，设计温度为一１９／７０℃，法兰材料为 ２０ＭｎＭｏＮｂ（１Ｖ），其在设计温度下的许用应力［ 】 ＝２０７ ＭＰａ。与法兰连接的筒体材料为２０ＭｎＭｏ，其在 设计温度下的许用应力【ｏｒ】 ＝１７７ ＭＰａ。双头螺柱 采用Ｍ６４ ｘ４，材料为３５ＣｒＭｏＡ，其在设计温度下的许用 应力【 】：＝２３８．４ ＭＰａ。法兰结构设计尺寸见图２，其 他结构尺寸可根据上文相关公式计算得出，即Ｄ。＝ ７２８．２４ ｍｍ，Ｌｃ＝～７５．８８ ｍＥ，ＬＤ＝一１９２．５０ ｍｍ， Ｌ ：一４２．０６ ｍｍ。法兰受力可根据上文相关公式计 算得出，即Ｆ＝８ ３３９ ４００．４０ Ｎ， ＝２１ ９２９ ７６０．００ Ｎ， Ｆ ：一１３ ５９０ ３５９．０６ Ｎ。 图２无垫片密封焊反向法兰结构尺寸 ５．１螺栓校核 操作状态下最小螺栓载荷 ：９ １７７ ７２２．１６ Ｎ，所 需螺栓总截面积Ａ ＝３８ ４９７．１６ Ｉｎｍ ，实际使用螺栓总 截面积Ａ６＝５１ ９３２．９２ ｍｒｎ ＞Ａ 。螺栓满足设计要求。 （下转第２６页） ・２６・ 化肥设计 ２０１０年第４８卷 配备送风机，锅炉运行时炉膛呈现微正压。应要求 器 厂家提供的燃烧装置必须有足够的本体阻力，以保 证在锅炉负荷变化、炉膛压力波动情况下，燃料供 给系统也能够正常运行。 器 （３）管道系统外部保护。在设计燃料供给设 设计院供货范围备时，必须认真考虑其工作环境和周围条件，管道 ：一厂家供货范围 需能承受火灾或机械损伤等严重的外部损伤。 （４）关键阀门性能检查。在天然气管道上必须 图１典型的天然气燃料供应系统 １一主燃料关断阀；２一过滤器；３一压力高报警；４一压力低报警；５一 天然气稳压阀；６一超压泻放阀；７一流量计；８一压力表；９一主燃料 关断阀；ｌ０一天然气稳压阀；１１一流量计；１２一主燃料快关阀；１３一 压力表；ｌ４一压力低报警；ｌ５一天然气调节阀；１６一主燃料旁路调节 阀；１７一母管放空阀；１８一压力表；１９一压力高报警；２Ｏ一压力低报 警；２１一天然气快关阀；２２一天然气快关阀；２３一支管放空阀 设有进行泄漏实验和顺序检修的措施。燃料管道母 管快关阀、各独立燃烧器快关阀以及各排空阀必须进 行气密性实验。对于为进行气密性实验而加装在放 空管线上的阀门，在正常运行时，应具备阀门处在不 正确位置时可报警或具有锁定在开位的功能。 （５）管材选取。燃气管路的管材必须采用无 缝钢管，严禁采用有缝焊接钢管，无缝钢管需按照 相关强制标准选择，当天然气中Ｈ Ｓ含量较高时必 须特别的谨慎。 ４燃气管道设计应注意的问题 （１）管路的惰性气体吹扫问题。ＮＦＰＡ５４对管 路惰性气体吹扫要求见表１。ＮＦＰＡ５４对于如何实 施具体的吹扫并无明确的要求。 表１管路惰性气体吹扫要求 公称管径／ｍｍ ７６ １０ｏ １５０ ５ 结语 （１）天然气作为一种清洁燃料，其污染物排放 低，发电整体效率高的优点是非常明显的。同时由 于天然气的爆炸特性，必须在管道系统设计中给予 充分的重视，以确保天然气系统安全运行。 （２）笔者结合ＮＦＰＡ、中国国家标准以及工程 设计的实践，对控制管道压力波动、天然气放空的 设置以及管路系统的吹扫等问题提出了自己的解 需要吹扫的最小长度／ｃｍ ＞９１４ ＞４５７ ＞３０５ １００或更大 任何长度 锅炉房设计规范（ＧＢ５００４１—２００８）中规定：第 １３．３．５条燃气放散管管径应根据吹扫段的容积和 吹扫时间确定。吹扫量可按吹扫段容积的１０倍～ ２０倍计算，吹扫时间为ｌ５～２０ ｍｉｎ。显然这个操作 方法太保守。实际消耗的惰性气体量太大，不十分 经济。实际操作中，有厂家采用手持式氧量计来测 量管路内部含Ｏ 量，以确定吹扫是否完成。 （２）合理的燃烧设备阻力。通常燃气锅炉仅 （上接第２３页） ５．２法兰应力校核 决办法。希望能对天然气管路系统设计者提供有 益的参考。 参考文献： ［１］ＮＦＰＡ８５—２００７，Ｂｏｉｌｅｒａｎｄ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＨａｚａｒｄｓＣｏｄｅ． ［２］ＮＦＰＡ５４—２００９，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｕｅｌ Ｇａｓ Ｃｏｄｅ． ［３］ＧＢ５００４１—２００８，锅炉房设计规范［ｓ］． 收稿日期：２０１０＿０２—１５ ６ 结语 （１）本文对无垫片密封焊反向法兰进行了分 析研究，总结了其设计计算方法，并通过具体的计 法兰在操作条件下力矩Ｍｏ＝３ ６４９ ８６３ ３６３．０１ Ｎ。法兰所需校核的应力见表１。由表１可知，法兰 设计满足要求。 表１法兰应力校核汇总 算实例加以验证。 （２）本文涉及的计算公式较多，笔者将其汇总 及编程，可以缩短设计计算时间，提高设计效率。 实际工程中还有很多其他模型，具体见参考文献２， 其设计计算与本文类似。 参考文献： ［１］ＧＢ１５０—１９９８，钢制压力容器［ｓ］． ［２］ＨＧ２０５８２—１９９８，钢制化工容器强度计算规定［Ｓ］． 收稿日期：２０１０－０１－０５