ASME法兰计算之螺栓调整-ASME法兰优化设计

北京市艾思弗计算机软件技术有限责任公司Beijing AECsoft Engineering Software Co.,LtdASME法兰计算之螺栓调整李振武010-58815851- 北京市艾思弗计算机软件技术有限责任公司成立于1997年。我们是一家从事电力、石油、石油化工、海洋工程和其他行业 （PPMO- Power 、Process、Marine、Others) 工程软件销售及工程技术服务的专业公司。 压力容器相关软件PVASME -1,2；EN-13445，PD5500VVDEN13445,ASME -1,PD5500 ,TKN，TBK2PASSAT俄罗斯GOST标准TANKAPI650，API653NozzlePro管口应力分析（基于ASME -2）Nozzle FEM管口应力分析（支持俄罗斯标准，EN13445，ASME，JB4732） 公司杂志 ASME法兰计算之螺栓今天的网络研讨会内容：1. 法兰及法兰失效基本原理2. 法兰强度计算方法Waters法介绍3. ASME VIII-1法兰计算步骤4. 法兰计算中螺栓的作用与调整5. 讨论环节 法兰简介法兰是压力容器中的基本元件之一特别是在换热器中被广泛应用 螺栓垫片法兰法兰结构一个法兰组件由三个元件构成：1.法兰2.垫片3.螺栓 法兰失效形式法兰的失效形式有两种：一是密封失效，即垫片发生泄漏；另一中是强度失效，即法兰发生大变形甚至断裂。由于密封失效往往在其强度破坏前发生，所以我们通常研究密封失效 泄漏的产生那么泄漏产生的原因是什么呢？我们知道，法兰组中的螺栓用来提供压紧力当内压加载时，使垫片压紧以保证密封PF F P 泄漏的产生那么泄漏产生的原因是什么呢？我们可以得到：螺栓力=内压作用力+垫片反力那么，如果：螺栓力内压作用力+垫片反力P PFF可能发生泄漏 泄漏的产生那么泄漏产生的原因是什么呢？我们再放大看一下法兰组件在内压的作用下，法兰会绕螺栓旋转，如果转角过大可能发生泄漏 泄漏的产生那么泄漏产生的原因是什么呢？在一些特殊的设备中，如换热器管壳程的温度是不同的，法兰的膨胀变形也就不同，如果差别过大就有可能使垫片脱离密封面，发生泄漏 泄漏的产生那么泄漏产生的原因是什么呢？对于法兰塔中的法兰，不仅受到内压的作用同时，在风载和地震的影响下，也受到弯矩和其他力的作用使法兰转动，可能产生泄漏 泄漏的产生综上，我们可以看到，法兰的泄漏大致可以分为四种原因1. 螺栓力内压作用力+垫片反力，发生泄漏；2. 法兰在内压作用下，以螺栓为轴进行旋转，发生泄漏；3. 两片法兰的温度不同，由于膨胀差，垫片脱离，发生泄漏；4. 外部的弯矩和力的作用，使法兰转动，发生泄漏 法兰的计算那么，如何避免法兰泄漏?这涉及到法兰的密封性计算，包括法兰的形变和垫片密封性能的研究。然而，法兰的形变和密封性计算远较强度计算复杂，所以依据密封性的法兰计算甚为困难，为此多少年来法兰设计还是以强度计算为基础的。当然强度计算涉及法兰应力，由于应力与形变成一定的关系，所以对法兰控制一定的应力，使之保持在弹性范围内，则实际上也就对法兰的变形加以了限制。 法兰强度计算 1937年Waters法今天70多年 法兰的强度计算方法那么，强度计算选用什么方法？是国际上应用最为广泛的强度计算方法是Waters法该法自1937年提出至今已在世界范围内历经了70多年的长期广泛实践考验ASME VIII-1标准中的法兰计算也是用的这种方法 Waters法假设Waters法将法兰假设为三个部分直边段锥段法兰环 直边段锥段法兰环 Waters法假设Waters法将法兰假设为三个部分直边段锥段法兰环 内压P FFQ1M1内压P Q1M1Q0M0 Q0M0内压P法兰实际受力如下所示Waters法认为内压P的均布载荷以及内压作用在直边段和锥段的轴向力为小值，可以忽略，即为FDFD FDFDFD Waters法假设Waters法的这种假设，对于长颈对焊法兰是合理的然而，对于平焊法兰颈部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这使Waters法允许的法兰轴向力较大，虽不致法兰破坏但会使法兰挠度值过大，不太合理 这就需要除应力控制外，额外的控制条件内压圆筒计算时，将其环向薄膜应力控制在1倍筒体材料的许用应力此时轴向薄膜应力为0.5倍许用应力，已非小量而Waters法控制法兰轴向应力小于1.5倍许用应力 LEg 0 K L h0ASME法兰计算ASME VIII-1 补充提出了法兰刚度计算的要求ASME规定，对于整体法兰和按整体法兰设计的任意式法兰，应满足：对公式进行考证可知对于刚度的控制，实质上是控制锥颈大端的偏转角2/3下面，我们以整体法兰为例，来看一下ASME规范的法兰计算过程 1.052.14VM 02J ASME法兰计算步骤选取垫片选取螺栓计算法兰受力计算法兰所受力矩操作工况预紧工况 计算法兰应力操作工况预紧工况M0=HDhD+HThT+HGhGM0=HGhG=（Am+Ab）Sa/2*(C-G)/2操作工况预紧工况SH=fM0/Lg12BSR=(1.33te+1)M0/Lt2BST=YM0/t2B-ZSRSH=0SR=0ST=YM0/t2B应力评定刚度评定SH1.5SfSRSfSTSfSH+SR2SfSH+ST2SfJ=52.14VM 0/LEg20K1h01.0 确定m，y确定操作工况螺栓载荷，Wm1=H+Hp=0.785G2P+（2b3.14GmP）确定最小螺栓初始载荷，Wm2=3.14bGy确定操作工况所需螺栓面积，Am1=Wm1/Sb确定预紧工况所需螺栓面积，Am2=Wm2/Sa确定所需螺栓面积，Am=max（Am1，Am2）确定实际螺栓面积，AbAmHD=0.785B2PHT=H-HD=0.785G2P-0.785B2PH G=2b3.14GmPHD=0HT=0HG=（Am+Ab）Sa/2 ASME法兰计算步骤由上图可以看出法兰主要计算的是由弯矩引起的应力的评定和刚度评定弯矩由力和力臂共同决定力由内压和垫片反力确定，力臂由螺栓圆直径和法兰结构确定刚度由法兰结构确定 我们这次的研讨会主要讨论螺栓对法兰计算的影响那么探讨影响法兰设计的因素，也就是从法兰组的垫片、螺栓和法兰结构这三个方面着手。 螺栓对法兰计算的影响下面我们将讨论关于螺栓的三个问题1. 螺栓的选取2. 螺栓对法兰计算的影响3. 如何调整螺栓来优化法兰设计 螺栓选取前面我们了解到螺栓力=内压作用力+垫片反力PF F PASME计算步骤中的螺栓选取过程就是运用了这个原理 1h R g hG 螺栓对法兰计算的影响根据前面的计算步骤22C GhT GhD R 0.5g1 螺栓对法兰计算的影响根据前面的计算步骤螺栓载荷越大，所需法兰越厚（预紧工况）螺栓中心圆直径越大，所需法兰越厚（操作工况） 优化法兰设计螺栓的调节法兰的设计中螺栓的优化有两个方面1.减小螺栓载荷2.减小螺栓圆直径 减小螺栓载荷通过前面的讨论，我们知道减小螺栓载荷的方法是1.减小垫片硬度（减小m、y ）2.调整垫片尺寸（减小G、b）但是，由于垫片与介质有关，通常垫片材质已经由工艺专业确定 而垫片的尺寸与设备尺寸相关，垫片宽度b与垫片材质相关所以，在垫片上的优化空间较小我们通常通过减小螺栓圆直径的方法来优化法兰设计 减小螺栓圆直径关于螺栓圆直径，我们希望得到“最小螺栓圆直径”由于法兰结构和扳手空间的限制，螺栓圆直径有最小的要求如下图：螺栓圆直径受到以下三个方面的要求1.沿法兰密封面的径向结构要求： CGo+2a+d2.沿法兰背面径向结构要求： CDi+2g1+2R3.沿法兰环向分布的结构要求： CB*n/ 减小螺栓圆直径关于螺栓圆直径，我们希望得到“最小螺栓圆直径”由于法兰结构和扳手空间的限制，螺栓圆直径有最小的要求如下图：螺栓圆直径受到以下三个方面的要求1.沿法兰密封面的径向结构要求： CGo+2a+d2.沿法兰背面径向结构要求： CDi+2g1+2R3.沿法兰环向分布的结构要求： CB*n/ 减小螺栓圆直径1.沿法兰密封面的径向结构要求： CGo+2a+d2.沿法兰背面径向结构要求： CDi+2g1+2R3.沿法兰环向分布的结构要求： CB*n/ 另外，ASME标准规定，致死介质，螺栓最大间距：6tm 0.5如果螺栓间距大于2a+t，总力矩M0还需要按照Bsc进行修正Bsc Bs2a t 减小螺栓圆直径关于扳手空间，在TEMA中有要求，ASME采用的就是这个数据 优化法兰设计通过实践，我们可以得到一些优化法兰中调整螺栓的大致方向：1.控制操作工况和预紧工况的所需螺栓面积接近如果操作远大于预紧，说明螺栓的许用应力随温度的升高减小过快可以选择在设计温度下具有较高许用应力的螺栓材质2.注意确定，是B值还是R值控制螺栓圆两者确定的值相差过大，可以通过调整螺栓直径和数量来进行调整，以得到较小的螺栓中心圆 提问环节 谢谢大家的参与下次网络研讨会话题:G OST标准介绍及PASSAT软件建模计算