enl3445 中法兰设计另一方法的分析和讨论[j]

本文档下载自文库下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTMLEN13445中法兰设计另一方法的分析和讨论第46卷第1期2009年2月化工设备与管道PROCESSEQUIPMENT又通过分析该方法所采用的垫片系数及其来源以及与PVRC方法采用的垫片系数进行比较,说明了该方法的灵活性和工程应用的可行性。关键词法兰设计方法螺栓法兰连接接头密封性能螺栓预紧力垫片系数中图分类号TQ0503文献标识码A文章编号1009220090120001209ANALYSISANDDISCUSSIONOFINEN134452OFPROCESSEQUIPMENT,SHANGHAI200040,CHINAABSTRACTCURRENTLY,BASEDONTAYLORFORGEMETHOD,THEMETHODFORFLANGEDESIGNUSEDINTHECODESINMOSTCOUNTRIESISACTUALLYASTRENGTHDESIGNMETHODWHICHCANNOTBEENSUREDTOREACHTHESEALINGREQUIREMENTINANNEXGOFEN134453,APRESSUREVESSELDESIGNSTANDARDISSUEDBYCEN,ANALTERNATIVEMETHODFORFLANGEDESIGNWASPROVIDEDTHEREEXISTGREAHTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTMLTDIFFERENCESBETWEENTHETRADITIONALTAYLORFORGEMETHODANDTHISALTERNATIVEMETHODINTHISPAPER,FIRST,THEFUNDAMENTALMECHANISMFORTHESEALINGPROPERTYOFAFLANGECONNECTIONANDTHECALCULATIONCONTENTWITHTHEDESIGNPROCEDURESWEREDESCRIBEDTHEN,THEMAINASPECTSINTHISDESIGNMETHODWEREANALYZEDANDDISCUSSEDBYCOMPARINGWITHTAYLORFORGEMETHOD,THERATIONALITIESEXISTEDINTHECALCULATIONCONTENTANDTHEPROCE2DURESINTHISMETHODWEREEXPLAINEDALSO,BYANALYZINGTHEGASKETCOEFFICIENTSUSEDINTHISMETHODANDTHESOURCEFOROBTAININGTHESECOEFFICIENTSANDBYCOMPARINGTHEMWITHTHATUSEDINPVRCMETHOD,THEFLEXIBILITYANDFEASIBILITYOFTHISMETHODTOBEAPPLIEDININDUS2TRIESWEREPRESENTEDKEYWORDSMETHODFORFLANGEDESIGNBOLTEDFLANGEDJOINTSEALINGPROPERTYBOLTSEATINGFORCEGASKETCOEFFICIENT长期以来,针对法兰接头的设计,各国规范普遍采用的是基于TAYLOR2FORGE法WATERS法的设计方法。由于利用TAYLOR2FORGE法可得到法兰环和法兰颈中的最大应力,故该设计方法的基本思想是通过对连接螺栓、法兰环和法兰颈规定一定的强度条件来保证螺栓法兰连接接头的强度和密封性。但通过长期的工程实践,证明该设计方法虽能保证螺栓法兰连接接头的强度,却并不一定能保证结构的密封性能。在HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML该设计方法中,虽也考虑了垫片的密封性能,从而采用了垫片的性能参数Y和M,但主要是利用这两个参数来确定垫片反力,然后以此作为施加于法兰和螺栓的载荷对法兰和螺栓的强度进行校122核。这种传统的法兰设计方法存在以下问题1设计结果不能较正确地反映出实际的密封效果。2螺栓预紧力的大小与操作工况下的密封效果无直接关联。而实际上,法兰连接接头是否能达到密封的目的,螺栓预紧力是最主要的两个决定因素之一另一个是垫片本身的密封性能。3按传统的法兰设计方法,在其他条件不变收稿日期2008210222作者简介秦叔经1950,男,上海人,教授级高工。长期从事压力容器设计软件的开发工作以及应力分析的工作和研究。2化工设备与管道第46卷第1期的前提下,螺栓强度的提高将可能使得计算得到的法兰扭矩增大,反而不利于法兰接头的强度和刚度,这与工程实践不完全相符。认识到这些存在的问题,美国压力容器研究委员会PVRC在20世纪70年代启动了一系列研究项目以期改进工程应用的法兰设计方法。这些研究课题主要集中于法兰垫片性能参数的使用和试验方法以及测试标准等方面,其主要结果是提出了紧密度TIGHTNESS概念,将紧密度与法兰密封面上的垫片应力联系起来,定义了A、GS和GB这三个垫片参数。虽然PVRC早就计划要提出一个新的螺栓法兰连接接头的设计方法,以修改当前ASME规范中的传统方法,但由于种种原因,至今没有实现。然而,欧洲标准协会CEN通过20世纪90年代以来的一系列研究工作以及吸收了一部分PVRC研究项目的成果,于2001年发布了标准EN1591“法兰及其接头2带垫片的圆形法兰连接设计规则”。该标准有两个部分,第1部分为计算方法PART1METHOD,第22KETPARAMETERS。在EN13445“”中,EN1591的这两部分在设计中,必须同时考HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML虑螺栓、法兰、垫片间的相互作用力和变形关系。首先应该明确的是,无论垫片受到多么大的比压力,在法兰密封面和与其接触的垫片之间始终存在着无数很细小的流动通道,介质将可能通过这些细小的通道而泄漏。密封的基本原理就是要使得介质在流经这种细小通道时的压力降大于密封腔内、外的压力差。由于流体在流经一管状通道时的压力降与该通道的长度成正比,而与该通道的直径成反比。因此,工程上的做法就是通过在法兰密封面和与其接触的垫片之间施加一定的压力,使得在这两个面上的大部分通道的当量直径或间隙都小到一定程度,从而使流体要通过这些通道而流出的压力降大于密封腔内、外的压力差。当然,不可能做到两个面上的所有通道都满足这个要求,泄漏是不可避免的,但可以通过控制泄漏通道。为了达到这个目的,而这个比压。介质泄漏之外,对于纤维材料垫片还可能存在垫片本身的泄漏,这种泄漏也可以通过对垫片施加一定的压力而缩小其空隙来达到密封,但更有效的方法是更换垫片材料,使介质不发生渗漏。本文将不考虑这种由垫片渗漏而引起的泄漏。为便于说明问题,先假定法兰是完全刚性的,在任何受载过程中不发生变形。同时,假定垫片是纯金属材料。在螺栓法兰结构的安装阶段,通过拧紧螺栓,使法兰密封面和垫片之间产生一定的比压。在这个过程中,螺栓受到拉力而变长,垫片却受到压力而变薄。当完成装配时,螺栓和垫片所受力的大小相同,方向相反,它们所受力和变形关系可以图1中的A点表示考虑到金属垫片的材料一般都采用软金属,因此,在螺栓预紧完成以后,垫片材料一般已达到屈服。当介质压力升起以后,螺栓所受的力将加大,同时,其变形也变大。而对于垫片来说,升压以后,其受到的压力会变小,即从FB变到FG,其在预紧阶段的一部分变形会发生回弹。在一定的介质压力作用下,对于一特定垫片,需要在其表面上作用有足够大小的比压力才能满足密封要求。由实验结果可以认为,这个为达到密封所需要的最小比压力FR可以认为近似与介质压力成正比。即当压力升起以后,如果要达到密封的目的,必须使FG不小于FR。在一定内容被直接收录,作为其附录G。在EN13445附录G中所HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML提出的这个螺栓法兰与传连接接头的设计方法以下简称为“EN方法”统的TAYLOR2FORGE法相比,两者在设计依据、参数选择、计算方法和评判条件等方面都存在差别,特别在设计依据和参数选择方面有着根本性的区别,该方法的提出为从事压力容器和压力管道设计的工程师提供了进行法兰连接设计的另一选择。但由于该方法比TAYLOR2FOCGE法考虑了更多的因素,其计算方法明显要复杂得多,如不了解这个方法的基本原理,要掌握其运算过程和合格判定条件,并在某些情况下进一步调整设计参数,将会有一定的困难。为此,有必要对这个方法的基本原理和运算过程进行一些分析,分析的结果一方面有助于在工程中的具体应用,另一方面也能通过与传统的TAYLOR2FORGE法的比较而了解两者的根本差别和这个方法的合理性。本文将首先阐述螺栓法兰连接接头的密封原理和实现条件,在此基础上对EN13445附录G中的法兰结构设计方法进行分析,最后,对该方法进行一些讨论。1螺栓法兰连接接头的密封原理当采用螺栓法兰连接接头来达到密封要求时,2009年2月秦叔经1EN13445中法兰设计另一方法的分析和讨论3压力下,FP是定值,其值可以下式计算2FPPDG4式中DG垫片压紧力作用中心圆直径。压力的作用下,垫片变得更为紧密,使得其刚度变1大。而当卸载时,力和变形也不是按加载路径变化,而是以斜率更陡的曲线回弹即图2中的曲线AC。虽然对于非金属垫片,直线BC表示的力FP和AB的斜率还是已知的,但AC不再是直线,W的值就无法直接通过力三角形解得。好在从图2可以发现,在预紧阶段和升压阶段,螺栓和垫片的变形绝对值之和是相等的,即有GBGB或5GGBB0式5表示连接接头各零件现为螺栓和垫片HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML43在升压阶段相对于预紧阶段的变形差之和为0。当考虑法兰的变形和温差变形后,该关系仍然成立。图1FB装配完成时,螺栓所受的预紧力和垫片所受的压力FR在一定压力作用下,为达到密封要求而需在垫片上施加的最小压力FG在升压后,垫片所受到的压力FP在升压后,为平衡介质压力而需要的螺栓力B装配完成时,螺栓的变形G装配完成时,垫片的变形。在安装完成以后,即螺栓的预紧力确定以后,升压后垫片的压紧力FG就确定了FGFBW2图2螺栓和非金属垫片的受力和变形可见,合适的螺栓预紧力是保证满足密封要求的关键,在螺栓法兰连接接头的设计阶段应确定合适的螺栓预紧力。注意到在理想情况下,应使螺栓在预紧阶段和正常操作阶段始终处于弹性状态,以及垫片在压力升起以后的卸载过程将沿与弹性阶段相同斜率的直线发生回弹,即三角形ABC是已知的,可解出AC边的长度,从而求得W。由此可得到为达到密封所需要的最小螺栓预紧力为FBWFR3因此,只要有螺栓和垫片的柔度表达式,利用加压前后螺栓和垫片的变形绝对值之和相等的关系,即可求得保证密封要求所需要的最小螺栓预紧力。无论金属垫片还是非金属垫片,在升压阶段,如FG小于FR,都不能实现密封。此时,可以采取提高螺栓预紧力的方法来提高FG。但这样做是有限度的,即FB不能超过垫片所能承受的最大压力FCR。如当FB达到FCR时,在升压后,仍不能满足密封要求,则一般应考虑更换垫片。然而,提高升压后垫片压紧力FG的另一个方法可以是设法提高螺栓的刚度。从图3可以看到,当提高了螺栓的刚度,如装配时达到同样的预紧力,螺栓的加载直线将变陡,即从/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTMLRMB变为MB。这样,当升到同样的压力时,FP还由于非金属垫片在加载和卸载时,其本构关系一般都不存在严格意义上的直线,分析起来稍显复杂。如图2所示,非金属垫片在加载时,力和变形曲线的斜率是变化的,会变得越来越大。这是因为在4化工设备与管道第46卷第1期是以式1计算,于是,垫片的压紧力就将从FG提高到FG。FR0预紧工况下法兰连接接头受到的当量轴向外力。2计算有效垫片宽度BGEMINBGI,BGT。这一步本身是一个迭代过程,如对于平垫片,BGI按下式计算BGIE/DEG0ZF/EF0HG0ZF/EF0FG02DGEQ789EGMEO05K1FG0/AGEAGEDGEBGE式中BGT垫片实际宽度EG垫片厚度DGEDG2BGEDG2垫片外径EO垫片在比压为0时的压缩弹性模量K1垫片被螺栓预紧以后,压缩弹性模量的变化率HG0图3提高FGFZF法兰的转动柔度42EN13445EF0、EF0法兰材料的弹性模量QMAX垫片许用压缩应力。一般可以认为,当接连两次迭代计算BGE所得到的值,其相对差值小于5,即是可以接受的。3计算法兰受到的压力载荷FQ、外加力和力矩产生的当量压力载荷FR以及温差载荷UI。其中,压力载荷FQ以及外加力和力矩产生的当量压力载荷FR的计算方法与GB150和HG20582中给出的方法一致。温差载荷UI是考虑法兰接头安装完毕后,当温度变化时,法HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML兰、垫片与螺栓在螺栓轴向的温差变化不同而产生的载荷,即有2FQDGEP4FRFAEN13445附录G的法兰设计方法基于以下假定1法兰环截面在受载时只发生转动,不发生翘曲2考虑螺栓、垫片、两配对法兰或法兰与平盖整个连接接头的轴向变形协调和弹性力平衡3考虑垫片受力变形时的本构关系,金属垫片为线形本构关系,非金属垫片为非线形本构关系4连接接头所受载荷包括压力、温度变化、外加轴向力和弯矩。该方法包括的法兰结构形式有整体法兰、松式法兰、法兰连接的凸形封头和法兰平盖。考虑法兰在各种载荷的作用下会发生转动变形,而法兰密封面与垫片的有效接触宽度将随着法兰截面的转动发生变化,垫片的有效接触宽度又直接影响到密封所需要的螺栓力。因此,在整个计算过程中将需要进行一些迭代过程。计算过程如下所示1假定初始螺栓预紧力FG0,初始值可取FG0ABFB010114MAD3EUILBFITFIT0BITBIT0EFT12EGFITFIT0GITGIT0EFT式中FA作用于法兰面上的轴向力MA作用于法兰面上的弯矩D3E螺栓中心圆的有效直径EFT、E两配对法兰在垫片反力作用圆处FT3FR06直径为DGE的厚度LBEFTEGEFT式中AB螺栓的总截面积FB0螺栓在预紧工况下的许用应力GI、FI、FI螺栓、垫片和两配对法兰的BI、200HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML9年2月秦叔经1EN13445中法兰设计另一方法的分析和讨论52122线胀系数TTGI、TFI、TFI螺栓、垫片和两配对法兰在第BI、FGMAXFGIALLII工况下的温度T0装配温度。CG1BGT20EG螺栓最大螺栓力为FBMAXFGIFQIFRIALLI4为了保证在操作、试验等工况中,垫片反力不低于满足密封要求所需要的最小值FGI,MIN,预紧时的垫片反力应不小于以下公式算得的值FGMAXFGI,MINYGIFQIYQIALLI023螺栓应满足以下强度条件13FRIYRIFR0YR0UI/YG0BFBABFB210C3224式中FGI,MINMAXAGEMIPI,FQIFRI14式中AB螺栓的总截面积FB螺栓材料的许用应力摩擦系数C系数,如允许螺栓有微小的塑性变形,则C10如不允许螺栓有任何塑性变形,C4/31333如装配中,当螺栓拧,即有,则对所有工况,C0。、松式法兰和法兰盖,将采用不同的载荷比计算公式,然后将该载荷比予以限制。以整体法兰为例,载荷比的强度条件如下FFHFHHFHWF/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTMLARYGI、YQI、YRI第I工况中,垫片反力、压力载荷和外加机械载荷作用时,法兰接头的轴向柔度MI垫片系数PI介质压力。进一步考虑装配时垫片所比Q0,MIN,FG0,REQGE0,MINFG1516FB0,REQFG0,REQFR0MAX25FG0,REQ1FG0,FG0FG0,REQ,224,FG0,REQFG05II0FGIFG0,DYG0FQIYQIFRIYRIFR0YR0UI/YGI17HGHHHPWFMAX,20,26,10HGHHHPWFEN13445G6,FG0,DFG,1FB0,MAXFR03N1819FB0,MAXFB0,REQ1N1NNRNNHTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTMLGFG10AGTCGQMAX20EFPB3BPEFEGBF10226PBBFMT,NOM12DB0FB0,NOMNB276DB0NB461FG0,4FB0,NOM,FB0,REQ/1N2,FZFFGHGFQHHHPHQEFFRHHHR28,13,0,4,EFHTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML,LB,YGZFHGEF2331EN13445G,4,FGFR,14P,16,FGFR,EN13445GFB0,MINFB0,REQ/1N29FG2EFXBEBIXGEGIGCI302,FGHTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML,19,1319,2324,182NR10,18432EN,6200921EN134457Q0,MIN,MI,MI,1KTA32112N2/MGM21S21L10L01L001101001QMAXE0,20K1,2,MI,GCHTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML,EN13445GG921G926,E0K1GC,Q0,MINTAYLOR2FORGEY2E0QMAXGC31,QMITAYLOR2FORGEM,4,MI,90MM50MM,4MPA,1ML/MINEN13445,MI,QMAXI0I,QMAXQI0GC334,EN,7,QI,MINMI,5,HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML4,MI,1416,EN,8,NPS10CLASS150,FGI,FGI,KTA32112163,14MI,846124342,20242536,QMAXHTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML,5EN13445,MI,9,4,ASMEJISTAYLOR2FORGE,12MY,5,9,EN,HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML35EN,3,EN,EN,28FB0,NOM1,15200921EN134459EN2,TAYLOR2FORGE,EN,HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML,PVRCTAYLOR2FORGE,PVRC,ASMEVIII22EDITION200710,ENTAYLOR2FORGE,MI,2MI,TAYLOR2FORGE,EN,ENEN13445GLQ0,MINMI,MI,MI,MI,PVRC,GBAGSTP,PVRC,HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/57F5DDD0195F312B3169A5EAHTML,1ASME,BOILERPRESSUREVESSELCODES2GB1501998,S3TAKASHIKCHARACTERIZATIONOFSEALINGBEHAVIOROFGASKETSFORTHELEAKRATEBASEDONGA