法兰强度设计

1、LANZHOU UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY兰州理工大学兰州理工大学李李 淑淑 欣欣 2008.11.29 2008.11.292022-4-7兰州理工大学石油化工学院2主 要 内 容 法兰结构类型法兰结构类型法兰标准法兰标准法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法巴赫法巴赫法铁木辛哥法铁木辛哥法华脱斯法华脱斯法各种设计方法比较各种设计方法比较大口径非标法兰强度设计方法大口径非标法兰强度设计方法事例说明事例说明WatersWaters法的可靠性？法的可靠性？2022-4-7兰州理工大学石油化工学院3主 要 内 容 法兰结构类型法兰结构类型法兰标准法兰

2、标准法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法巴赫法巴赫法铁木辛哥法铁木辛哥法华脱斯法华脱斯法各种设计方法比较各种设计方法比较大口径非标法兰强度设计方法大口径非标法兰强度设计方法事例说明事例说明WatersWaters法的可靠性？法的可靠性？2022-4-7兰州理工大学石油化工学院4法兰结构类型法兰结构类型2022-4-7兰州理工大学石油化工学院5法兰结构类型法兰结构类型2022-4-7兰州理工大学石油化工学院6法兰结构类型法兰结构类型-松式法兰松式法兰2022-4-7兰州理工大学石油化工学院7法兰结构类型法兰结构类型-松式法兰松式法兰2022-4-7兰州理工大学石油化工学院8法兰结构类型法兰结

3、构类型-整体法兰整体法兰2022-4-7兰州理工大学石油化工学院9法兰结构类型法兰结构类型-任意式法兰任意式法兰2022-4-7兰州理工大学石油化工学院10主 要 内 容 法兰结构类型法兰结构类型法兰标准法兰标准法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法巴赫法巴赫法铁木辛哥法铁木辛哥法华脱斯法华脱斯法 2022-4-7兰州理工大学石油化工学院11法兰标准法兰标准2022-4-7兰州理工大学石油化工学院12法兰标准法兰标准-公称直径公称直径2022-4-7兰州理工大学石油化工学院13法兰标准法兰标准-公称压力公称压力2022-4-7兰州理工大学石油化工学院14c. 法兰标准的选用法兰标准的选用依据

4、：依据：根据容器或管道的公称直径、工程压力、工作温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。度、工作介质特性以及法兰材料进行选用。管法兰：管法兰：国际上两个体系，即欧洲体系（以国际上两个体系，即欧洲体系（以DIN标准为代表）及美标准为代表）及美洲体系（以洲体系（以ASME B16.5、B16.47为代表）。两个体系之间为代表）。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。不能互相配用。较明显的区分标志为公称压力等级不同。国际标准化组织于国际标准化组织于1983年提出了年提出了ISO/DIS7005-1钢钢法兰法兰标推标推(草案草案)，它实

5、际上是由美国和德国的管法，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。兰标准修改合并而成，但仍末成为正式标准。法兰标准法兰标准-法兰的选用法兰的选用2022-4-7兰州理工大学石油化工学院15法兰标准法兰标准-中国管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原一机部的管法兰和垫片管法兰和垫片标准标准JB7590-59和化工和化工部的部的管法兰管法兰标准标准HG50015028-58，两者都是按前，两者都是按前苏联管法兰标准（属德国苏联管法兰标准（属德国DIN管法兰标准体系）制定的管法兰标

6、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，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：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：中国管法兰标准：2022-4-7兰州理工大学石油化工学院16法兰标准法兰标准-中国管法兰标准中国管法兰标准 国家标准国家标准 GB91129128-88钢制管法兰钢制管法兰参照参照ISO/DIS7005-1制定的。公称压力制定的。公称压力PN 0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.

7、0MPa为德国管为德国管法兰系列；法兰系列；PN2.0、5.0、10.0、15.0、25.0、42.0MPa为美国管法为美国管法兰系列。兰系列。 中石化总公司工程建设标准中石化总公司工程建设标准 JB/T74-90钢制管法兰钢制管法兰按照美按照美国国ANSI B16.5管法兰标准制定的，配用英制管，公称压力管法兰标准制定的，配用英制管，公称压力PN 2.0、5.0、6.8、10.0、15.0、25.0、42.0MPa为美国管法兰系列。为美国管法兰系列。 化学工业部工程建设标准化学工业部工程建设标准 HGJ4476-91钢制管法兰、垫片钢制管法兰、垫片、紧固件、紧固件是在是在HG，JB管法兰基础

8、上参照德国管法兰基础上参照德国DIN管法兰标准管法兰标准制定的，配用公制管。制定的，配用公制管。2022-4-7兰州理工大学石油化工学院17主 要 内 容 法兰结构类型法兰结构类型法兰标准法兰标准法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法巴赫法巴赫法铁木辛哥法铁木辛哥法华脱斯法华脱斯法各种设计方法比较各种设计方法比较大口径非标法兰强度设计方法大口径非标法兰强度设计方法事例说明事例说明WatersWaters法的可靠性？法的可靠性？2022-4-7兰州理工大学石油化工学院18法兰设计内容法兰设计内容u 垫片设计垫片设计垫片有效密封宽度；垫片有效密封宽度；垫片特性参数（垫片特性参数（m m，y y）

9、垫片压紧力作用中心圆直径垫片压紧力作用中心圆直径垫片压紧力垫片压紧力垫片宽度校核垫片宽度校核u 螺栓设计螺栓设计u 法兰强度设计法兰强度设计 u法兰型式设计法兰型式设计松套法兰松套法兰整体法兰整体法兰任意式法兰任意式法兰2022-4-7兰州理工大学石油化工学院19法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法计算方法分类：三类计算方法分类：三类 以材料力学为基础的简单计算方法以材料力学为基础的简单计算方法 Bach Bach法法 以弹性分析为基础的设计方法：将法兰中的应力控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，世界各国广泛制在弹性范围内。该法使用经验丰富，世界

10、各国广泛使用使用 Timoshenko Timoshenko 和和 WatersWaters法法 以塑性分析为基础的设计方法：对法兰的强度以塑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。性失效设计准则加以控制。但计算较复杂，目前除了但计算较复杂，目前除了个别国家（如西德标准个别国家（如西德标准DIN2505DIN2505）使用外，还未被广泛）使用外，还未被广泛采用。采用。2022-4-7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

11、，将法兰剖开后伸直就成为如图所示的又窄又长的悬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。梁的弯矩为臀梁。梁的弯矩为W.LW.L，然后分别校验，然后分别校验ACAC截面上和截面上和BCBC截面上的弯曲应力。截面上的弯曲应力。法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法-Bach法法2022-4-7兰州理工大学石油化工学院21法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法-Bach-Bach法法a. AC() / 2WlW KN剖面所受弯矩：2AC/ 6Nt剖面截面系数 AC()/23-22/6W KNW K NNtNt因此，剖面上的弯曲应力为（）=2022-4-7兰州理工

12、大学石油化工学院22法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法-Bach-Bach法法1 BC () / 2W KNS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()/6N SS剖面的截面系数为：11211110.4()/2 1.2-SBC2(S )S()/6W KNSW K NNtNSS（）因此剖面弯曲应力为： =t 强度条件：10.4()/2W KNS2022-4-7兰州理工大学石油化工学院23法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法-Timoshenko法法 以弹性分析为基础的设计方法：以弹性分析为基础的设计方法：Timoshe

13、nkoTimoshenko法法 从计算角度将法兰划分为从计算角度将法兰划分为活套法兰活套法兰和和整体法兰整体法兰两大类。两大类。u计算活套法兰：计算活套法兰：把法兰当作受扭转的把法兰当作受扭转的矩形截面圆环矩形截面圆环来考虑，即矩来考虑，即矩形截面的法兰环在受扭转作用后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只能绕环的形心旋转而不会产生弯曲或畸变，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

14、应力，所以此法又称变形的关系求出法兰上的应力，所以此法又称“环板扭转法环板扭转法”。u计算整体法兰：计算整体法兰：把法兰和筒体视为一个整体，在法兰环与筒体连把法兰和筒体视为一个整体，在法兰环与筒体连接处接处结构不连续结构不连续，需通过变形协调方程求解。步骤较繁，对高颈，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。法兰，由于忽略了高颈的作用，所以结果偏于保守。2022-4-7兰州理工大学石油化工学院24法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法-Timoshenko法法基本假设：基本假设：u法兰在操作过程中不发生任何屈服或蠕变，即处于完法兰在操作过程中不发

15、生任何屈服或蠕变，即处于完全弹性状态；全弹性状态；u法兰为受均布外力矩作用的矩形截面的圆环，受力后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；不发生畸变扭歪；u不及操作内压引起的薄膜应力；不及操作内压引起的薄膜应力；u不考虑螺栓孔的影响。不考虑螺栓孔的影响。2022-4-7兰州理工大学石油化工学院25法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法-Timoshenko法法 按基本假设按基本假设b b，法兰的矩形截面不发生畸变扭歪，则环的变形只是，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：由于截面偏转一角度。按照下图作如下分析： 2022-4

16、-7兰州理工大学石油化工学院26法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法-Timoshenko法法 设设A A为矩形截面上任一点，其坐标为为矩形截面上任一点，其坐标为(r(r，y)y)。当矩形截面。当矩形截面绕中心绕中心C C转过一角度转过一角度q q以后，以后，A A点位移到点位移到AA，其半径出，其半径出r r变变为为r+drr+dr。A A点的周向相对伸长为：点的周向相对伸长为：A A点周向应变：点周向应变： 周向应力：周向应力：2022-4-7兰州理工大学石油化工学院27法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法-Timoshenko法法周向应力：周向应力：偏转角偏转角q q ：Mt:M

17、t:法兰环截面中心圆周上法兰环截面中心圆周上 单位周长力矩；单位周长力矩；r r：法兰环截面中心圆周上：法兰环截面中心圆周上 半径；半径；t t：法兰环厚度：法兰环厚度 W: W: 螺栓总拉紧力螺栓总拉紧力 最大周向应力：最大周向应力：环的上下表面内侧环的上下表面内侧 x=Rx=Ri i；y=l/2y=l/22022-4-7兰州理工大学石油化工学院28法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法-Waters法法 Waters法是我国国家标准法是我国国家标准GB150-1998钢制压力钢制压力容器容器和和GB/T17186-1997国家标准国家标准钢制管法兰强度钢制管法兰强度计算方法计算方法(A方

18、法方法)中的法兰计算所引用。中的法兰计算所引用。 对法兰的应力分析和对法兰的应力分析和Timoshenko法计算整体法兰法计算整体法兰的方法类似，所不同的是，的方法类似，所不同的是，Waters法将法兰环不是作法将法兰环不是作为圆环，而是作为为圆环，而是作为环板环板进行分析，并且考虑了进行分析，并且考虑了法兰锥法兰锥颈颈的作用。的作用。高颈法兰的应力分析力学模型如下图所示：高颈法兰的应力分析力学模型如下图所示：2022-4-7兰州理工大学石油化工学院29法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法-Waters法法2022-4-7兰州理工大学石油化工学院30法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法

19、- Waters法法2022-4-7兰州理工大学石油化工学院31法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法- Waters法法2022-4-7兰州理工大学石油化工学院32法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法- Waters法法2022-4-7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，将法兰按照弹性分析方法，将法兰3部分边界上的未知内力（部分边界上的未知内力（Ms0 , M

20、p0 ,Qs0 , Qp0 ）和锥颈径向位移函数中的和锥颈径向位移函数中的4个积分常数（个积分常数（d1，d2,d3,d4）作为基本未知量。）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：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，结构尺寸和力矩给定法兰材料，结构尺寸和力矩M0的前提下，由的前提下，由8个平衡方个平衡方程所确定的程所确定的8个未知量求解得法兰三个方向最大应力为：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法兰强度设计计算方法- Waters法法2022-4-7兰州理工大学石油化工学院34法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法- Wat

21、ers法法122:AB(11.33 ) C-CHfMD giMterD tiYMZsrD ti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；初拟法兰厚度；Di：法兰内直径；：法兰内直径；M：法兰力矩；：法兰力矩；f: 法兰锥颈应力校正系数；法兰锥颈应力校正系数；e: 系数，系数，e =F/h0h0: 系数，系数，h0 = （Dig0）1/2g1:系数，系数， g1=（U/V）h0g02F和和V分别是分别是考虑剪力和转角影响的锥颈系数，根据考虑剪力和转角影响的锥颈系数，根据g1/ g0 和和h1 /h0和由图查取；和由图查取；2022-4-7兰州理工大学石

22、油化工学院35 WatersWaters法是线弹性理论方法，法兰中各处的应力与外载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（法兰力矩）成线形（正比）关系，而法兰3 3部分边界上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。构尺寸的无量纲比值的函数。法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法- Waters法法 从便于设计应用的角度出发，从便于设计应用的角度出发，Wate

23、rsWaters建立一组无量纲参数，建立一组无量纲参数，其中体现锥径结构的参数是其中体现锥径结构的参数是g g1 1/ / g g0 0 ，h h1 1 /h/h0 0 ，体现法兰环参，体现法兰环参数的是数的是K K（D D0 0/D/Di i），并进行大量计算，给出由这些无量纲），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,fF,V,f, ,体现法兰环作用的参数是体现法兰环作用的参数是Y Y，T T，U U，Z Z。2022-4-7兰州理工大学石油化工学院36法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方

24、法- Waters法法法法兰兰各各项项应应力力分分布布2022-4-7兰州理工大学石油化工学院37法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法- Waters法法2022-4-7兰州理工大学石油化工学院38法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法- Waters法法 关于法兰强度计算的全过程见文献：关于法兰强度计算的全过程见文献： 美美 螺栓法兰一般公式的推导，螺栓法兰一般公式的推导，19371937；E.O.Waters,D.B. Wesstrom;E.O.Waters,D.B. Wesstrom;中译文：石中译文：石油化工技术情报油化工技术情报 19781978年第五期，北京石年第五期，北京石

25、油化工总厂设计院。油化工总厂设计院。2022-4-7兰州理工大学石油化工学院39法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法- Waters法法2022-4-7兰州理工大学石油化工学院40法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法- Waters法法2022-4-7兰州理工大学石油化工学院41法兰强度设计计算方法法兰强度设计计算方法-DIN2505法法 基于塑性极限载荷的设计方法：基于塑性极限载荷的设计方法：DIN2505DIN2505法法 该方法并不注重于法兰本身的应力水平，而是着眼于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兰连接的密封性能

26、。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作一个“载荷载荷-变形图变形图”的办法来加以确认。的办法来加以确认。 国标国标GB/T17186-1997钢制管法兰连接强度计算方法钢制管法兰连接强度计算方法方法方法B的主要内容取自德国的主要内容取自德国DIN2505-1964管法兰连接管法兰连接计算计算。2022-4-7兰州理工大学石油化工学院42 该方法计算模型过于简化，与实际法兰受力情况有很大出该方法计算模型过于简化，与实际法兰受力情况有很大出入。通常整体法兰的危险应力总是发生于椎颈，而该方法则入。通常整

27、体法兰的危险应力总是发生于椎颈，而该方法则未加考虑。因此，计算结果无法反映法兰的真实应力状况。未加考虑。因此，计算结果无法反映法兰的真实应力状况。 该方法仅计算该方法仅计算“环环”的径向弯曲应力，而实际法兰环的径向弯曲应力，而实际法兰环的最大应力并非总是发生于径向，也可能存在于环向。的最大应力并非总是发生于径向，也可能存在于环向。Bach法存在问题：法存在问题： 通过大量计算比较和实践表明，该方法计算结果偏于通过大量计算比较和实践表明，该方法计算结果偏于危险。工程设计中很少采用该方法。危险。工程设计中很少采用该方法。三种设计方法比较三种设计方法比较2022-4-7兰州理工大学石油化工学院43

28、该法以弹性分析为基础，考虑了法兰的三部分：客体、锥该法以弹性分析为基础，考虑了法兰的三部分：客体、锥颈鹤法兰换之间的相互作用。从弹性分析准则来说是比较完颈鹤法兰换之间的相互作用。从弹性分析准则来说是比较完善的计算方法。善的计算方法。 Waters法：法： 大量实践证明，大量实践证明，Waters法在通常情况下能获得满意的法在通常情况下能获得满意的设计结果。具有以下特点：设计结果。具有以下特点： A. 建立在合理的弹性分析理论基础之上；建立在合理的弹性分析理论基础之上； B. 经历了长期的时间考验；经历了长期的时间考验； C. 计算简便。计算简便。 由于这些特点，由于这些特点，Waters法为美

29、、英、日等国的规范（法为美、英、日等国的规范（ASME、BS及及JIS）所采用。）所采用。三种设计方法比较三种设计方法比较2022-4-7兰州理工大学石油化工学院44 该法认为法兰的强度并非是设计的主要矛盾，因此该法认为法兰的强度并非是设计的主要矛盾，因此允许对法兰按极限载荷法进行计算，从而挖掘法兰的允许对法兰按极限载荷法进行计算，从而挖掘法兰的承载能力，可获得较小结构尺寸的法兰设计。承载能力，可获得较小结构尺寸的法兰设计。 但是但是 “载荷载荷-变形图变形图”需涉及垫片的回弹性能、比需涉及垫片的回弹性能、比压及垫片系数等参数，而这些参数又受到许多因素的压及垫片系数等参数，而这些参数又受到许多

30、因素的影响，测定这些参数的准确性尚存在很多问题。影响，测定这些参数的准确性尚存在很多问题。 由于制作由于制作“载荷载荷-变形图变形图”非常困难，非常困难，AD规范中干规范中干脆免去了对密封性能的检验步骤，因此，存在着密封脆免去了对密封性能的检验步骤，因此，存在着密封失效的危险性。失效的危险性。DIN法：法：三种设计方法比较三种设计方法比较2022-4-7兰州理工大学石油化工学院45Waters法设计步骤法设计步骤（一）法兰尺寸的初步设计（一）法兰尺寸的初步设计（二）内压法兰载荷（二）内压法兰载荷（三）法兰应力（三）法兰应力（四）应力校核（四）应力校核2022-4-7兰州理工大学石油化工学院46

31、Waters法设计步骤法设计步骤-1（一）法兰尺寸的初步设计（一）法兰尺寸的初步设计整体法兰结构尺寸示意图整体法兰结构尺寸示意图W: 螺栓设计载荷螺栓设计载荷FG：垫片载荷：垫片载荷FD：法兰环内径截面上的压力载荷：法兰环内径截面上的压力载荷FT：介质压力引起的总轴向力与法：介质压力引起的总轴向力与法兰内径截面上的压力载荷之差兰内径截面上的压力载荷之差FT= F- FDF:介质压力引起总轴向力介质压力引起总轴向力DG：垫片压紧力作用中心圆直径垫片压紧力作用中心圆直径2022-4-7兰州理工大学石油化工学院47Waters法设计步骤法设计步骤-2 计算法兰外力矩时，螺栓力、垫片载荷及压力载荷的作

32、用点计算法兰外力矩时，螺栓力、垫片载荷及压力载荷的作用点均与法兰尺寸有关。在进行法兰计算前，需先拟定必要的法兰均与法兰尺寸有关。在进行法兰计算前，需先拟定必要的法兰强度尺寸和连接尺寸。强度尺寸和连接尺寸。 锥径小端与壳体相连，其厚度通常取与壳体壁厚相同，锥颈锥径小端与壳体相连，其厚度通常取与壳体壁厚相同，锥颈大端与小端比例关系为：大端与小端比例关系为：g1/g0=1.6-1.8 或按如下经验公式确定或按如下经验公式确定: g038mm时，时，g1=2g0； g038mm时，时，g1=1.5g0； g1/t=0.43-0.73 锥颈锥度通常等于或小于锥颈锥度通常等于或小于13，锥颈高度一般取，锥

33、颈高度一般取h=1.5g1（一）法兰尺寸的初步设计（一）法兰尺寸的初步设计（1）法兰强度尺寸和连接尺寸）法兰强度尺寸和连接尺寸2022-4-7兰州理工大学石油化工学院48Waters法设计步骤法设计步骤-3最小垫片压紧力：最小垫片压紧力：（2）垫片压紧力）垫片压紧力最小垫片压紧力：最小垫片压紧力：最小螺栓载荷：最小螺栓载荷：（3）螺栓载荷）螺栓载荷最小螺栓载荷：最小螺栓载荷：2022-4-7兰州理工大学石油化工学院49Waters法设计步骤法设计步骤-4（4）螺栓面积）螺栓面积最小螺栓面积：最小螺栓面积：最小螺栓面积：最小螺栓面积：需要的螺栓面积需要的螺栓面积Am取取Aa与与Ap之大值；之大值

34、；实际螺栓面积实际螺栓面积Ab应不小于所需面积应不小于所需面积Am。（5）螺栓设计载荷）螺栓设计载荷螺栓设计载荷：螺栓设计载荷：螺栓设计载荷螺栓设计载荷：实际螺栓面积实际螺栓面积Ab将大于所需面积将大于所需面积Am，为防止，为防止预紧时螺栓过量拧紧造成法兰超载，在计算预紧时螺栓过量拧紧造成法兰超载，在计算设计载荷时，螺栓面积按实际面积与计算面设计载荷时，螺栓面积按实际面积与计算面积的平均值考虑。积的平均值考虑。2022-4-7兰州理工大学石油化工学院50Waters法设计步骤法设计步骤-5：（二）内压法兰载荷（二）内压法兰载荷FG =W ； FD =0；FT =0; FG= FP= 2 DGb

35、mpcFD=(/4)Di2pFT=(/4)(DG2-Di2)p2022-4-7兰州理工大学石油化工学院51Waters法设计步骤法设计步骤-6 比较预紧和操作情况下两力矩的大小，其中较大者为法兰计比较预紧和操作情况下两力矩的大小，其中较大者为法兰计算力矩：算力矩：设计和常温下设计和常温下的许用应力的许用应力（三）法兰应力（三）法兰应力122:AB(11.33 ) C-CHfMD giMterD tiYMZsrD ti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2022-4-7兰州理工大学石油化工学院52Waters法设计步骤法设计步骤-7（四）应力校核（四）应力校核202

36、2-4-7兰州理工大学石油化工学院532022-4-7兰州理工大学石油化工学院54关于关于Waters法的几点说明法的几点说明 Waters法虽然没有直接计算法兰变形，但它法虽然没有直接计算法兰变形，但它用计算法兰的弹性名义应力，通过控制适当许用计算法兰的弹性名义应力，通过控制适当许用应力的办法来保证法兰具有足够的刚性，从用应力的办法来保证法兰具有足够的刚性，从而使整个连接达到密封可靠的要求，达到了以而使整个连接达到密封可靠的要求，达到了以简便的强度设计代替密封设计的当量计算目的简便的强度设计代替密封设计的当量计算目的。由此可见，。由此可见，Waters法的设计结果是法兰相对法的设计结果是法兰

37、相对偏于安全。偏于安全。-法兰实用手册法兰实用手册李新华李新华说明：说明：2022-4-7兰州理工大学石油化工学院55说明：说明： Waters指出：该设计方面对所设计的法兰直径指出：该设计方面对所设计的法兰直径和压力不受限制。和压力不受限制。-法兰实用手册法兰实用手册李新华李新华 经过综合分析后，认为经过综合分析后，认为Waters法中未考虑的一些法中未考虑的一些因素对法兰应力的综合影响结果，使法兰应力增高因素对法兰应力的综合影响结果，使法兰应力增高并非过大，总的计算结果仍有足够的裕量，即使对并非过大，总的计算结果仍有足够的裕量，即使对于直径达于直径达3600mm的法兰仍适用的法兰仍适用 。

38、-压力容器及压力容器及化工设备化工设备陈国理陈国理关于关于Waters法的几点说明法的几点说明2022-4-7兰州理工大学石油化工学院56大口径非标法兰强度设计方法大口径非标法兰强度设计方法- Waters- Waters法法 在选定法兰和垫片的材料后，参考法兰标准系列初在选定法兰和垫片的材料后，参考法兰标准系列初拟法兰结构和尺寸，对整体法兰，是在假设法兰锥颈和拟法兰结构和尺寸，对整体法兰，是在假设法兰锥颈和法兰环厚度基础上计算力矩及各项法兰应力法兰环厚度基础上计算力矩及各项法兰应力 当应力与相应的许用应力相差较大时，调整法兰椎颈或当应力与相应的许用应力相差较大时，调整法兰椎颈或法兰环的尺寸，

39、重复计算过程，法兰环的尺寸，重复计算过程， 直至各项法兰应直至各项法兰应力小于相应的许用应力，并较接近时为止。力小于相应的许用应力，并较接近时为止。试算法：试算法： Waters法设计中，随着法设计中，随着Di增大，对应于系数图增大，对应于系数图f、F、V、T、U、Y、Z中可能无法查取中可能无法查取 ？2022-4-757兰州理工大学石油化工学院 根据清华大学根据清华大学5MW低温核供热堆试验低温核供热堆试验堆工程的安全壳设计实例，建立了与实堆工程的安全壳设计实例，建立了与实际法兰结构完全一致的三维有限元模型际法兰结构完全一致的三维有限元模型，采用六节点三角形单元划分有限元网，采用六节点三角形

40、单元划分有限元网格，克服了采用格，克服了采用Waters的近似，使应力的近似，使应力计算结果更加可靠。计算结果表明，对计算结果更加可靠。计算结果表明，对于直径大于于直径大于1000 mm的大型法兰，采用的大型法兰，采用GB150 规范设计时，应力计算值小于实规范设计时，应力计算值小于实际值，误差达际值，误差达10%以上，具有一定的局以上，具有一定的局限性。限性。2022-4-758兰州理工大学石油化工学院2.2 2.2 有限元网格划分有限元网格划分采用采用MSC.PATRANMSC.PATRAN进进行安全壳顶盖封头行安全壳顶盖封头法兰结构的有限元法兰结构的有限元分析，模型为轴对分析，模型为轴对

41、称称6 6节点三角形单节点三角形单元。网格划分如图元。网格划分如图所示。所示。2022-4-759兰州理工大学石油化工学院2.3 Waters 法与法与FEM应力计算结果的比较应力计算结果的比较 当安全壳顶盖的法兰与封头之间的直筒节取不同长度当安全壳顶盖的法兰与封头之间的直筒节取不同长度L L 时，有限元法得时，有限元法得到的法兰锥颈小端到的法兰锥颈小端M M点的轴向应力列于表中点的轴向应力列于表中. .安全壳实际安全壳实际L为为100mm,FEM值值为为338.1MPa；而；而GB150计算得计算得到的值为到的值为233.4MPa，且与，且与L无关无关。可见这两种方法得到的法兰锥。可见这两种

42、方法得到的法兰锥颈小端应力之差很大；颈小端应力之差很大；FEM值值与水压试验实测值误差很小。与水压试验实测值误差很小。当当L很大，接近于很大，接近于Waters法假设的法假设的半无穷直筒壁时，半无穷直筒壁时，M点的应力值趋点的应力值趋于一定值，这个值仍比于一定值，这个值仍比Waters法的法的结果高结果高17%，这就是，这就是Waters法对大法对大口径法兰与半无限长直筒体连接时口径法兰与半无限长直筒体连接时的法兰轴向应力的计算误差。的法兰轴向应力的计算误差。2022-4-760兰州理工大学石油化工学院 将上述表中数据绘成图，可以更清晰地看到，随着将上述表中数据绘成图，可以更清晰地看到，随着L

43、 L的的加长，加长，M M点的轴向应力值逐渐地趋于一个定值，这与弹性理点的轴向应力值逐渐地趋于一个定值，这与弹性理论的分析结果是一致的。论的分析结果是一致的。2022-4-761兰州理工大学石油化工学院结论： 5 MW 低温核供热堆金属安全壳应力和变形计算的实例说明，GB150 用于容器端盖大法兰的设计有较大的应力计算误差。采用有限元方法进行容器端盖大口径法兰的应力和变形计算以及强度设计和密封设计是必要的，尤其是当强度要求和密封要求较高时，仅仅用GB150 做容器端盖大法兰设计是不适宜的。2022-4-762兰州理工大学石油化工学院 由于工程应用和研究需要由于工程应用和研究需要,本文作者设计了非标法兰本文作者设计了非标法兰、垫片、螺栓以及阀门连接系统结构。同时、垫片、螺栓以及阀门连接系统