公司名稱：南昌孟龍實(shí)業(yè)有限公司
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1、墊片材料、內(nèi)徑及寬度
墊片設(shè)計(jì)是整個(gè)法蘭連接設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，墊片材料、內(nèi)徑和寬度的選用都會(huì)對法蘭連接設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生很大影響。該熱交換器管程設(shè)計(jì)壓力較高，為保證在工作過程中管箱墊片不被損壞并保持優(yōu)良的密封性能，管箱法蘭應(yīng)選墊片系數(shù)ｍ、比壓力ｙ較高的硬墊片。工程上高壓法蘭中常用的墊片為橢圓形或八角形金屬密封墊，但該管箱法蘭墊片的內(nèi)徑及設(shè)計(jì)壓力均超出ＡＳＭＥＢ１６．２０—２０１２《Ｍｅｔａｌｌｉｃｇａｓｋｅｔｓｆｏｒｐｉｐｅｆｌａｎｇｅｓ：ｒｉｎｇ－ｊｏｉｎｔ，ｓｐｉｒａｌ－ｗｏｕｎｄ，ａｎｄｊａｃｋｅｔｅｄ》的范圍，橢圓形或八角形金屬密封墊尺寸設(shè)計(jì)困難，且金屬墊內(nèi)徑較大，加工精度難以保證。另外，高－高壓及高－低壓螺紋鎖緊環(huán)高壓熱交換器中主設(shè)備密封墊片一般采用具有良好回彈性及耐蝕性的復(fù)合柔性石墨波齒金屬墊片，故考慮選用復(fù)合柔性石墨波齒金屬墊片做為該管箱法蘭墊片，其ｍ＝３．７５、ｙ＝５２．４ＭＰａ。
根據(jù)ＡＳＭＥＳｅｃ．ⅧＤｉｖ．１附錄２中螺栓載荷計(jì)算公式，操作狀態(tài)下所需最小螺栓載荷Ｗｍ１和預(yù)緊狀態(tài)下所需最小螺栓載荷Ｗｍ２分別為：
Ｗｍ１＝０．７８５Ｇ２ｐ＋（２ｂ×３．１４Ｇｍｐ）（１）
Ｗｍ２＝３．１４ｂＧｙ（２）
式（１）～式（２）中，Ｇ為墊片反力載荷作用位置處的直徑，ｂ為墊片有效密封寬度，ｍｍ；ｐ為設(shè)計(jì)內(nèi)壓力，ＭＰａ。
由式（１）～式（２）可知，墊片材料一定，即墊片系數(shù)ｍ、比壓力ｙ數(shù)值一定時(shí)，墊片越寬，ｂ值越大，密封所需壓緊力越大，螺栓和法蘭的強(qiáng)度要求越高，法蘭結(jié)構(gòu)變得笨重。因此，在保證密封要求的情況下，應(yīng)盡可能選用寬度較小的墊片。根據(jù)ＡＳＭＥＳｅｃ．ⅧＤｉｖ．１附錄２中表２－４，當(dāng)設(shè)備內(nèi)徑ＤＮ處于９００ｍｍ＜ＤＮ＜１５００ｍｍ時(shí)，推薦的最小墊片接觸寬度為３２ｍｍ，故墊片的寬度設(shè)定為３２ｍｍ。墊片內(nèi)徑的設(shè)定則參考ＡＳＭＥＢ１６．２０—２０１２以及ＮＢ／Ｔ４７０２５—２０１２中墊片內(nèi)徑的選用規(guī)律，大直徑墊片內(nèi)徑一般比法蘭內(nèi)徑大５８ｍｍ，因此當(dāng)管箱法蘭墊片的內(nèi)徑Ｄ２設(shè)定為１３６０ｍｍ時(shí)，外徑Ｄ３即為１４２４ｍｍ。
2、螺栓規(guī)格及數(shù)量
在墊片的材質(zhì)和尺寸確定之后，墊片在預(yù)緊和操作狀況下所需要的壓緊載荷便可求出，這種壓緊載荷是由螺栓提供的，由此便可相應(yīng)求出預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積Ａｍ２及操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積Ａｍ１：
Ａｍ２＝Ｗｍ２／Ｓａ（３）
Ａｍ１＝Ｗｍ１／Ｓｂ（４）
式（３）～式（４）中，Ｓａ為常溫下螺栓許用應(yīng)力，Ｓｂ為設(shè)計(jì)溫度下螺栓許用應(yīng)力，ＭＰａ。
選用的螺栓規(guī)格和數(shù)量應(yīng)使螺栓實(shí)際總橫截面面積Ａｂ不小于Ａｍ（Ａｍ為Ａｍ１和Ａｍ２中的較大值）。選用的螺栓材料為ＳＡ－１９３ＧｒＢ７，其設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力Ｓｂ＝１５８．６ＭＰａ。經(jīng)ＡＳＭＥ強(qiáng)度計(jì)算軟件ＰＶＥＩＬＴＥ校核計(jì)算，螺栓的規(guī)格為Ｍ８０時(shí)，所需螺栓數(shù)量Ｎ＝４４，由ＴＥＭＡ９ｔｈ第九章中的表Ｄ－５Ｍ可知，Ｍ８０螺栓要求的最小螺栓間距Ｂ＝１６６．６９ｍｍ，法蘭環(huán)邊緣至螺栓中心圓最小距離Ｅ＝７４．６１ｍｍ，故最小螺栓圓直徑Ｄｂ＝ＮＢ＝２３４０ｍｍ，最小法蘭盤直徑Ｄ０＝Ｄｂ＋２Ｅ＝２４９０ｍｍ。若選螺栓規(guī)格為Ｍ１００時(shí)，所需螺栓數(shù)量Ｎ＝２８，由ＴＥＭＡ９ｔｈ第九章中表Ｄ－５Ｍ可知，Ｍ１００螺栓要求的最小螺栓間距Ｂ＝２０８ｍｍ，法蘭環(huán)邊緣至螺栓中心圓最小距離Ｅ＝９３．６６ｍｍ，故最小螺栓圓直徑Ｄｂ＝１８６０ｍｍ，最小法蘭盤直徑Ｄ０＝２０６０ｍｍ。由這２種螺栓選型可知，設(shè)計(jì)高壓法蘭時(shí)，選用數(shù)量少、大直徑的螺栓可使設(shè)計(jì)的螺栓中心圓及法蘭環(huán)直徑變小，法蘭結(jié)構(gòu)尺寸緊湊。
若選用設(shè)計(jì)溫度下具有較高許用應(yīng)力材質(zhì)的螺栓，如Ｃｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼螺栓ＳＡ－５４０Ｂ２３ＣＬ１，其設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力Ｓｂ＝２２７．５ＭＰａ。同理計(jì)算可得所需Ｍ８０螺栓數(shù)量Ｎ＝３２，最小螺栓圓直徑Ｄｂ＝１７１０ｍｍ，最小法蘭盤直徑Ｄ０＝１８６０ｍｍ。由此可知，選用強(qiáng)度高材質(zhì)的螺栓也可使法蘭結(jié)構(gòu)優(yōu)化。但ＳＡ－５４０螺栓熱處理要求嚴(yán)格，且采購價(jià)格高。設(shè)計(jì)中綜合考慮法蘭及螺栓的經(jīng)濟(jì)合理性，本管箱法蘭中最終選用了２８個(gè)規(guī)格為Ｍ１００的ＳＡ－１９３ＧｒＢ７螺栓，螺栓圓直徑Ｄｂ＝１８６０ｍｍ，法蘭盤直徑Ｄ０＝２０６０ｍｍ。
3、錐頸高度
墊片設(shè)計(jì)確定了法蘭力矩中力的大小，螺栓設(shè)計(jì)確定了螺栓中心圓直徑Ｄｂ，也就相應(yīng)確定了法蘭力矩中力臂的大小。為了使法蘭所受的力矩盡可能小，設(shè)計(jì)中應(yīng)將墊片壓緊力或螺栓中心圓直徑Ｄｂ控制得盡可能小。
在整個(gè)法蘭連接設(shè)計(jì)過程中，在保證墊片設(shè)計(jì)和螺栓設(shè)計(jì)所造成的法蘭力矩盡可能小的前提下，法蘭錐頸與法蘭環(huán)結(jié)構(gòu)比例設(shè)計(jì)也很重要。在上述墊片設(shè)計(jì)及螺栓設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在保證法蘭頸部軸向應(yīng)力、法蘭環(huán)徑向應(yīng)力及切向應(yīng)力盡量與相應(yīng)許用應(yīng)力接近的條件下，經(jīng)ＰＶＥＬＩＴＥ計(jì)算，得到了法蘭環(huán)厚度δ隨錐頸高度ｈ變化曲線，見圖３。
由圖３可以看出，當(dāng)錐頸高度ｈ＝１００ｍｍ時(shí)，所需法蘭環(huán)最小厚度δ＝３１３ｍｍ。隨著ｈ增大，在保證法蘭３項(xiàng)應(yīng)力趨近于相應(yīng)許用應(yīng)力的條件下，δ逐漸降低；當(dāng)ｈ增大到１５０ｍｍ時(shí)，δ的數(shù)值最小，為２５１ｍｍ；再增大ｈ，δ則開始增大；當(dāng)ｈ增大到２３０ｍｍ時(shí)，δ＝２６０ｍｍ。由此可知，當(dāng)ｈ＝１５０ｍｍ時(shí)，δ最小，為２５１ｍｍ，此時(shí)法蘭尺寸設(shè)計(jì)最為經(jīng)濟(jì)合理。按此尺寸設(shè)計(jì)的法蘭環(huán)及法蘭錐頸總高度最小，可節(jié)約鍛件材料成本。同時(shí)法蘭各項(xiàng)應(yīng)力值趨近于對應(yīng)的許用應(yīng)力值，使材料能夠充分地發(fā)揮各項(xiàng)強(qiáng)度性能，即趨近于滿應(yīng)力狀態(tài)，遵循滿應(yīng)力準(zhǔn)則。此時(shí)法蘭環(huán)不僅承受環(huán)向載荷，而且也承受徑向載荷，材料得到了充分利用。
