压力容器设计(7)

南京工业大学 备课笔记 31

类似于Timoskenko法中计算整体法兰方法

分析方法：考虑高颈的作用，将法兰分成壳体，高颈和法兰环，该方法被很多国家规范所采用，包括我国的GB150以弹性应力分析为基础，不考虑系统变形等。

（1）基本假设

螺栓载荷W，垫片反力P3及流体静压力的轴向力P1，P2已知。

根据这些力计算上施加于法兰的外力矩，从而用均匀作用在法兰内外周界上的力P组成的当量力偶来代替。

（2）由内压引起的法兰中的应力远小于螺栓力产生的弯曲应力不计 （3）中面假设，以壳体与锥颈的表面为中性面，锥颈大端的径向位移为零 （4）线性弹性假设，法兰上产生的应力，应变在弹性范围 （5）小变形假设，法兰环的变形（挠曲，转角）均很小

这样可将法兰结构分成三部分： 圆筒体——半无限长圆柱壳 锥颈——变厚度，圆柱壳 法兰环——薄的圆环板

分别用薄壳，薄板理论来求解。

Waters在大量实验基础上，将复杂理论计算所用到的各项参数给成图表，借助于图表就可核算法兰中各项应力值。

b.法兰设计方法 ⅰ）力的计算

内压作用在法兰内径截面上引起的轴向力P1

P1??4Di2?p

整体法兰P1通过筒壁作用于高颈的中央，活套法兰，P1看成作用在法兰环的内圆周上。松式法兰，如图作用在离内圆周

q1处，q1为内圆周到焊缝间距离。 2

南京工业大学 备课笔记 32

内压引起的总的轴向力（F）与作用于法兰内径截面上内压引起的轴向力之差P2

F?P2??4DGPDGP?22?4?4Di2P???D42G?DiP2?

垫片反力Ps

等于螺栓设计载荷与内压产生的总轴向力之差

P3?W?P1?P2

W：预紧或操作时螺栓总载荷。 ⅱ）力臂计算

不同形式法兰，力的作用位置不同，整体法兰，及按整体法兰计算的任意法兰

l1?R?0.5q11?R?q1?l3?2 1l3??D3?DG?21R??Db?Di??q12l2?

除活套法兰外的松式法兰，及按松式法兰计算的任意法兰

1?Db?Di?21l3??Db?DG?

21l2??l1?l3?2l1?活套法兰

1?Db?Di?2

1l2?l3??Db?DG?2l1?ⅲ）法兰力矩计算

南京工业大学 备课笔记 33

M1?P1l1 M2?P2l2 M3?P3l3 预学时

P?0 P1?P2?0 P3?W

总力矩：Ma?M3?W?ls 操作时：

MP?M1?M2?M3?P1l1?P2l2?P3l3 取以下二者之大值为计算外力矩

?M?MP????ft ??M?Ma????f?ⅳ）法兰应力计算

整体法兰，带颈松式法兰及按整体法兰计算的任意式法兰轴向应力

?H?f?M??q1?Di2

f：法兰颈部应力校准系数，即小端应力与大端应力之比 f>1表示最大轴向应力在小端处 f<1表示最大轴向应力在大端处取f=1 f值q1qo hD:qo从P99，GB150图9－7查

λ系数λ=r+η

r??t?e?1? TTt3

??

d1

Uhoqo2Vho?D:qo d1?e?FhoF，T，U，V无因次系数 径向应力

南京工业大学 备课笔记 34

??t2?Di环向应力

?R??1.33t?e?1?M

?T?Y?M?Z??R t2?DiY,Z无因次系数，从GB150图中查对活套法兰及按活套法兰计算的任意式法兰

?H?0?R?0?T?YMt2Di

不同之处是：Waters法将法兰作为环板进行分析并考虑锥颈作用。 力学模型见P173图4－27 非标准法兰设计步骤： 尽量选用标准法兰

非标准法兰设计，参照直径，压力等级相近的标准法兰尺寸，确定结构和尺寸，计算各项应力与相应许用应力比较。

c.法兰强度校核条件

法兰环上最大径向应力：?R????ft 法兰环上最大环向应力：?T????ft

法兰环上最大轴向应力：沿截面线性分布，有局部性，少量屈服，不致泄漏，所以

?H?1.5???ft或?H?2.5???nt较小值

???nt：壳体（接管）设计温度下许用应力

锥颈部分和法兰环的平均应力：

?H??R2????ft及?H??T2????ft

因为如允许颈部应力可以较高，则颈部载荷因应力重新分配传递到法兰环，导致法兰环部分屈服。为保证密切，必须对平均应力加以限制。

上述条件均须满足，否则须重新设计，一般通过改变法兰厚度或颈部尺寸。

南京工业大学 备课笔记 35

4.3.4.4高压密封设计

（1）高压密封基本特点

a.采用金属密封元件，所须的密封比压很高。材料：退火铝，退火紫铜，软钢。

b.采用窄面或线接触密封，减少接触面积，可降低预紧力，减少螺栓直径，减小法兰尺寸。

c.尽可能采用自紧或半自紧密封，压力越高，密封越可靠。 （2）高压密封结构形式

a.平垫密封:强制式密封

缺：主螺栓直径大，不适用温度，压力波动较大场合 b.卡扎里密封:强制式密封

特点：预紧力较小，不需要很大的主螺栓 适用于大直径，较高压力范围 Seal with double-cone c.双锥密封:半自紧密封

预紧状态：拧紧主螺栓，使双锥环锥面上软金属，垫片和平盖，锥面压紧，同时双锥环本身产生径向压缩，间隙q消失而贴紧，内压升高时，平盖上升，原施加在压紧面上比压减小。而双锥环在预紧时产生的回弹却使锥而保留一部分比压，介质压力作用下，双锥环向外扩张，使二锥面上比压增大，保证良好密封。

锥面上有2～3道半径1～1.5㎜,深1㎜的半圆形沟槽，平端盖的圆柱面上铣有纵向沟槽其螺栓载荷计算在后面介绍。

适用：直径大，压力和温度高，且波动大的容器。 d.伍德密封：P177图4－31,自紧式密封

预紧时：拧紧牵制螺栓，使顶盖，压紧筒体端部产生预紧密封力。 内压作用：随压力升高，顶盖上升，增加密封力

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