公司新聞
壓力容器長頸對焊法蘭優(yōu)化設(shè)計(jì)
更新時(shí)間??2021-04-01 09:56 閱讀
通過兩個(gè)具體算例對壓力容器長頸對焊法蘭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了錐頸高度和法蘭厚度對法蘭軸向應(yīng)力、徑向應(yīng) 力和切向應(yīng)力三項(xiàng)主要應(yīng)力的影響。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)調(diào)整至法蘭厚度和錐頸高度相近時(shí)，三項(xiàng)主要應(yīng)力值均接近滿應(yīng)力 值。這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)使得法蘭結(jié)構(gòu)緊湊，受力合理，減輕重量，可顯著降低法蘭成本。對小直徑且壓力不高的長頸對焊法 蘭，在保證法蘭錐頸段斜率<1:3的前提下，法蘭可以不帶直邊段。
長頸對焊法蘭是壓力容器中最常用的設(shè)備法 蘭，NB/T 47023-2012標(biāo)準(zhǔn)[7]雖然給出了公稱壓力 為0.6?6.4MPa、工作溫度-70°C~450°C的碳鋼和 低合金鋼制壓力容器長頸對焊法蘭，但法蘭、螺 柱、螺母及墊片材料需完全按標(biāo)準(zhǔn)中匹配表和修 正表執(zhí)行，受到諸多限制，而且在工程實(shí)際中很 多長頸對焊法蘭都超出了NB/T 47023-2012標(biāo)準(zhǔn)的 范圍，如不銹鋼法蘭或工作溫度超過450C的長 頸對焊法蘭等，這時(shí)都要按GB/T 150.3-2011進(jìn)行 非標(biāo)法蘭設(shè)計(jì)計(jì)算。筆者通過兩個(gè)具體計(jì)算實(shí)例 對S30408III長頸對焊法蘭和15CrMoIII長頸對焊 法蘭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了錐頸高度和法蘭厚度 等對法蘭軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力三項(xiàng)主 要應(yīng)力的影響，給出了長頸對焊法蘭優(yōu)化設(shè)計(jì)的 建議，可供壓力容器相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。另外， 筆者還借鑒了一些大型設(shè)計(jì)院和工程公司的法蘭 設(shè)計(jì)方案，對小直徑且壓力不高的長頸對焊法 蘭，建議在法蘭設(shè)計(jì)時(shí)不帶直邊段，但要按GB/T 150.3-2011要求保證法蘭錐頸段斜率31:3,這樣設(shè) 計(jì)可以顯著降低法蘭成本。
某容器法蘭材質(zhì)為S3 0408III，設(shè)計(jì)溫 度300C;設(shè)計(jì)壓力2.6MPa;對接筒體規(guī)格 為DN1000 X 14mm，選用纏繞墊：m = 3.0， y=69MPa;常溫下法蘭許用應(yīng)力[〇]=137MPa，設(shè) 計(jì)溫度下法蘭許用應(yīng)力[〇 ]/ =85MPa，螺柱材質(zhì)為 35CrMoA，規(guī)格M30，數(shù)量48個(gè)，不考慮腐蝕裕 量。
筆者首先參照NB/T 47023-2012標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 法蘭的外形尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，法蘭外徑為 中1215mm，法蘭內(nèi)徑為$ 1000mm，螺栓圓直徑 為中1155mm，法蘭有效厚度為100mm，錐頸高度 h=42mm，頸部大端有效厚度g1=36mm，頸部小端 有效厚度g0取對接筒體厚度14mm。然后進(jìn)行初步 計(jì)算，軸向應(yīng)力〇H=199.25MPa>1.5[叫/，綜合 應(yīng)力max(0.5( 〇 H + 〇 R), 0.5( 〇 H + 〇 T)) =136.01MPa >[〇]/，法蘭強(qiáng)度校核不合格。此時(shí)，有部分設(shè) 計(jì)人員會盲目増加法蘭厚度，直至校核合格，這 是不可取的，盲目加厚法蘭會造成材料浪費(fèi)，而 且法蘭受力也不合理。
當(dāng)軸向應(yīng)力過大或過小時(shí)，應(yīng)采取調(diào)整錐 頸尺寸的方法來處理，可以調(diào)整錐頸厚度或錐頸 高度。軸向應(yīng)力的最大值通常位于錐頸小端截面 上，從系數(shù)f可以判斷出。系數(shù)f為錐頸小端的應(yīng)力。
與大端的應(yīng)力之比，當(dāng)f大于1時(shí)，應(yīng)力最大值在錐 頸的小端，f小于等于1時(shí)，應(yīng)力最大值在錐頸的大 端。本算例中，為了便于與筒體對接，錐頸小端 厚度取筒體厚度，不做調(diào)整；錐頸大端有效厚度 需按GB/T 150.3中表7-3LA最小值的規(guī)定，
長頸對焊法蘭是壓力容器中最常用的設(shè)備法 蘭，NB/T 47023-2012標(biāo)準(zhǔn)[7]雖然給出了公稱壓力 為0.6?6.4MPa、工作溫度-70°C~450°C的碳鋼和 低合金鋼制壓力容器長頸對焊法蘭，但法蘭、螺 柱、螺母及墊片材料需完全按標(biāo)準(zhǔn)中匹配表和修 正表執(zhí)行，受到諸多限制，而且在工程實(shí)際中很 多長頸對焊法蘭都超出了NB/T 47023-2012標(biāo)準(zhǔn)的 范圍，如不銹鋼法蘭或工作溫度超過450C的長 頸對焊法蘭等，這時(shí)都要按GB/T 150.3-2011進(jìn)行 非標(biāo)法蘭設(shè)計(jì)計(jì)算。筆者通過兩個(gè)具體計(jì)算實(shí)例 對S30408III長頸對焊法蘭和15CrMoIII長頸對焊 法蘭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了錐頸高度和法蘭厚度 等對法蘭軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力三項(xiàng)主 要應(yīng)力的影響，給出了長頸對焊法蘭優(yōu)化設(shè)計(jì)的 建議，可供壓力容器相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。另外， 筆者還借鑒了一些大型設(shè)計(jì)院和工程公司的法蘭 設(shè)計(jì)方案，對小直徑且壓力不高的長頸對焊法 蘭，建議在法蘭設(shè)計(jì)時(shí)不帶直邊段，但要按GB/T 150.3-2011要求保證法蘭錐頸段斜率31:3,這樣設(shè) 計(jì)可以顯著降低法蘭成本。
某容器法蘭材質(zhì)為S3 0408III，設(shè)計(jì)溫 度300C;設(shè)計(jì)壓力2.6MPa;對接筒體規(guī)格 為DN1000 X 14mm，選用纏繞墊：m = 3.0， y=69MPa;常溫下法蘭許用應(yīng)力[〇]=137MPa，設(shè) 計(jì)溫度下法蘭許用應(yīng)力[〇 ]/ =85MPa，螺柱材質(zhì)為 35CrMoA，規(guī)格M30，數(shù)量48個(gè)，不考慮腐蝕裕 量。
筆者首先參照NB/T 47023-2012標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 法蘭的外形尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，法蘭外徑為 中1215mm，法蘭內(nèi)徑為$ 1000mm，螺栓圓直徑 為中1155mm，法蘭有效厚度為100mm，錐頸高度 h=42mm，頸部大端有效厚度g1=36mm，頸部小端 有效厚度g0取對接筒體厚度14mm。然后進(jìn)行初步 計(jì)算，軸向應(yīng)力〇H=199.25MPa>1.5[叫/，綜合 應(yīng)力max(0.5( 〇 H + 〇 R), 0.5( 〇 H + 〇 T)) =136.01MPa >[〇]/，法蘭強(qiáng)度校核不合格。此時(shí)，有部分設(shè) 計(jì)人員會盲目増加法蘭厚度，直至校核合格，這 是不可取的，盲目加厚法蘭會造成材料浪費(fèi)，而 且法蘭受力也不合理。
當(dāng)軸向應(yīng)力過大或過小時(shí)，應(yīng)采取調(diào)整錐 頸尺寸的方法來處理，可以調(diào)整錐頸厚度或錐頸 高度。軸向應(yīng)力的最大值通常位于錐頸小端截面 上，從系數(shù)f可以判斷出。系數(shù)f為錐頸小端的應(yīng)力。
與大端的應(yīng)力之比，當(dāng)f大于1時(shí)，應(yīng)力最大值在錐 頸的小端，f小于等于1時(shí)，應(yīng)力最大值在錐頸的大 端。本算例中，為了便于與筒體對接，錐頸小端 厚度取筒體厚度，不做調(diào)整；錐頸大端有效厚度 需按GB/T 150.3中表7-3LA最小值的規(guī)定，
| 錐頸高度h/ mm | 軸向應(yīng)力計(jì) 算值/MPa | 軸向應(yīng)力許 用值/MPa | 徑向應(yīng)力計(jì) 算值/MPa | 徑向應(yīng)力許 用值/MPa | 切向應(yīng)力計(jì) 算值/MPa | 切向應(yīng)力許 用值/MPa | 綜合應(yīng)力計(jì) 算值/MPa | 綜合應(yīng)力許 用值/MPa | 校核結(jié)果 |
| 55 | 167.82 | 127.5 | 18.29 | 85 | 64.85 | 85 | 116.34 | 85 | 不合格 |
| 65 | 143.75 | 127.5 | 19.27 | 85 | 59.71 | 85 | 101.73 | 85 | 不合格 |
| 75 | 120.80 | 127.5 | 20.11 | 85 | 55.34 | 85 | 88.07 | 85 | 不合格 |
| 78 | 114.22 | 127.5 | 20.34 | 85 | 54.16 | 85 | 84.19 | 85 | 合格 |
由表1應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，増加錐頸高度后， 軸向應(yīng)力值明顯降低，切向應(yīng)力值也有所降低， 徑向應(yīng)力值略有増加。當(dāng)錐頸高度増加至78mm 時(shí)，法蘭校核合格，但這是否為最優(yōu)設(shè)計(jì)呢？上 述計(jì)算過程中，筆者只是増加了錐頸高度，法蘭 厚度并未調(diào)整。法蘭設(shè)計(jì)應(yīng)遵循滿應(yīng)力設(shè)計(jì)原 則，上述計(jì)算中軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力己接近滿應(yīng) 力值。筆者通過對法蘭厚度和錐頸高度的進(jìn)一步 調(diào)整和計(jì)算，得出當(dāng)法蘭厚度為90mm、錐頸高度 為84mm時(shí)，軸向應(yīng)力〇H=116.04MPa，切向應(yīng)力 〇T=52.25MPa，軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力值與法蘭厚 度為100mm、錐頸高度為78mm時(shí)基本一致，徑向 應(yīng)力〇R=27.92MPa，徑向應(yīng)力值略有増加。減薄 了法蘭厚度，法蘭重量明顯減輕，可以顯著降低 法蘭成本，且受力較合理。
筆者在從事多個(gè)項(xiàng)目的壓力容器設(shè)計(jì)及校審 過程中發(fā)現(xiàn)一些大型設(shè)計(jì)院和工程公司在法蘭設(shè) 計(jì)時(shí)均不帶直邊段，尤其是對小直徑且壓力不高 的長頸對焊法蘭。按GB/T 150.3和JB4732標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 定，在保證法蘭錐頸段斜率2:3的前提下，長頸對 焊法蘭是可以不帶直邊段的，計(jì)算時(shí)法蘭頸部小 端有效厚度取對接筒體厚度。筆者也了解到，設(shè) 計(jì)院如此設(shè)計(jì)的主要目的是為了節(jié)省法蘭材料， 這一點(diǎn)對壓力容器制造廠尤為重要，如果能對法 蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能顯著降低法蘭成本。且在實(shí) 際生產(chǎn)制造過程中，法蘭的坡口型式往往是由焊 接工藝決定的，如果不帶直邊段，法蘭頸部小端 厚度可以取與對接筒體等厚，這樣無論是采用外 坡口還是內(nèi)坡口，都能保證組對時(shí)內(nèi)平齊，有利 于焊接，也不用進(jìn)行削薄處理，大大提高了生產(chǎn) 效率。
法蘭優(yōu)化設(shè)計(jì)是個(gè)復(fù)雜繁瑣的過程，不同的 設(shè)計(jì)人員往往有不同的計(jì)算結(jié)果，但法蘭設(shè)計(jì)一 定要遵循滿應(yīng)力原則，通過滿應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)，充 分發(fā)揮法蘭材料的強(qiáng)度性能作用。筆者通過上述 兩個(gè)算例，分析了法蘭三項(xiàng)主要應(yīng)力值的情況， 分別調(diào)整了錐頸尺寸和法蘭厚度，得到各項(xiàng)應(yīng)力 值均接近滿應(yīng)力的設(shè)計(jì)結(jié)果，這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)使 得法蘭結(jié)構(gòu)緊湊，受力合理，重量也輕，因此法 蘭的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
筆者在從事多個(gè)項(xiàng)目的壓力容器設(shè)計(jì)及校審 過程中發(fā)現(xiàn)一些大型設(shè)計(jì)院和工程公司在法蘭設(shè) 計(jì)時(shí)均不帶直邊段，尤其是對小直徑且壓力不高 的長頸對焊法蘭。按GB/T 150.3和JB4732標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 定，在保證法蘭錐頸段斜率2:3的前提下，長頸對 焊法蘭是可以不帶直邊段的，計(jì)算時(shí)法蘭頸部小 端有效厚度取對接筒體厚度。筆者也了解到，設(shè) 計(jì)院如此設(shè)計(jì)的主要目的是為了節(jié)省法蘭材料， 這一點(diǎn)對壓力容器制造廠尤為重要，如果能對法 蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能顯著降低法蘭成本。且在實(shí) 際生產(chǎn)制造過程中，法蘭的坡口型式往往是由焊 接工藝決定的，如果不帶直邊段，法蘭頸部小端 厚度可以取與對接筒體等厚，這樣無論是采用外 坡口還是內(nèi)坡口，都能保證組對時(shí)內(nèi)平齊，有利 于焊接，也不用進(jìn)行削薄處理，大大提高了生產(chǎn) 效率。
法蘭優(yōu)化設(shè)計(jì)是個(gè)復(fù)雜繁瑣的過程，不同的 設(shè)計(jì)人員往往有不同的計(jì)算結(jié)果，但法蘭設(shè)計(jì)一 定要遵循滿應(yīng)力原則，通過滿應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)，充 分發(fā)揮法蘭材料的強(qiáng)度性能作用。筆者通過上述 兩個(gè)算例，分析了法蘭三項(xiàng)主要應(yīng)力值的情況， 分別調(diào)整了錐頸尺寸和法蘭厚度，得到各項(xiàng)應(yīng)力 值均接近滿應(yīng)力的設(shè)計(jì)結(jié)果，這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)使 得法蘭結(jié)構(gòu)緊湊，受力合理，重量也輕，因此法 蘭的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
- 上一篇：鹽山鍛制法蘭的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
- 下一篇：法蘭鍛件UT檢驗(yàn)
