丁金翔

(北京燕華工程建設有限公司 北京市房山區(qū) 102502）

1 前言

夾持管板用成對法蘭連接（如圖一）是U形管式、浮頭式、填料函式換熱器固定端管板連接的常用形式，此結構簡單，最為常見，適用于管、殼程介質(zhì)溫差較大，壓力差較大的情況，其密封效果和強度對換熱器的安全使用至關重要。對于夾持管板用成對法蘭中低壓側法蘭計算，現(xiàn)行SW6軟件計算方法采取直接選用高壓側法蘭的計算壓力作為低壓側法蘭的計算壓力進行計算，這種處理方式，在多年工程實踐中的一般情況下都是偏安全的，但是一些少數(shù)特定的情況下，會出現(xiàn)不安全的情況，下面本文通過一算例進行分析。

2 算例

圖1 夾持管板用成對法蘭連接結構

某廠U型管式換熱器，設計參數(shù)見下表1 、表2 、表3。針對下面的算例，為了分析，本文對夾持管板用成對法蘭中低壓側法蘭采取兩種計算方法，方法一：現(xiàn)行SW6軟件計算方法，低壓側法蘭的計算壓力取高壓側法蘭的計算壓力（即8.4 MPa），螺栓載荷取兩側螺栓載荷的高值，簡稱SW6法；方法二：采用通過合理受力分析，即采用低壓側法蘭采取低壓側壓力（即5.8MPa)，計算方法采用GB /T 150.3-2011中7.5.2.3節(jié)注明方法，即“對于類似U形管式換熱器管板兩側成對法蘭的設計中，由于兩側的壓力和溫度及所用墊片可能不同，因此在螺栓的設計中應兼顧兩側的條件，要求以較大的螺栓載荷和較高的溫度進行設計，且對法蘭設計力矩應以此為基礎進行計算” 的計算方法。簡稱分析法。計算結果部分見表4。（本文未注符號定義見GB 150.1～150.4-2011）

表1 設計參數(shù)

表2 法蘭結構尺寸

表3 螺柱墊片材料尺寸

表4 計算結果(力矩）

3 理論分析

從表4結果可以看出，在方法二壓力較低的情況下，法蘭設計力矩M = M 反而更大，此時用方法一(即現(xiàn)行SW6軟件計算方法)計算反而偏不安全了。那么出現(xiàn)此類情況的原因是什么呢，本文下面就就此進行理論分析。

現(xiàn)行SW6軟件計算方法采取直接選用高壓側法蘭的計算壓力作為低壓側法蘭的計算壓力進行計算，一般認為是偏安全的，即用采用高壓側計算壓力得出設計力矩一般大于采用低壓側計算壓力得出設計力矩，這是個隱含的一個前提條件，但通過上述計算實例表明這可能需要某些條件下成立。首先我們假定采用高壓側計算壓力(現(xiàn)行SW6軟件計算方法)得出計算載荷力矩一定大于采用低壓側計算壓力得出計算載荷力矩大，由于這種情況發(fā)生在操作載荷控制下，故這里以操作載荷控制下的夾持管板用成對法蘭中低壓側法蘭的進行計算分析。

由方法二，低壓側法蘭采用本側計算壓力（即低壓側計算壓力）計算時，螺栓設計載荷為：

同理方法一低壓側法蘭采用高壓側計算壓力計算時，螺栓設計載荷為：

WPL、WPH—W表示螺栓設計載荷N，下標P表示操作狀態(tài)下的，下標L表示用低壓側壓力計算，下標H表示用高壓側壓力計算;

FDL、FDH—表示壓力引起的作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體軸向力，N；下標L表示用低壓側壓力計算，下標H表示用高壓側壓力計算;

FGL、FGH—表示法蘭墊片壓緊力，N；下標L表示用低壓側壓力計算，下標H表示用高壓側壓力計算;，

FTL、FTH—表示作用于墊片內(nèi)法蘭密封面上的流體壓力引起的軸向力，N；下標L表示用低壓側壓力計算，下標H表示用高壓側壓力計算;。

由于方法一(即現(xiàn)行SW6軟件計算方法)與方法二計算共同基礎是按GB /T 150.3-2011中7.5.2.3節(jié)注明方法，即螺栓的設計中應兼顧兩側的條件，要求以較大的螺栓載荷為基礎對法蘭設計力矩進行計算。故在操作載荷下控制下，兩種計算方法的螺栓載荷都是以高壓側操作狀態(tài)下螺栓設計載荷W高進行計算的。(因為操作狀態(tài)下螺栓設計載荷W高與壓力成正比，操作狀態(tài)下高壓側螺栓設計載荷W高大)。根據(jù)上面分析，無論低壓側采用高壓側壓力計算還是低壓側壓力計算，都等于高壓側法蘭操作狀態(tài)下螺栓設計載荷W高，即：

W高—這里表示高壓側法蘭操作狀態(tài)下螺栓設計載荷，無論低壓側采用高壓側壓力計算還是低壓側壓力計算，高壓側法蘭操作狀態(tài)下螺栓設計載荷都是一樣的，即高壓側螺栓設計載荷與低壓側螺栓設計載荷無關。

因此 FDH+FTH+FGH=FDL+FTL+FGL整理得：

則方法二低壓側法蘭采用本側計算壓力計算時，法蘭操作力矩為：

同理方法一低壓側法蘭采用高壓側計算壓力計算時，法蘭操作力矩為：

MPL、MPH—M表示力矩，N.mm，下標P表示操作狀態(tài)下的，下標L表示用低壓側壓力計算，下標H表示用高壓側壓力計算；

LD—螺栓中心至FDL、FDH作用點的徑向距離，mm；

LG—螺栓中心至FGL、FGH作用點的徑向距離，mm；

LT—螺栓中心至FTL、FTH作用點的徑向距離，mm；

則（5）-（4）

根據(jù)假設ΔMP≥0 由于(FDH-FDL)≥0, FTH-FTL≥0,則保守考慮

對于整體法蘭和按整體法蘭計算的任意式法蘭，LD= LA+0.5δ 見表5故 LA+0.5δ1≥LG(9)

表5 法蘭力矩的力臂 (GB/T150.3-2011表7-4)

δ1—法蘭頸部大端厚度，mm；

LA—螺栓中心至法蘭頸部(或焊縫)與法蘭背面交點的徑向距離，mm

顯然公式(9)成立情況下，公式(10)自然成立。故

LA+0.5δ1≥LG是ΔMP≥0充分條件，另從實際設計數(shù)據(jù)來看FG在法蘭設計中占比很大，故有必要(FDH-FDL)*( LD- LG)≥0,因此公式LA+0.5δ1≥LG作為ΔMP≥0判定條件，即對于整體法蘭和按整體法蘭計算的任意式法蘭滿足LA+0.5δ1≥LG時能夠保證用低壓側法蘭采用高壓側計算壓力得出設計力矩大等于采用低壓側計算壓力得出設計力矩。

可以證明對于松式法蘭和活套法蘭由于一般DG＞Di,自然滿足LD＞LT≥LG,故不存在問題。

Db—螺栓中心圓直徑，mm；Di—法蘭或筒體端部結構的內(nèi)直徑，mm；

DG—墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm；

由于LA+0.5δ1≥LG對于設計者不夠直觀，由LA+0.5δ1=(Db-Di)/2-0.5δ1

LG=(Db- DG)/2，一般DG= D外-2b，可變換成

DG≥Di+δ1即：

D外—墊片外徑，mm； b—墊片有效寬度，mm；

即公式(11) 作為設計者在法蘭結構設計時的參考。

4 算例分析及討論

首先本算例出現(xiàn)的問題表明法蘭及墊片結構設計的不合理，可以驗證，本算例中D外=928mm，Di=850mm，δ1=76mm, b=9.21mm,則顯然D ＜Di+2b+δ1，墊片外徑太小而法蘭頸部大端厚度δ1偏大，出現(xiàn)上述問題也不足為奇了。

其次本算例說明，合理法蘭強度計算是在合理的結構設計基礎上的。對于設計來講，合理結構設計包括墊片、法蘭和螺栓。就本文而言，由公式（9）看出主要應降低LG, 降低LG,不僅可以降低操作力矩和預緊力矩，在特定情況下更能保證低壓側法蘭設計的安全，是夾持管板用成對法蘭中低壓側法蘭安全經(jīng)濟設計的關鍵因素之一，降低LG的方法是法蘭螺栓圓直徑合理確定后，且墊片有效寬度一定時，盡量增大墊片內(nèi)外徑，由此增大墊片壓緊力作用中心圓直徑DG。在合理確定墊片壓緊力作用中心圓直徑DG之后，合理設計法蘭頸部大端厚度δ1。由于過大的法蘭頸部大端厚度δ1，會增加螺栓圓直徑，從而增加LG和LD，LT，使低壓側法蘭設計既不經(jīng)濟，也可能不安全，因此一般不宜采用較大的法蘭頸部大端厚度，可以用增加法蘭頸部高度h的方法減小法蘭頸部大端厚度δ1，這是因為增加法蘭頸部高度h和增加法蘭頸部大端厚度δ1相類似的作用見圖二。

圖二 δ1與h對法蘭應力的影響

最后由公式（6）當LD-LG＜0 ，ΔMP將變成負的，當法蘭低壓側設計壓力很低，高壓側設計壓力很高，即壓差很大時，ΔMP絕對值也就越大，即越不安全，因此壓差較大時，更應注意夾持管板用成對法蘭中低壓側法蘭合理設計。

5 結論

(1) 由于夾持管板用成對法蘭中低壓側法蘭設計的特殊性，不合理設計不僅不經(jīng)濟，還可能造成安全問題，本文從理論上推導，給出對于處于操作載荷控制下用現(xiàn)行SW6軟件進行整體法蘭和按整體法蘭計算的任意式法蘭偏安全的判定方法，即LA+0.5δ1≥LG,或D外≥Di+2b+δ1，供設計者在法蘭結構設計時就能夠參考，既能保證一定經(jīng)濟合理，又能避免不合理的結構設計帶來安全問題。

(2) 在夾持管板用成對法蘭中低壓側法蘭設計時，本文分析認為降低LG,是夾持管板用成對法蘭中低壓側法蘭安全經(jīng)濟設計的關鍵之一，降低LG不僅可以降低操作力矩和預緊力矩，在特定情況下更能保證低壓側法蘭設計的安全。降低LG方法是，法蘭螺栓圓直徑合理確定后，由D外≥Di+2b+δ1，在墊片有效寬度一定時，墊片設計宜采用大的墊片內(nèi)外徑。

(3) 適當?shù)姆ㄌm頸部大端厚度δ1。過大的法蘭頸部大端厚度δ1，會增加螺栓圓直徑，從而增加L 和LD，LT，使低壓側法蘭設計既不經(jīng)濟，也可能不安全，可以用增加法蘭頸部高度h的方法減小法蘭頸部大端厚度δ1，使大端厚度δ1在一個合理范圍內(nèi)，標準設備法蘭頸部大端厚度δ1較為合理，設計時可以進行參考。

(4) 本文表明低壓側的法蘭的合理設計要求有時會高于高壓側和一般的法蘭設計。本文算例雖然是一些少數(shù)特定的情況下，但希望能給設計者起到一點提示的作用，尤其壓差很大時。