法蘭強度設(shè)計課件

法蘭的強度設(shè)計李淑欣2008.11.292022/12/221蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭的強度設(shè)計李淑欣2022/12/181蘭州理工大學(xué)石主要內(nèi)容

法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強度設(shè)計計算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法各種設(shè)計方法比較大口徑非標(biāo)法蘭強度設(shè)計方法事例說明—Waters法的可靠性？2022/12/222蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院主要內(nèi)容法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/182蘭州理工大主要內(nèi)容

法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強度設(shè)計計算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法各種設(shè)計方法比較大口徑非標(biāo)法蘭強度設(shè)計方法事例說明—Waters法的可靠性？2022/12/223蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院主要內(nèi)容法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/183蘭州理工大法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/224蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/184蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/225蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/185蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型-松式法蘭2022/12/226蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型-松式法蘭2022/12/186蘭州理工大學(xué)石油法蘭結(jié)構(gòu)類型-松式法蘭2022/12/227蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型-松式法蘭2022/12/187蘭州理工大學(xué)石油法蘭結(jié)構(gòu)類型-整體法蘭2022/12/228蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型-整體法蘭2022/12/188蘭州理工大學(xué)石油法蘭結(jié)構(gòu)類型-任意式法蘭2022/12/229蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型-任意式法蘭2022/12/189蘭州理工大學(xué)石主要內(nèi)容

法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強度設(shè)計計算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法2022/12/2210蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院主要內(nèi)容法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/1810蘭州理工法蘭標(biāo)準(zhǔn)2022/12/2211蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)2022/12/1811蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-公稱直徑2022/12/2212蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-公稱直徑2022/12/1812蘭州理工大學(xué)石油化法蘭標(biāo)準(zhǔn)-公稱壓力2022/12/2213蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-公稱壓力2022/12/1813蘭州理工大學(xué)石油化c.法蘭標(biāo)準(zhǔn)的選用依據(jù)：根據(jù)容器或管道的公稱直徑、工程壓力、工作溫度、工作介質(zhì)特性以及法蘭材料進行選用。管法蘭：國際上兩個體系，即歐洲體系（以DIN標(biāo)準(zhǔn)為代表）及美洲體系（以ASMEB16.5、B16.47為代表）。兩個體系之間不能互相配用。較明顯的區(qū)分標(biāo)志為公稱壓力等級不同。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1983年提出了ISO/DIS7005-1《鋼法蘭》標(biāo)推(草案)，它實際上是由美國和德國的管法蘭標(biāo)準(zhǔn)修改合并而成，但仍末成為正式標(biāo)準(zhǔn)。法蘭標(biāo)準(zhǔn)-法蘭的選用2022/12/2214蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院c.法蘭標(biāo)準(zhǔn)的選用依據(jù)：根據(jù)容器或管道的公稱直徑、工程壓力法蘭標(biāo)準(zhǔn)-中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)長期以來，在我國化工、電力和機械等部門廣泛使用原一機部的《管法蘭和墊片》標(biāo)準(zhǔn)JB75~90-59和化工部的《管法蘭》標(biāo)準(zhǔn)HG5001~5028-58，兩者都是按前蘇聯(lián)管法蘭標(biāo)準(zhǔn)（屬德國DIN管法蘭標(biāo)準(zhǔn)體系）制定的，配用公制管，可互換使用。但隨著科技的發(fā)展和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂，上述標(biāo)準(zhǔn)已難以適應(yīng)工程建設(shè)的需要。因此，近幾年我國有關(guān)部門又制定了下列法蘭標(biāo)準(zhǔn)：中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)：2022/12/2215蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)長期以來，在我國化工、電力和法蘭標(biāo)準(zhǔn)-中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB9112~9128-88《鋼制管法蘭》參照ISO/DIS7005-1制定的。公稱壓力PN0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0MPa為德國管法蘭系列；PN2.0、5.0、10.0、15.0、25.0、42.0MPa為美國管法蘭系列。中石化總公司工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T74-90《鋼制管法蘭》按照美國ANSIB16.5管法蘭標(biāo)準(zhǔn)制定的，配用英制管，公稱壓力PN2.0、5.0、6.8、10.0、15.0、25.0、42.0MPa為美國管法蘭系列?；瘜W(xué)工業(yè)部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)HGJ44~76-91《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》是在HG，JB管法蘭基礎(chǔ)上參照德國DIN管法蘭標(biāo)準(zhǔn)制定的，配用公制管。2022/12/2216蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB9112~9128主要內(nèi)容

法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強度設(shè)計計算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法各種設(shè)計方法比較大口徑非標(biāo)法蘭強度設(shè)計方法事例說明—Waters法的可靠性？2022/12/2217蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院主要內(nèi)容法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/1817蘭州理工法蘭設(shè)計內(nèi)容

墊片設(shè)計墊片有效密封寬度；墊片特性參數(shù)（m，y）墊片壓緊力作用中心圓直徑墊片壓緊力墊片寬度校核螺栓設(shè)計法蘭強度設(shè)計

法蘭型式設(shè)計松套法蘭整體法蘭任意式法蘭2022/12/2218蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭設(shè)計內(nèi)容墊片設(shè)計螺栓設(shè)計法蘭型式設(shè)計2022/12/法蘭強度設(shè)計計算方法計算方法分類：三類以材料力學(xué)為基礎(chǔ)的簡單計算方法—Bach法以彈性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法：將法蘭中的應(yīng)力控制在彈性范圍內(nèi)。該法使用經(jīng)驗豐富，世界各國廣泛使用—Timoshenko和Waters法以塑性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法：對法蘭的強度以塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則加以控制。但計算較復(fù)雜，目前除了個別國家（如西德標(biāo)準(zhǔn)DIN2505）使用外，還未被廣泛采用。2022/12/2219蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法計算方法分類：三類以材料力學(xué)為基礎(chǔ)的把高頸法蘭看作是一個懸臂梁，粱的高度是法蘭的高度，懸臂長度為螺栓孔中心圓至壓力作用點的距離，將法蘭剖開后伸直就成為如圖所示的又窄又長的懸臀梁。梁的彎矩為W.L，然后分別校驗A—C截面上和B—C截面上的彎曲應(yīng)力。法蘭強度設(shè)計計算方法-Bach法2022/12/2220蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院把高頸法蘭看作是一個懸臂梁，粱的高度是法蘭的高度，懸法蘭強度設(shè)計計算方法-Bach法2022/12/2221蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Bach法2022/12/1821蘭州法蘭強度設(shè)計計算方法-Bach法2022/12/2222蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Bach法2022/12/1822蘭州法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法以彈性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法：Timoshenko法從計算角度將法蘭劃分為活套法蘭和整體法蘭兩大類。計算活套法蘭：把法蘭當(dāng)作受扭轉(zhuǎn)的矩形截面圓環(huán)來考慮，即矩形截面的法蘭環(huán)在受扭轉(zhuǎn)作用后只能繞環(huán)的形心旋轉(zhuǎn)而不會產(chǎn)生彎曲或畸變，因而法蘭環(huán)的形狀仍保持矩形。認為法蘭環(huán)在螺栓拉緊力作用下會產(chǎn)生微小的偏轉(zhuǎn)，從而應(yīng)用彈性理論，按照力與變形的關(guān)系求出法蘭上的應(yīng)力，所以此法又稱“環(huán)板扭轉(zhuǎn)法”。計算整體法蘭：把法蘭和筒體視為一個整體，在法蘭環(huán)與筒體連接處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，需通過變形協(xié)調(diào)方程求解。步驟較繁，對高頸法蘭，由于忽略了高頸的作用，所以結(jié)果偏于保守。2022/12/2223蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法以彈性分析為基法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法以活套法蘭為例：基本假設(shè)：法蘭在操作過程中不發(fā)生任何屈服或蠕變，即處于完全彈性狀態(tài)；法蘭為受均布外力矩作用的矩形截面的圓環(huán)，受力后不發(fā)生畸變扭歪；不及操作內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力；不考慮螺栓孔的影響。2022/12/2224蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法以活套法蘭為例：法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法按基本假設(shè)b，法蘭的矩形截面不發(fā)生畸變扭歪，則環(huán)的變形只是由于截面偏轉(zhuǎn)一角度。按照下圖作如下分析：2022/12/2225蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法按基本假設(shè)b法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法設(shè)A為矩形截面上任一點，其坐標(biāo)為(r，y)。當(dāng)矩形截面繞中心C轉(zhuǎn)過一角度q以后，A點位移到A’，其半徑出r變?yōu)閞+dr。A點的周向相對伸長為：A點周向應(yīng)變：周向應(yīng)力：2022/12/2226蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法設(shè)A為矩形截面法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法周向應(yīng)力：偏轉(zhuǎn)角q

：Mt:法蘭環(huán)截面中心圓周上單位周長力矩；r：法蘭環(huán)截面中心圓周上半徑；t：法蘭環(huán)厚度W:螺栓總拉緊力

最大周向應(yīng)力：環(huán)的上下表面內(nèi)側(cè)x=Ri；y=l/22022/12/2227蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法周向應(yīng)力：偏轉(zhuǎn)角法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法Waters法是我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB150-1998《鋼制壓力容器》和GB/T17186-1997國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼制管法蘭強度計算方法》(A方法)中的法蘭計算所引用。對法蘭的應(yīng)力分析和Timoshenko法計算整體法蘭的方法類似，所不同的是，Waters法將法蘭環(huán)不是作為圓環(huán)，而是作為環(huán)板進行分析，并且考慮了法蘭錐頸的作用。高頸法蘭的應(yīng)力分析力學(xué)模型如下圖所示：2022/12/2228蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法Waters法蘭強度設(shè)計計算方法-Waters法2022/12/2229蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Waters法2022/12/1829法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/2230蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/18法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/2231蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/18法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/2232蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/18按照彈性分析方法，將法蘭3部分邊界上的未知內(nèi)力（Ms0,Mp0,Qs0,Qp0

）和錐頸徑向位移函數(shù)中的4個積分常數(shù)（d1，d2,d3,d4）作為基本未知量。由內(nèi)力平衡條件和變形協(xié)調(diào)關(guān)系建立協(xié)調(diào)方程：給定法蘭材料，結(jié)構(gòu)尺寸和力矩M0的前提下，由8個平衡方程所確定的8個未知量求解得法蘭三個方向最大應(yīng)力為：法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/2233蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院按照彈性分析方法，將法蘭3部分邊界上的未知內(nèi)力（Ms0,法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法t:初擬法蘭厚度；Di：法蘭內(nèi)直徑；M：法蘭力矩；f:法蘭錐頸應(yīng)力校正系數(shù)；e:系數(shù)，e=F/h0h0:系數(shù)，h0=（Dig0）1/2g1:系數(shù)，g1=（U/V）h0g02F和V分別是考慮剪力和轉(zhuǎn)角影響的錐頸系數(shù)，根據(jù)g1/g0

和h1/h0和由圖查?。?022/12/2234蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法t:初擬法蘭厚Waters法是線彈性理論方法，法蘭中各處的應(yīng)力與外載（法蘭力矩）成線形（正比）關(guān)系，而法蘭3部分邊界上的未知內(nèi)力及由此引起的法蘭中的應(yīng)力取決于法蘭各部分結(jié)構(gòu)尺寸的相對比例，即法蘭各部位應(yīng)力可表征為法蘭結(jié)構(gòu)尺寸的無量綱比值的函數(shù)。法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法從便于設(shè)計應(yīng)用的角度出發(fā)，Waters建立一組無量綱參數(shù)，其中體現(xiàn)錐徑結(jié)構(gòu)的參數(shù)是g1/g0

，h1/h0，體現(xiàn)法蘭環(huán)參數(shù)的是K（D0/Di），并進行大量計算，給出由這些無量綱參數(shù)所確定的相應(yīng)應(yīng)力參數(shù)，其中體現(xiàn)錐徑作用的參數(shù)是F,V,f,體現(xiàn)法蘭環(huán)作用的參數(shù)是Y，T，U，Z。2022/12/2235蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法是線彈性理論方法，法蘭中各處的應(yīng)力與外載（法蘭法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法法蘭各項應(yīng)力分布2022/12/2236蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法法蘭各項應(yīng)力分布20法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/2237蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/18法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法關(guān)于法蘭強度計算的全過程見文獻：[美]螺栓法蘭一般公式的推導(dǎo)，1937；E.O.Waters,D.B.Wesstrom;中譯文：石油化工技術(shù)情報1978年第五期，北京石油化工總廠設(shè)計院。2022/12/2238蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法關(guān)于法蘭強法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/2239蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/18法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/2240蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/18法蘭強度設(shè)計計算方法-DIN2505法基于塑性極限載荷的設(shè)計方法：DIN2505法該方法并不注重于法蘭本身的應(yīng)力水平，而是著眼于法蘭連接的密封性能。因此對法蘭的強度計算以極限設(shè)計的概念進行，而對整個連接的密封性能的檢驗是通過制作一個“載荷-變形圖”的辦法來加以確認。國標(biāo)GB/T17186-1997《鋼制管法蘭連接強度計算方法》方法B的主要內(nèi)容取自德國DIN2505-1964《管法蘭連接計算》。2022/12/2241蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-DIN2505法基于塑性極限載荷的設(shè)該方法計算模型過于簡化，與實際法蘭受力情況有很大出入。通常整體法蘭的危險應(yīng)力總是發(fā)生于椎頸，而該方法則未加考慮。因此，計算結(jié)果無法反映法蘭的真實應(yīng)力狀況。該方法僅計算“環(huán)”的徑向彎曲應(yīng)力，而實際法蘭環(huán)的最大應(yīng)力并非總是發(fā)生于徑向，也可能存在于環(huán)向。Bach法存在問題：通過大量計算比較和實踐表明，該方法計算結(jié)果偏于危險。工程設(shè)計中很少采用該方法。三種設(shè)計方法比較2022/12/2242蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院該方法計算模型過于簡化，與實際法蘭受力情況有很大出該法以彈性分析為基礎(chǔ)，考慮了法蘭的三部分：客體、錐頸鶴法蘭換之間的相互作用。從彈性分析準(zhǔn)則來說是比較完善的計算方法。

Waters法：大量實踐證明，Waters法在通常情況下能獲得滿意的設(shè)計結(jié)果。具有以下特點：

A.建立在合理的彈性分析理論基礎(chǔ)之上；

B.經(jīng)歷了長期的時間考驗；C.計算簡便。由于這些特點，Waters法為美、英、日等國的規(guī)范（ASME、BS及JIS）所采用。三種設(shè)計方法比較2022/12/2243蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院該法以彈性分析為基礎(chǔ)，考慮了法蘭的三部分：客體、錐該法認為法蘭的強度并非是設(shè)計的主要矛盾，因此允許對法蘭按極限載荷法進行計算，從而挖掘法蘭的承載能力，可獲得較小結(jié)構(gòu)尺寸的法蘭設(shè)計。但是“載荷-變形圖”需涉及墊片的回彈性能、比壓及墊片系數(shù)等參數(shù)，而這些參數(shù)又受到許多因素的影響，測定這些參數(shù)的準(zhǔn)確性尚存在很多問題。由于制作“載荷-變形圖”非常困難，AD規(guī)范中干脆免去了對密封性能的檢驗步驟，因此，存在著密封失效的危險性。DIN法：三種設(shè)計方法比較2022/12/2244蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院該法認為法蘭的強度并非是設(shè)計的主要矛盾，因此允許對Waters法設(shè)計步驟（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計（二）內(nèi)壓法蘭載荷（三）法蘭應(yīng)力（四）應(yīng)力校核2022/12/2245蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計（二）內(nèi)壓法蘭Waters法設(shè)計步驟--1（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計整體法蘭結(jié)構(gòu)尺寸示意圖W:螺栓設(shè)計載荷FG：墊片載荷FD：法蘭環(huán)內(nèi)徑截面上的壓力載荷FT：介質(zhì)壓力引起的總軸向力與法蘭內(nèi)徑截面上的壓力載荷之差FT=F-FDF:介質(zhì)壓力引起總軸向力DG：墊片壓緊力作用中心圓直徑2022/12/2246蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--1（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計整體法蘭Waters法設(shè)計步驟--2

計算法蘭外力矩時，螺栓力、墊片載荷及壓力載荷的作用點均與法蘭尺寸有關(guān)。在進行法蘭計算前，需先擬定必要的法蘭強度尺寸和連接尺寸。錐徑小端與殼體相連，其厚度通常取與殼體壁厚相同，錐頸大端與小端比例關(guān)系為：g1/g0=1.6-1.8

或按如下經(jīng)驗公式確定:

g0≤38mm時，g1=2g0；

g0>38mm時，g1=1.5g0；g1/t=0.43-0.73錐頸錐度通常等于或小于1︰3，錐頸高度一般取h=1.5g1（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計（1）法蘭強度尺寸和連接尺寸2022/12/2247蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--2計算法蘭外力矩時Waters法設(shè)計步驟--3預(yù)緊狀態(tài)下最小墊片壓緊力：（2）墊片壓緊力操作狀態(tài)下最小墊片壓緊力：預(yù)緊狀態(tài)下最小螺栓載荷：（3）螺栓載荷操作狀態(tài)下最小螺栓載荷：2022/12/2248蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--3預(yù)緊狀態(tài)下最小墊片壓緊力：（2Waters法設(shè)計步驟--4（4）螺栓面積預(yù)緊狀態(tài)下最小螺栓面積：操作狀態(tài)下最小螺栓面積：需要的螺栓面積Am取Aa與Ap之大值；實際螺栓面積Ab應(yīng)不小于所需面積Am。（5）螺栓設(shè)計載荷預(yù)緊狀態(tài)下螺栓設(shè)計載荷：操作狀態(tài)下螺栓設(shè)計載荷：實際螺栓面積Ab將大于所需面積Am，為防止預(yù)緊時螺栓過量擰緊造成法蘭超載，在計算設(shè)計載荷時，螺栓面積按實際面積與計算面積的平均值考慮。2022/12/2249蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--4（4）螺栓面積預(yù)緊狀態(tài)下最小螺Waters法設(shè)計步驟--5預(yù)緊狀態(tài)下：操作狀態(tài)下：（二）內(nèi)壓法蘭載荷FG=W

；

FD=0；FT=0;將螺栓載荷向墊片載荷作用點取矩，得總力矩為：

M1=W.hGFG=FP=2π

DGbmpcFD=(π/4)Di2pFT=(π/4)(DG2-Di2)p將以上各力向螺栓力作用點取矩，得總力矩為：

M1=W.hGM2=FDhD+FThT+FGhG2022/12/2250蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--5預(yù)緊狀態(tài)下：操作狀態(tài)下：（二）Waters法設(shè)計步驟--6比較預(yù)緊和操作情況下兩力矩的大小，其中較大者為法蘭計算力矩：法蘭計算力矩=max{M2，M1.[s]ft/[s]f

}設(shè)計和常溫下的許用應(yīng)力（三）法蘭應(yīng)力2022/12/2251蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--6比較預(yù)緊和操作情況下兩力矩Waters法設(shè)計步驟--7（四）應(yīng)力校核2022/12/2252蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--7（四）應(yīng)力校核2022/12/12022/12/2253蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院2022/12/1853蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院關(guān)于Waters法的幾點說明Waters法雖然沒有直接計算法蘭變形，但它用計算法蘭的彈性名義應(yīng)力，通過控制適當(dāng)許用應(yīng)力的辦法來保證法蘭具有足夠的剛性，從而使整個連接達到密封可靠的要求，達到了以簡便的強度設(shè)計代替密封設(shè)計的當(dāng)量計算目的。由此可見，Waters法的設(shè)計結(jié)果是法蘭相對偏于安全。--《法蘭實用手冊》李新華說明：2022/12/2254蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院關(guān)于Waters法的幾點說明Waters法雖然沒有直說明：Waters指出：該設(shè)計方面對所設(shè)計的法蘭直徑和壓力不受限制。---《法蘭實用手冊》李新華經(jīng)過綜合分析后，認為Waters法中未考慮的一些因素對法蘭應(yīng)力的綜合影響結(jié)果，使法蘭應(yīng)力增高并非過大，總的計算結(jié)果仍有足夠的裕量，即使對于直徑達3600mm的法蘭仍適用。---《壓力容器及化工設(shè)備》陳國理關(guān)于Waters法的幾點說明2022/12/2255蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院說明：Waters指出：該設(shè)計方面對所設(shè)計的法蘭直徑和大口徑非標(biāo)法蘭強度設(shè)計方法--Waters法在選定法蘭和墊片的材料后，參考法蘭標(biāo)準(zhǔn)系列初擬法蘭結(jié)構(gòu)和尺寸，對整體法蘭，是在假設(shè)法蘭錐頸和法蘭環(huán)厚度基礎(chǔ)上計算力矩及各項法蘭應(yīng)力當(dāng)應(yīng)力與相應(yīng)的許用應(yīng)力相差較大時，調(diào)整法蘭椎頸或法蘭環(huán)的尺寸，重復(fù)計算過程，直至各項法蘭應(yīng)力小于相應(yīng)的許用應(yīng)力，并較接近時為止。試算法：Waters法設(shè)計中，隨著Di增大，對應(yīng)于系數(shù)圖f、F、V、T、U、Y、Z中可能無法查?。?022/12/2256蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院大口徑非標(biāo)法蘭強度設(shè)計方法--Waters法在非標(biāo)法蘭設(shè)計事例1-Waters法可靠性？根據(jù)清華大學(xué)5MW低溫核供熱堆試驗堆工程的安全殼設(shè)計實例，建立了與實際法蘭結(jié)構(gòu)完全一致的三維有限元模型，采用六節(jié)點三角形單元劃分有限元網(wǎng)格，克服了采用Waters的近似，使應(yīng)力計算結(jié)果更加可靠。計算結(jié)果表明，對于直徑大于1000mm的大型法蘭，采用GB150規(guī)范設(shè)計時，應(yīng)力計算值小于實際值，誤差達10%以上，具有一定的局限性。2022/12/2257蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院非標(biāo)法蘭設(shè)計事例1-Waters法可靠性？根據(jù)清華大學(xué)2.2有限元網(wǎng)格劃分采用MSC.PATRAN進行安全殼頂蓋封頭法蘭結(jié)構(gòu)的有限元分析，模型為軸對稱6節(jié)點三角形單元。網(wǎng)格劃分如圖所示。2022/12/2258蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院2.2有限元網(wǎng)格劃分采用MSC.PATRAN進行安全殼頂蓋2.3Waters法與FEM應(yīng)力計算結(jié)果的比較當(dāng)安全殼頂蓋的法蘭與封頭之間的直筒節(jié)取不同長度L時，有限元法得到的法蘭錐頸小端M點的軸向應(yīng)力列于表中.安全殼實際L為100mm,FEM值為338.1MPa；而GB150計算得到的值為233.4MPa，且與L無關(guān)?？梢娺@兩種方法得到的法蘭錐頸小端應(yīng)力之差很大；FEM值與水壓試驗實測值誤差很小。當(dāng)L很大，接近于Waters法假設(shè)的半無窮直筒壁時，M點的應(yīng)力值趨于一定值，這個值仍比Waters法的結(jié)果高17%，這就是Waters法對大口徑法蘭與半無限長直筒體連接時的法蘭軸向應(yīng)力的計算誤差。2022/12/2259蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院2.3Waters法與FEM應(yīng)力計算結(jié)果的比較當(dāng)將上述表中數(shù)據(jù)繪成圖，可以更清晰地看到，隨著L的加長，M點的軸向應(yīng)力值逐漸地趨于一個定值，這與彈性理論的分析結(jié)果是一致的。2022/12/2260蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院將上述表中數(shù)據(jù)繪成圖，可以更清晰地看到，隨著L的加長，結(jié)論：

5MW低溫核供熱堆金屬安全殼應(yīng)力和變形計算的實例說明，GB150用于容器端蓋大法蘭的設(shè)計有較大的應(yīng)力計算誤差。采用有限元方法進行容器端蓋大口徑法蘭的應(yīng)力和變形計算以及強度設(shè)計和密封設(shè)計是必要的，尤其是當(dāng)強度要求和密封要求較高時，僅僅用GB150做容器端蓋大法蘭設(shè)計是不適宜的。2022/12/2261蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院結(jié)論：2022/12/1861蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院非標(biāo)法蘭設(shè)計事例2-Waters法可靠性？由于工程應(yīng)用和研究需要,本文作者設(shè)計了非標(biāo)法蘭、墊片、螺栓以及閥門連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時,將法蘭、墊片、螺栓以及閥門作為一個整體,考慮法蘭旋轉(zhuǎn)、內(nèi)壓對法蘭、墊片、螺栓以及閥門的受力與變形的影響。應(yīng)用三維有限元技術(shù),分析在螺栓預(yù)緊過程和加壓過程中法蘭連接系統(tǒng)的整體應(yīng)力分布,為法蘭連接系統(tǒng)的精細化分析提供可靠的設(shè)計依據(jù)。2022/12/2262蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院非標(biāo)法蘭設(shè)計事例2-Waters法可靠性？由于工1.工況簡介由于生產(chǎn)應(yīng)用的特殊要求,需要設(shè)計非標(biāo)管道法蘭、閥門連接系統(tǒng).其提供的法蘭及與之相連接的閥門工作參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式如表1所示.2022/12/2263蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院1.工況簡介由于生產(chǎn)應(yīng)用的特殊要求,需要設(shè)計非標(biāo)管道法蘭、閥從表1可以看出,法蘭與閥門的密封面形式不同,為非標(biāo)法蘭連接型式,其密封面所采用的墊片不能采用標(biāo)準(zhǔn)墊片,必須重新設(shè)計,確保密封性能.因此,設(shè)計要求:對管道法蘭連接系統(tǒng)進行分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計,確保在工作狀態(tài)下的密封性。2022/12/2264蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院從表1可以看出,法蘭與閥門的密封面形式不同,為非標(biāo)法2法蘭連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求,經(jīng)過研究和大量的計算,法蘭和閥門擬采用標(biāo)準(zhǔn)形式,并研究開發(fā)出墊片的新型結(jié)構(gòu)型式與尺寸.墊片的結(jié)構(gòu)與尺寸如圖所示。從圖中可以看出,墊片為膨脹石墨和0Cr18Ni10Ti兩種材料的覆合.2022/12/2265蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院2法蘭連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求,經(jīng)過研究和3.有限元分析本文作者所計算的法蘭連接結(jié)構(gòu)由兩片法蘭、一個閥門、兩個墊片、一塊盲板和20個螺栓組成。該法蘭、螺栓連接系統(tǒng)中，法蘭、墊片和盲板為軸對稱結(jié)構(gòu)，20個螺栓沿法蘭盤均勻分布。根據(jù)法蘭連接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點,為了減少計算工作量,可從整個法蘭結(jié)構(gòu)中取兩個對稱面截出的1/4的接頭結(jié)構(gòu)來建立有限元模型。模型中包括了兩截面間的螺栓、上下螺母、墊片、上下法蘭環(huán)、封頭和與法蘭環(huán)相連接的筒體、與下法蘭環(huán)相連的筒體。根據(jù)圣維南原理,只須考慮長度L=2t（R）1/2(R是與法蘭相連的管道平均半徑,t是該管壁的厚度)的一段,就可消除筒體邊緣處軸向應(yīng)力分布對法蘭處應(yīng)力分布的影響.其力學(xué)模型如下圖所示。2022/12/2266蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院3.有限元分析本文作者所計算的法蘭連接結(jié)構(gòu)由兩片法蘭、螺栓采用ANSYS中提供的螺栓預(yù)緊單元PRETS179,其余部件均采用ANSYS提供的8節(jié)點三維實體等參單元(45)進行網(wǎng)格劃分,總節(jié)點數(shù)為30631,總單元數(shù)為13026.如圖(b)所示為法蘭系統(tǒng)的網(wǎng)格圖.2022/12/2267蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院螺栓采用ANSYS中提供的螺栓預(yù)緊單元PRETS179,其余4.法蘭連接系統(tǒng)應(yīng)力分析結(jié)果4.1法蘭接頭應(yīng)力強度分布MAX圖中處于封頭邊緣處是接頭系統(tǒng)中應(yīng)力強度最大的地方,該點的應(yīng)力強度值為690.7MPa.其應(yīng)力是由幾何不連續(xù)造成的邊緣應(yīng)力,其影響范圍很小.其余部位應(yīng)力強度最大值為153.6MPa,均小于1.5倍許用應(yīng)力強度值.2022/12/2268蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院4.法蘭連接系統(tǒng)應(yīng)力分析結(jié)果4.1法蘭接頭應(yīng)力強度分布M由計算結(jié)果可得，螺栓在接頭施加內(nèi)壓為8.5MPa時螺栓最大應(yīng)力強度值為107.2MPa,小于螺栓的許用應(yīng)力強度值。在預(yù)緊和加內(nèi)壓的兩種工況中,由于法蘭環(huán)的變形和墊片壓緊面上壓緊力分布的不均勻性,導(dǎo)致在螺栓的橫截面上除了有拉應(yīng)力外,還有彎曲應(yīng)力.正是在拉伸和彎曲的共同作用下,才使得螺栓中的應(yīng)力情況分布不均勻.隨著內(nèi)壓的升高,法蘭環(huán)逐步發(fā)生彎曲,在墊片上產(chǎn)生了不均勻的壓力,法蘭環(huán)對螺栓產(chǎn)生越來越大的彎曲作用,引起螺栓受到的彎曲應(yīng)力不斷增加.所以,在法蘭接頭的分析和設(shè)計中,對于螺栓強度的考慮,不僅要考慮螺栓的拉應(yīng)力,還要考慮其彎曲應(yīng)力.4.2螺栓應(yīng)力結(jié)果分析2022/12/2269蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院由計算結(jié)果可得，螺栓在接頭施加內(nèi)壓為8.5MP法蘭、閥門、墊片、螺栓連接系統(tǒng)的受力是相當(dāng)復(fù)雜的,用常規(guī)的計算方法很難得到準(zhǔn)確的計算結(jié)果.作者通過建立法蘭、閥門、墊片、螺栓連接系統(tǒng)的有限元模型并進行應(yīng)力分析,較準(zhǔn)確地了解該連接系統(tǒng)的受力情況和應(yīng)力情況,并開發(fā)出墊片的新型結(jié)構(gòu)型式.運行結(jié)果表明;系統(tǒng)密封性能良好,無泄露發(fā)生.為研究設(shè)計新型法蘭、閥門、墊片、螺栓連接系統(tǒng)提供了一定的理論依據(jù)。5.結(jié)論2022/12/2270蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭、閥門、墊片、螺栓連接系統(tǒng)的受力是相當(dāng)復(fù)雜的,用常規(guī)的Thanks！

2022/12/2271蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Thanks！2022/12/1871蘭州理工大學(xué)石油化工法蘭的強度設(shè)計李淑欣2008.11.292022/12/2272蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭的強度設(shè)計李淑欣2022/12/181蘭州理工大學(xué)石主要內(nèi)容

法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強度設(shè)計計算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法各種設(shè)計方法比較大口徑非標(biāo)法蘭強度設(shè)計方法事例說明—Waters法的可靠性？2022/12/2273蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院主要內(nèi)容法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/182蘭州理工大主要內(nèi)容

法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強度設(shè)計計算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法各種設(shè)計方法比較大口徑非標(biāo)法蘭強度設(shè)計方法事例說明—Waters法的可靠性？2022/12/2274蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院主要內(nèi)容法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/183蘭州理工大法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/2275蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/184蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/2276蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/185蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型-松式法蘭2022/12/2277蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型-松式法蘭2022/12/186蘭州理工大學(xué)石油法蘭結(jié)構(gòu)類型-松式法蘭2022/12/2278蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型-松式法蘭2022/12/187蘭州理工大學(xué)石油法蘭結(jié)構(gòu)類型-整體法蘭2022/12/2279蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型-整體法蘭2022/12/188蘭州理工大學(xué)石油法蘭結(jié)構(gòu)類型-任意式法蘭2022/12/2280蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭結(jié)構(gòu)類型-任意式法蘭2022/12/189蘭州理工大學(xué)石主要內(nèi)容

法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強度設(shè)計計算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法2022/12/2281蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院主要內(nèi)容法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/1810蘭州理工法蘭標(biāo)準(zhǔn)2022/12/2282蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)2022/12/1811蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-公稱直徑2022/12/2283蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-公稱直徑2022/12/1812蘭州理工大學(xué)石油化法蘭標(biāo)準(zhǔn)-公稱壓力2022/12/2284蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-公稱壓力2022/12/1813蘭州理工大學(xué)石油化c.法蘭標(biāo)準(zhǔn)的選用依據(jù)：根據(jù)容器或管道的公稱直徑、工程壓力、工作溫度、工作介質(zhì)特性以及法蘭材料進行選用。管法蘭：國際上兩個體系，即歐洲體系（以DIN標(biāo)準(zhǔn)為代表）及美洲體系（以ASMEB16.5、B16.47為代表）。兩個體系之間不能互相配用。較明顯的區(qū)分標(biāo)志為公稱壓力等級不同。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1983年提出了ISO/DIS7005-1《鋼法蘭》標(biāo)推(草案)，它實際上是由美國和德國的管法蘭標(biāo)準(zhǔn)修改合并而成，但仍末成為正式標(biāo)準(zhǔn)。法蘭標(biāo)準(zhǔn)-法蘭的選用2022/12/2285蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院c.法蘭標(biāo)準(zhǔn)的選用依據(jù)：根據(jù)容器或管道的公稱直徑、工程壓力法蘭標(biāo)準(zhǔn)-中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)長期以來，在我國化工、電力和機械等部門廣泛使用原一機部的《管法蘭和墊片》標(biāo)準(zhǔn)JB75~90-59和化工部的《管法蘭》標(biāo)準(zhǔn)HG5001~5028-58，兩者都是按前蘇聯(lián)管法蘭標(biāo)準(zhǔn)（屬德國DIN管法蘭標(biāo)準(zhǔn)體系）制定的，配用公制管，可互換使用。但隨著科技的發(fā)展和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂，上述標(biāo)準(zhǔn)已難以適應(yīng)工程建設(shè)的需要。因此，近幾年我國有關(guān)部門又制定了下列法蘭標(biāo)準(zhǔn)：中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)：2022/12/2286蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)長期以來，在我國化工、電力和法蘭標(biāo)準(zhǔn)-中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB9112~9128-88《鋼制管法蘭》參照ISO/DIS7005-1制定的。公稱壓力PN0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0MPa為德國管法蘭系列；PN2.0、5.0、10.0、15.0、25.0、42.0MPa為美國管法蘭系列。中石化總公司工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T74-90《鋼制管法蘭》按照美國ANSIB16.5管法蘭標(biāo)準(zhǔn)制定的，配用英制管，公稱壓力PN2.0、5.0、6.8、10.0、15.0、25.0、42.0MPa為美國管法蘭系列?；瘜W(xué)工業(yè)部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)HGJ44~76-91《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》是在HG，JB管法蘭基礎(chǔ)上參照德國DIN管法蘭標(biāo)準(zhǔn)制定的，配用公制管。2022/12/2287蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭標(biāo)準(zhǔn)-中國管法蘭標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB9112~9128主要內(nèi)容

法蘭結(jié)構(gòu)類型法蘭標(biāo)準(zhǔn)法蘭強度設(shè)計計算方法巴赫法鐵木辛哥法華脫斯法各種設(shè)計方法比較大口徑非標(biāo)法蘭強度設(shè)計方法事例說明—Waters法的可靠性？2022/12/2288蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院主要內(nèi)容法蘭結(jié)構(gòu)類型2022/12/1817蘭州理工法蘭設(shè)計內(nèi)容

墊片設(shè)計墊片有效密封寬度；墊片特性參數(shù)（m，y）墊片壓緊力作用中心圓直徑墊片壓緊力墊片寬度校核螺栓設(shè)計法蘭強度設(shè)計

法蘭型式設(shè)計松套法蘭整體法蘭任意式法蘭2022/12/2289蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭設(shè)計內(nèi)容墊片設(shè)計螺栓設(shè)計法蘭型式設(shè)計2022/12/法蘭強度設(shè)計計算方法計算方法分類：三類以材料力學(xué)為基礎(chǔ)的簡單計算方法—Bach法以彈性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法：將法蘭中的應(yīng)力控制在彈性范圍內(nèi)。該法使用經(jīng)驗豐富，世界各國廣泛使用—Timoshenko和Waters法以塑性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法：對法蘭的強度以塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則加以控制。但計算較復(fù)雜，目前除了個別國家（如西德標(biāo)準(zhǔn)DIN2505）使用外，還未被廣泛采用。2022/12/2290蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法計算方法分類：三類以材料力學(xué)為基礎(chǔ)的把高頸法蘭看作是一個懸臂梁，粱的高度是法蘭的高度，懸臂長度為螺栓孔中心圓至壓力作用點的距離，將法蘭剖開后伸直就成為如圖所示的又窄又長的懸臀梁。梁的彎矩為W.L，然后分別校驗A—C截面上和B—C截面上的彎曲應(yīng)力。法蘭強度設(shè)計計算方法-Bach法2022/12/2291蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院把高頸法蘭看作是一個懸臂梁，粱的高度是法蘭的高度，懸法蘭強度設(shè)計計算方法-Bach法2022/12/2292蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Bach法2022/12/1821蘭州法蘭強度設(shè)計計算方法-Bach法2022/12/2293蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Bach法2022/12/1822蘭州法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法以彈性分析為基礎(chǔ)的設(shè)計方法：Timoshenko法從計算角度將法蘭劃分為活套法蘭和整體法蘭兩大類。計算活套法蘭：把法蘭當(dāng)作受扭轉(zhuǎn)的矩形截面圓環(huán)來考慮，即矩形截面的法蘭環(huán)在受扭轉(zhuǎn)作用后只能繞環(huán)的形心旋轉(zhuǎn)而不會產(chǎn)生彎曲或畸變，因而法蘭環(huán)的形狀仍保持矩形。認為法蘭環(huán)在螺栓拉緊力作用下會產(chǎn)生微小的偏轉(zhuǎn)，從而應(yīng)用彈性理論，按照力與變形的關(guān)系求出法蘭上的應(yīng)力，所以此法又稱“環(huán)板扭轉(zhuǎn)法”。計算整體法蘭：把法蘭和筒體視為一個整體，在法蘭環(huán)與筒體連接處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，需通過變形協(xié)調(diào)方程求解。步驟較繁，對高頸法蘭，由于忽略了高頸的作用，所以結(jié)果偏于保守。2022/12/2294蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法以彈性分析為基法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法以活套法蘭為例：基本假設(shè)：法蘭在操作過程中不發(fā)生任何屈服或蠕變，即處于完全彈性狀態(tài)；法蘭為受均布外力矩作用的矩形截面的圓環(huán)，受力后不發(fā)生畸變扭歪；不及操作內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力；不考慮螺栓孔的影響。2022/12/2295蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法以活套法蘭為例：法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法按基本假設(shè)b，法蘭的矩形截面不發(fā)生畸變扭歪，則環(huán)的變形只是由于截面偏轉(zhuǎn)一角度。按照下圖作如下分析：2022/12/2296蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法按基本假設(shè)b法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法設(shè)A為矩形截面上任一點，其坐標(biāo)為(r，y)。當(dāng)矩形截面繞中心C轉(zhuǎn)過一角度q以后，A點位移到A’，其半徑出r變?yōu)閞+dr。A點的周向相對伸長為：A點周向應(yīng)變：周向應(yīng)力：2022/12/2297蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法設(shè)A為矩形截面法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法周向應(yīng)力：偏轉(zhuǎn)角q

：Mt:法蘭環(huán)截面中心圓周上單位周長力矩；r：法蘭環(huán)截面中心圓周上半徑；t：法蘭環(huán)厚度W:螺栓總拉緊力

最大周向應(yīng)力：環(huán)的上下表面內(nèi)側(cè)x=Ri；y=l/22022/12/2298蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Timoshenko法周向應(yīng)力：偏轉(zhuǎn)角法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法Waters法是我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB150-1998《鋼制壓力容器》和GB/T17186-1997國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼制管法蘭強度計算方法》(A方法)中的法蘭計算所引用。對法蘭的應(yīng)力分析和Timoshenko法計算整體法蘭的方法類似，所不同的是，Waters法將法蘭環(huán)不是作為圓環(huán)，而是作為環(huán)板進行分析，并且考慮了法蘭錐頸的作用。高頸法蘭的應(yīng)力分析力學(xué)模型如下圖所示：2022/12/2299蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法Waters法蘭強度設(shè)計計算方法-Waters法2022/12/22100蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-Waters法2022/12/1829法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/22101蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/18法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/22102蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/18法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/22103蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/18按照彈性分析方法，將法蘭3部分邊界上的未知內(nèi)力（Ms0,Mp0,Qs0,Qp0

）和錐頸徑向位移函數(shù)中的4個積分常數(shù)（d1，d2,d3,d4）作為基本未知量。由內(nèi)力平衡條件和變形協(xié)調(diào)關(guān)系建立協(xié)調(diào)方程：給定法蘭材料，結(jié)構(gòu)尺寸和力矩M0的前提下，由8個平衡方程所確定的8個未知量求解得法蘭三個方向最大應(yīng)力為：法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/22104蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院按照彈性分析方法，將法蘭3部分邊界上的未知內(nèi)力（Ms0,法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法t:初擬法蘭厚度；Di：法蘭內(nèi)直徑；M：法蘭力矩；f:法蘭錐頸應(yīng)力校正系數(shù)；e:系數(shù)，e=F/h0h0:系數(shù)，h0=（Dig0）1/2g1:系數(shù)，g1=（U/V）h0g02F和V分別是考慮剪力和轉(zhuǎn)角影響的錐頸系數(shù)，根據(jù)g1/g0

和h1/h0和由圖查取；2022/12/22105蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法t:初擬法蘭厚Waters法是線彈性理論方法，法蘭中各處的應(yīng)力與外載（法蘭力矩）成線形（正比）關(guān)系，而法蘭3部分邊界上的未知內(nèi)力及由此引起的法蘭中的應(yīng)力取決于法蘭各部分結(jié)構(gòu)尺寸的相對比例，即法蘭各部位應(yīng)力可表征為法蘭結(jié)構(gòu)尺寸的無量綱比值的函數(shù)。法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法從便于設(shè)計應(yīng)用的角度出發(fā)，Waters建立一組無量綱參數(shù)，其中體現(xiàn)錐徑結(jié)構(gòu)的參數(shù)是g1/g0

，h1/h0，體現(xiàn)法蘭環(huán)參數(shù)的是K（D0/Di），并進行大量計算，給出由這些無量綱參數(shù)所確定的相應(yīng)應(yīng)力參數(shù)，其中體現(xiàn)錐徑作用的參數(shù)是F,V,f,體現(xiàn)法蘭環(huán)作用的參數(shù)是Y，T，U，Z。2022/12/22106蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法是線彈性理論方法，法蘭中各處的應(yīng)力與外載（法蘭法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法法蘭各項應(yīng)力分布2022/12/22107蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法法蘭各項應(yīng)力分布20法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/22108蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/18法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法關(guān)于法蘭強度計算的全過程見文獻：[美]螺栓法蘭一般公式的推導(dǎo)，1937；E.O.Waters,D.B.Wesstrom;中譯文：石油化工技術(shù)情報1978年第五期，北京石油化工總廠設(shè)計院。2022/12/22109蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法關(guān)于法蘭強法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/22110蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/18法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/22111蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法--Waters法2022/12/18法蘭強度設(shè)計計算方法-DIN2505法基于塑性極限載荷的設(shè)計方法：DIN2505法該方法并不注重于法蘭本身的應(yīng)力水平，而是著眼于法蘭連接的密封性能。因此對法蘭的強度計算以極限設(shè)計的概念進行，而對整個連接的密封性能的檢驗是通過制作一個“載荷-變形圖”的辦法來加以確認。國標(biāo)GB/T17186-1997《鋼制管法蘭連接強度計算方法》方法B的主要內(nèi)容取自德國DIN2505-1964《管法蘭連接計算》。2022/12/22112蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院法蘭強度設(shè)計計算方法-DIN2505法基于塑性極限載荷的設(shè)該方法計算模型過于簡化，與實際法蘭受力情況有很大出入。通常整體法蘭的危險應(yīng)力總是發(fā)生于椎頸，而該方法則未加考慮。因此，計算結(jié)果無法反映法蘭的真實應(yīng)力狀況。該方法僅計算“環(huán)”的徑向彎曲應(yīng)力，而實際法蘭環(huán)的最大應(yīng)力并非總是發(fā)生于徑向，也可能存在于環(huán)向。Bach法存在問題：通過大量計算比較和實踐表明，該方法計算結(jié)果偏于危險。工程設(shè)計中很少采用該方法。三種設(shè)計方法比較2022/12/22113蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院該方法計算模型過于簡化，與實際法蘭受力情況有很大出該法以彈性分析為基礎(chǔ)，考慮了法蘭的三部分：客體、錐頸鶴法蘭換之間的相互作用。從彈性分析準(zhǔn)則來說是比較完善的計算方法。

Waters法：大量實踐證明，Waters法在通常情況下能獲得滿意的設(shè)計結(jié)果。具有以下特點：

A.建立在合理的彈性分析理論基礎(chǔ)之上；

B.經(jīng)歷了長期的時間考驗；C.計算簡便。由于這些特點，Waters法為美、英、日等國的規(guī)范（ASME、BS及JIS）所采用。三種設(shè)計方法比較2022/12/22114蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院該法以彈性分析為基礎(chǔ)，考慮了法蘭的三部分：客體、錐該法認為法蘭的強度并非是設(shè)計的主要矛盾，因此允許對法蘭按極限載荷法進行計算，從而挖掘法蘭的承載能力，可獲得較小結(jié)構(gòu)尺寸的法蘭設(shè)計。但是“載荷-變形圖”需涉及墊片的回彈性能、比壓及墊片系數(shù)等參數(shù)，而這些參數(shù)又受到許多因素的影響，測定這些參數(shù)的準(zhǔn)確性尚存在很多問題。由于制作“載荷-變形圖”非常困難，AD規(guī)范中干脆免去了對密封性能的檢驗步驟，因此，存在著密封失效的危險性。DIN法：三種設(shè)計方法比較2022/12/22115蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院該法認為法蘭的強度并非是設(shè)計的主要矛盾，因此允許對Waters法設(shè)計步驟（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計（二）內(nèi)壓法蘭載荷（三）法蘭應(yīng)力（四）應(yīng)力校核2022/12/22116蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計（二）內(nèi)壓法蘭Waters法設(shè)計步驟--1（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計整體法蘭結(jié)構(gòu)尺寸示意圖W:螺栓設(shè)計載荷FG：墊片載荷FD：法蘭環(huán)內(nèi)徑截面上的壓力載荷FT：介質(zhì)壓力引起的總軸向力與法蘭內(nèi)徑截面上的壓力載荷之差FT=F-FDF:介質(zhì)壓力引起總軸向力DG：墊片壓緊力作用中心圓直徑2022/12/22117蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--1（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計整體法蘭Waters法設(shè)計步驟--2

計算法蘭外力矩時，螺栓力、墊片載荷及壓力載荷的作用點均與法蘭尺寸有關(guān)。在進行法蘭計算前，需先擬定必要的法蘭強度尺寸和連接尺寸。錐徑小端與殼體相連，其厚度通常取與殼體壁厚相同，錐頸大端與小端比例關(guān)系為：g1/g0=1.6-1.8

或按如下經(jīng)驗公式確定:

g0≤38mm時，g1=2g0；

g0>38mm時，g1=1.5g0；g1/t=0.43-0.73錐頸錐度通常等于或小于1︰3，錐頸高度一般取h=1.5g1（一）法蘭尺寸的初步設(shè)計（1）法蘭強度尺寸和連接尺寸2022/12/22118蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--2計算法蘭外力矩時Waters法設(shè)計步驟--3預(yù)緊狀態(tài)下最小墊片壓緊力：（2）墊片壓緊力操作狀態(tài)下最小墊片壓緊力：預(yù)緊狀態(tài)下最小螺栓載荷：（3）螺栓載荷操作狀態(tài)下最小螺栓載荷：2022/12/22119蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--3預(yù)緊狀態(tài)下最小墊片壓緊力：（2Waters法設(shè)計步驟--4（4）螺栓面積預(yù)緊狀態(tài)下最小螺栓面積：操作狀態(tài)下最小螺栓面積：需要的螺栓面積Am取Aa與Ap之大值；實際螺栓面積Ab應(yīng)不小于所需面積Am。（5）螺栓設(shè)計載荷預(yù)緊狀態(tài)下螺栓設(shè)計載荷：操作狀態(tài)下螺栓設(shè)計載荷：實際螺栓面積Ab將大于所需面積Am，為防止預(yù)緊時螺栓過量擰緊造成法蘭超載，在計算設(shè)計載荷時，螺栓面積按實際面積與計算面積的平均值考慮。2022/12/22120蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--4（4）螺栓面積預(yù)緊狀態(tài)下最小螺Waters法設(shè)計步驟--5預(yù)緊狀態(tài)下：操作狀態(tài)下：（二）內(nèi)壓法蘭載荷FG=W

；

FD=0；FT=0;將螺栓載荷向墊片載荷作用點取矩，得總力矩為：

M1=W.hGFG=FP=2π

DGbmpcFD=(π/4)Di2pFT=(π/4)(DG2-Di2)p將以上各力向螺栓力作用點取矩，得總力矩為：

M1=W.hGM2=FDhD+FThT+FGhG2022/12/22121蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--5預(yù)緊狀態(tài)下：操作狀態(tài)下：（二）Waters法設(shè)計步驟--6比較預(yù)緊和操作情況下兩力矩的大小，其中較大者為法蘭計算力矩：法蘭計算力矩=max{M2，M1.[s]ft/[s]f

}設(shè)計和常溫下的許用應(yīng)力（三）法蘭應(yīng)力2022/12/22122蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--6比較預(yù)緊和操作情況下兩力矩Waters法設(shè)計步驟--7（四）應(yīng)力校核2022/12/22123蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院Waters法設(shè)計步驟--7（四）應(yīng)力校核2022/12/12022/12/22124蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院2022/12/1853蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院關(guān)于Waters法的幾點說明Waters法雖然沒有直接計算法蘭變形，但它用計算法蘭的彈性名義應(yīng)力，通過控制適當(dāng)許用應(yīng)力的辦法來保證法蘭具有足夠的剛性，從而使整個連接達到密封可靠的要求，達到了以簡便的強度設(shè)計代替密封設(shè)計的當(dāng)量計算目的。由此可見，Waters法的設(shè)計結(jié)果是法蘭相對偏于安全。--《法蘭實用手冊》李新華說明：2022/12/22125蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院關(guān)于Waters法的幾點說明Waters法雖然沒有直說明：Waters指出：該設(shè)計方面對所設(shè)計的法蘭直徑和壓力不受限制。---《法蘭實用手冊》李新華經(jīng)過綜合分析后，認為Waters法中未考慮的一些因素對法蘭應(yīng)力的綜合影響結(jié)果，使法蘭應(yīng)力增高并非過大，總的計算結(jié)果仍有足夠的裕量，即使對于直徑達3600mm的法蘭仍適用。---《壓力容器及化工設(shè)備》陳國理關(guān)于Waters法的幾點說明2022/12/22126蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院說明：Waters指出：該設(shè)計方面對所設(shè)計的法蘭直徑和大口徑非標(biāo)法蘭強度設(shè)計方法--Waters法在選定法蘭和墊片的材料后，參考法蘭標(biāo)準(zhǔn)系列初擬法蘭結(jié)構(gòu)和尺寸，對整體法蘭，是在假設(shè)法蘭錐頸和法蘭環(huán)厚度基礎(chǔ)上計算力矩及各項法蘭應(yīng)力當(dāng)應(yīng)力與相應(yīng)的許用應(yīng)力相差較大時，調(diào)整法蘭椎頸或法蘭環(huán)的尺寸，重復(fù)計算過程，直至各項法蘭應(yīng)力小于相應(yīng)的許用應(yīng)力，并較接近時為止。試算法：Waters法設(shè)計中，隨著Di增大，對應(yīng)于系數(shù)圖f、F、V、T、U、Y、Z中可能無法查?。?022/12/22127蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院大口徑非標(biāo)法蘭強度設(shè)計方法--Waters法在非標(biāo)法蘭設(shè)計事例1-Waters法可靠性？根據(jù)清華大學(xué)5MW低溫核供熱堆試驗堆工程的安全殼設(shè)計實例，建立了與實際法蘭結(jié)構(gòu)完全一致的三維有限元模型，采用六節(jié)點三角形單元劃分有限元網(wǎng)格，克服了采用Waters的近似，使應(yīng)力計算結(jié)果更加可靠。計算結(jié)果表明，對于直徑大于1000mm的大型法蘭，采用GB150規(guī)范設(shè)計時，應(yīng)力計算值小于實際值，誤差達10%以上，具有一定的局限性。2022/12/22128蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院非標(biāo)法蘭設(shè)計事例1-Waters法可靠性？根據(jù)清華大學(xué)2.2有限元網(wǎng)格劃分采用MSC.PATRAN進行安全殼頂蓋封頭法蘭結(jié)構(gòu)的有限元分析，模型為軸對稱6節(jié)點三角形單元。網(wǎng)格劃分如圖所示。2022/12/22129蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院2.2有限元網(wǎng)格劃分采用MSC.PATRAN進行安全殼頂蓋2.3Waters法與FEM應(yīng)力計算結(jié)果的比較當(dāng)安全殼頂蓋的法蘭與封頭之間的直筒節(jié)取不同長度L時，有限元法得到的法蘭錐頸小端M點的軸向應(yīng)力列于表中.安全殼實際L為100mm,FEM值為338.1MPa；而GB150計算得到的值為233.4MPa，且與L無關(guān)?？梢娺@兩種方法得到的法蘭錐頸小端應(yīng)力之差很大；FEM值與水壓試驗實測值誤差很小。當(dāng)L很大，接近于Waters法假設(shè)的半無窮直筒壁時，M點的應(yīng)力值趨于一定值，這個值仍比Waters法的結(jié)果高17%，這就是Waters法對大口徑法蘭與半無限長直筒體連接時的法蘭軸向應(yīng)力的計算誤差。2022/12/22130蘭州理工大學(xué)石油