化工压力容器法兰设计

化工部管法兰标准有欧洲体系和美洲体系，设
备法兰标准为JB/T4700~4703。 具有确定公称压力的法兰根据材料和设计温度 的不同具有不同的最高允许工作压力，在选用 标准时，必须查询对应的压力-温度额定表。 标准中列出了法兰、垫片、紧固件的选配原则。 紧固件分为低强度，中等强度及高强度三种强 度等级，按照对材料的控制又可以分为专用级 和商品级。 衬里法兰盖的塞焊孔和位臵可参照化工部管法 兰标准。
不锈钢衬里法兰盖的使用温度上限不大于350。C。 带颈平焊法兰、承插焊法兰和螺纹法兰的颈部外侧 斜度应不大于7。。带颈对焊法兰的锥颈斜度应不大 于45。，且应具有斜度不大于7。的直边段。

随着科学的进步，华脱尔斯法的不足也逐渐体
现出来，EN 标准附录G和附录GA 体现了新的 设计方法，具体内容请见秦书经的《法兰接头 设计》和EN13445附录G和附录GA 。
计算整体法兰时，法兰环和壳体（接管） 的变形协调，只有一对。最大周向弯曲 应力发生在法兰环内侧的上下表面，法 兰环上无径向力；圆筒上存在轴向弯曲 应力，周向弯曲应力和周向薄膜应力。 轴向边缘应力大于周向边缘应力，所以 仅校核轴向边缘应力。未考虑带锥颈的 整体法兰。
预紧状态的法兰力矩：
Ma=（Am+Ab）/2*[σ]b



对较厚的锥颈，在按刚度法控制锥颈端部(2/3) °转角 时，由于锥颈表面离中性面较远，为此锥颈表面产生较 大的σH，以至可能超过1.5[σ]，导致M刚大于M强。即按 刚度法设计的法兰，并不能满足强度法的设计要求。相 反此时按强度法设计的法兰则可自动满足刚度法的要求 （偏转角≤ (2/3) ° ）。 相反，对较薄的锥颈，在按刚度法控制锥颈端面（2/3） °转角时，由于锥颈表面离中心面较近，为此锥颈表面 产生较小的σH，以至于1.5[σ]，导致M刚小于M强。即按 刚度法设计的法兰能同时满足强度法的要求。相反，此 时按强度法的设计则并不能满足刚度的要求。 即两种方法何种起控制作用取决于法兰锥颈的厚度。
X24项目沉降器设备，水压试验时螺栓预紧力
远超过计算所得的数据，垫片表面的粗糙度、 密封面的粗糙度都对结果有很大的影响，以水 压状态上紧的螺栓在实际使用过程中会造成螺 栓的应力超过所允许的许用应力。 关于JMH12-3-80010液压拉伸器的拉伸力： （20个M72X4螺栓） 预紧时所需的总的螺栓力为13714316N 操作时所需的总的螺栓力为591895圆形法 兰的设计和计算》，和GB150的计算公式不同， 所以计算出来的结果和以椭圆长轴当量圆环直 径计算结果不一致。 O形圈法兰计算，未计及垫片压紧力的作用。

法兰应力只考虑了法兰力矩的作用。实际上由压力 在法兰直边段中产生的应力并非很小。对于平焊法 兰来说，其直边段厚度即为与法兰对接的圆筒的厚 度。此厚度按内压圆筒计算。内压圆筒计算此壁厚 时，将其环向薄膜应力控制在一倍筒体材料的许用 应力[σ]，此时圆筒中的轴向薄膜应力 σ H P 即达 0.5[σ]。这轴向应力 σ H P 相比法兰力矩在法兰锥 颈上引起的法兰轴向弯曲应力 σ H （按标准控制 1.5[σ]），可见 σ H P ≈ σ H /3，故 σ H P 已非小量。 同时因为一次总体薄膜应力，而 又为一次弯曲应 力。即法兰锥颈小端的总轴向应力为 σ H P + σH 。 根据塑性力学的极限设计原理： σ H P + σH ≤ 1.5[σ] 。而Waters法中已将σH 控制至1.5[σ]，为 此是不合理的。
*LG 操作状态下的法兰力矩： FD=0.785*Di 2 PC FT=F-FD MP=FD*LD+FT*LT+FG*LG 法兰设计力矩:Mo 取大值{ Ma [σ]ft /[σ]f , MP } 见计算书阐述：垫片有效密封宽度，特性参数 （m,y),压紧力作用中心圆直径，垫片压紧力， 螺栓载荷，螺栓设计载荷，螺栓布臵间距要求。
当法兰在相同的操作条件下有成功的使用经验
时可以免除刚度校核。 对承受内压的窄面整体法兰和按照整体法兰计 算的窄面任意式法兰，刚度指数按照下式计算：
外压法兰可按内压法兰计算，但螺栓面积仅需
按照预紧状态考虑 法兰力矩按以下公式计算： MP=FD*LD+FT*LT- FG*LG
FG=FD+FT
松式法兰：凡是法兰环和壳体壁（或管壁）并
无固定连接关系或虽有固定连接关系但不能有 效地保证与壳体（或管壁）同时受载，同时变 形的法兰。螺纹法兰也是松式法兰。 整体法兰：凡是法兰环和壳体整体锻成或法兰 环与壳体壁（或管壁）全部焊透以保证法兰环 与壳体（或管壁）同时受载，同时变形的法兰。 整体法兰的强度和刚度都比较高，适用于压力 和温度较高的场合。法兰环的受力会牵动容器 或接管，在容器或接管上产生附加弯曲应力。
MP=FD* （LD-LG ）+FT*（LT-LG ）
在整个法兰密封面都铺设垫片，即为宽面法兰。
计算方法采用巴赫法，系将连接在筒体上的法
兰环视作是悬臂梁，计算在设计力矩作用下法 兰环的弯曲应力并使之满足法兰环材料的许用 应力。 适用于压力不高的场合，具体见GB150的7.8条。
SW6中有非圆形法兰的计算
铁木辛柯法
华脱尔斯法
法兰环和壳体（接管）均处于弹性 法兰环和壳体（接管）均处于弹性 状态，不发生屈服和蠕变现象。 状态，不发生屈服和蠕变现象。
将法兰环视为受均布扭矩作用的矩 将法兰环视为受均布弯矩作用的环 形截面圆环，在扭矩作用下只绕其 板，法兰环，锥颈（当有锥颈时）， 圆筒三者相连而组成两对边缘问题， 形心旋转，不发生畸变和弯曲。 他们的变形均相互协调。 将螺栓孔的影响忽略不计，将法兰 将螺栓孔的影响忽略不计，将法兰 环视为实心圆环。 环视为实心圆环。 都只受螺栓力所引起的力矩，略去 都只受螺栓力所引起的力矩，略去 介质内外压对法兰环，锥颈（当有 介质内外压引起的薄膜应力。 锥颈时），圆筒引起的薄膜应力。
美国ASME标准为了解决Waters法可能造成的
较大变形引起泄漏问题，对该法补充提出了刚 度计算要求。此刚度法对整体法兰来说，实质 上是控制锥颈大端的偏转角≤2/3°，比英国 BS1500的限制法兰密封面偏转角3/4°稍小。 松式法兰控制偏转角≤0.2°

Waters法是通过以强度控制形式进行设计。 ASME 刚度法是对法兰锥颈大端偏转角以（2/3）°加以 限制，以刚度控制形式进行计算。刚度法对锥颈表 面的轴向应力σH是不加控制的。而锥颈表面的轴向 应力σH是与锥颈表面离锥颈中性面的距离成正比的。
铁木辛柯法 计算活套法兰时，法兰环上仅为周向弯 曲应力。未考虑带锥颈的活套法兰。
华脱尔斯法 计算活套法兰（不带颈）时， 法兰环上仅为周向弯曲应力。 带颈时，锥颈小端不受力。一 对边缘应力作用。 法兰环上有环向和径向弯曲应 力，锥颈和圆筒上有轴向弯曲 应力和周向应力，轴向边缘应 力大于周向边缘应力，所以仅 校核轴向边缘应力。
当选用JB/T4700~4707标准时，可免除计算
带颈法兰应采用热轧或锻件经机加工制成，加
工后的法兰轴线须与原热轧件或锻件的轴线平 行。采用钢板制造带颈法兰时，应符合7.1.4要 求。 碳素钢或低合金钢制法兰在下列任一情况下应 经正火处理：1.法兰断面厚度大于50mm,2.锻 制法兰 螺栓的公称直径应不小于M12，当公称直径大 于M48时，应采用细牙螺纹。