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
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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
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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
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??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。
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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