结构计算和强度校核
若螺栓间距太大，在螺栓孔之间将引起附加的法兰弯距，且垫片受力不均导致密封性下降。为此，螺栓间距不超过下式所确定的数值。
?6?fLmax?2dB?
m?0.5式中：dB 螺栓公称直径,mm
?f 法兰有效厚度,mm
?6?f6?34则 Lmax?2dB?=2x20+=121.6mm
2?0.5m?0.5 ?Db3.14?700L???80mm
n28?知3.5dB 因此所选螺栓间距合适 3.9.3应力计算 输入法兰厚度δf = 40 mm时， 法兰应力校核 轴向应力： ?1? fMo1.0?46106??114MPa ??12Di0.898?0.032?0.5t <1.5 [?]f?162MPa 结论：校核合格 径向应力： ?3?(1.33?f?e?1)M0??f2Di?1.544?46106?99MPa 20.898?0.04?0.5?1.0[?]tf?108MPa 结论：校核合格 切向应力： ?2? M0Y46106?5012?Z???2.68?99?30MPa R?f2Di0.042?0.5 ?1.0[?]tf?108MPa 青海大学化工机械系 29 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计 结论：校核合格 综合应力： 0.5(?1??2)?0.5(114?99)?106.5MPa ?1.0[?]tf?162MPa 结论：校核合格 法兰校核结果：校核合格 3.10前端管箱法兰计算 3.10.1设计条件 设计压力 p=1.3MPa 计算压力 pc =1.3MPa 设计温度 t=200? C 轴向外载荷 F=0 N 外力矩 M=0 N.mm 管箱: 材料名称 16Mn(热轧) t[?]n =160MPa 许用应力 法 兰: 材料名称 16Mn (热轧) 许用应力 [ ?]f =160 MPa 螺 栓: 材料名称 Q235-B(热轧) 许用应力 [?]f =87MPa 螺栓规格 M16 数量 n=20个 法兰选用要求： 在石油化工设备管道生产中，由于生产工艺的要求，或者制造，运输，安装，检修方便。常可采用可拆的联接机构，常见的联接机构有法兰联接，螺栓联接和插套联接。由于法兰联接有较好的强度和紧密性，适用的尺寸范围广，在设备和管道中都能引用，所以法兰连接最普遍。缺点：不能很快的装配和拆卸，制造成本高。 查表2-18 PN=1.6MPa 公称直径DN 法兰 螺柱 规格 数量 非金属垫片 D D1 D2 D3 D4 ? d D5 ds 30 青海大学化工机械系 结构计算和强度校核 700 垫片选用要求： 930 890 855 845 842 60 43 M16 220 544 504 垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的蜜蜂性能，设计时，应根据介质的特性，压力，温度和压紧面的形状选择垫片的结构形式，材料和尺寸，同时兼顾价格，制造和更换是否方便等因素。基本要求是制作垫片的材料不污染工作介质，耐腐蚀，具有良好的变形能力和回弹能力，以及在工作温度下不易变质硬化或软化。 垫片选用 查表4-1 介质 油品，油气，化工原料及产品 法兰公称压力MPa 工作温度℃ 密封面形式 形式 垫片 材料 橡胶石棉板 ?1.6 ?2000C 凹凸面 耐油垫 3.10.2螺栓设计校核 1）垫片预紧力： Fa??DGby 式中： Fa 御紧状态下需要的最小垫片压紧力。N b 垫片的有效密封宽度，mm DG 垫片压紧力作用中心圆计算直径,mm 当 b0?6.4mm 时， DG等于垫片接触面的平均直径 当b0?6.4mm时 ，DG等于垫片接触面的外径减去2b y 垫片压紧力,MPa 由前知 N=20 b0?N?10?6.4mm 2则 b?2.53b0?8mm DG?544?16?528mm 则 Fa??DGby?3.14?528?8?11?145896.96N 操作状态下： Fp?2?DGbmPc 式中： Fp 操作状态下需要的最小垫片压紧力，N 青海大学化工机械系 31 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计 m 垫片系数 Pc 计算压力，MPa 则 Fp?2?DGbmPc?2?3.14?528?8?2?1.3?69821.32N 2）螺栓载荷计算： 预紧状态下需要的最小螺栓载荷等于保证垫片初始密封的压紧力。即 Wa?Fa?145896.96N 式中：Wa预紧状态下需要的最小螺栓载荷N 操作状态下需要的最小螺栓载荷由两部分组成：介质产生的轴向力和保持垫片密封所需的垫片压紧力，即 Wp?F?Fp??4DG2Pc?2?DGbmPc 式中：Wp操作状态下需要的最小载荷，N Wp?F?Fp?3)螺栓设计校核 ?4DG2Pc?2?DGbmPc?314562N 通常螺栓与螺母采用不同的材料或同种材料但不同的热处理条件，使其具有不同的硬度，螺栓材料应比螺母材料硬度高30HB以上。 预紧状态下： 按常温计算，螺栓所需截面积Aa为 aAa?[W?]b 式中：[?]b常温下螺栓材料的许用应力 查 GB150-1998知，常温下[?]b=87MPa 则 Aa?Wa[?]b?145896.93?1677mm2 87操作状况下，按螺栓设计温度计算螺栓所需截面积Ap Ap?Wp[?]tb 式中：[?]tb设计温度下螺栓材料的许用应力 查 GB150-1998知 设计温度下[?]tb=71MPa 32 青海大学化工机械系 结构计算和强度校核 则 Ap?Wp[?]tb?314562?4431mm2 71需要的螺栓截面积Am取Aa与Ap的较大值。故取Am=4430mm2 由Am 可确定螺栓直径与个数 Am?4Am ?n式中：d0 螺纹根径或螺栓最小截面直径,mm n 螺栓个数 选定螺栓个数n=20 则 Am?4Am4?4430??16.7mm?12mm ?n3.14?20而前边选用 M16 的螺栓，故螺栓强度足够。 3)螺栓间距校核 确定螺栓个数不仅考虑螺栓法兰的密封性，还要考虑安装的方便。螺栓个数多，垫片受力均匀，密封效果好，但螺栓个数太多，螺栓间距变小，可能放不下扳手，引起装拆困难，法兰环上两个螺栓孔中心距 应在 的范围，若螺栓间距太大，在螺栓孔之间将引起附加的法兰弯距，且垫片受力不均导致密封性下降。为此，螺栓间距不超过下式所确定的数值。 M0?347776?0.08?27822N.m 式中： dB 螺栓公称直径,mm ?f 法兰有效厚度,mm ?6?f6?4.4则 Lmax?2dB?=2?20+=145.6mm 2?0.5m?0.5 ?Db3.14?590L???92.63mm n20?知3.5dB 因此所选螺栓间距合适 2 = 31509.8 m2 面积 Ab = n?d14青海大学化工机械系 33