青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计
3.11后端管箱法兰计算
3.11.1设计条件:
设计压力 p=1 MPa 计算压力 pc =1 MPa 设计温度 t=200? C 轴向外载荷 F=0 N 外力矩 M=0 N.mm 壳 体:
材料名称 Q235-B(热轧) 许用应力 [?]n =113 MPa 法 兰:
材料名称 Q235-B(热轧)
许用应力 [ ?]f =113 MPa 螺 栓:
材料名称 Q235-B(热轧)
许用应力 [?]f =87MPa 螺栓规格 M20 数量 n=28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 700 930 垫片选用要求：
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 法兰公称压
工作温度℃ 密封面形式 垫片 890 865 845 843 60 43 M20 28 644 604 法兰 螺柱 规格 数量 非金属垫片 tD D1 D2 D3 D4 ? d D5 ds 34 青海大学化工机械系
结构计算和强度校核
油品，油气，化工原料及产品
力MPa 形式 材料 橡胶石棉板 ?1.6 ?2000C 凹凸面 耐油垫 3.11.2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?12mm
DG?644?24?620mm
则 Fa??DGby?3.14?620?8?11?256978N 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
m 垫片系数 Pc 计算压力，MPa
则 Fp?2?DGbmPc?2?3.14?620?12?2?1?93446.4N 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?256978N
式中：Wa预紧状态下需要的最小螺栓载荷N
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35 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计
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?358990.4N
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?256978?2954mm2 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 则 Ap?Wp[?]tb?358990.4?5056mm2 71需要的螺栓截面积Am取Aa与Ap的较大值。故取Am=5056mm2 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
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结构计算和强度校核
n 螺栓个数 选定螺栓个数 n=20 则 Am?4Am4?5056??15.1mm?12mm ?n3.14?28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。
Lmax?2dB?6?fm?0.5
式中：dB 螺栓公称直径,mm
?f 法兰有效厚度,mm
?6?f=2?20+
则 Lmax?2dB?m?0.5 ?Db3.14?700L???80mm
n286?34=121.6mm
2?0.5知3.5dB ?M0?347776?0.08?27822N?m 3.11.3应力计算 输入法兰厚度δf = 30 mm时， 法兰应力校核 轴向应力： ?1?fMo1.0?27822??128MPa 22??1Di0.701?0.022?0.6t <1.5 [?]f?162MPa 结论：校核合格 青海大学化工机械系 37 青海大学本科毕业设计：浮头式换热器设计 径向应力： ?3?(1.33?f?e?1)M0??f2Di?1.318?27811?98MPa 0.701?0.0222?0.6?1.0[?]tf?108MPa 结论：校核合格 0切向应力： ?2??2D?Z?R?0.0222?0.6?4.84?18.01?10MPa fi MY27822?9.39?1.0[?]tf?108MPa 结论：校核合格 综合应力： 0.5(?1??2)?0.5(128?98)?113MPa ?1.0[?]tf?162MPa 结论：校核合格 法兰校核结果：校核合格 3.12钩圈设计[12] 材料 16Mn 类型 B型 n??2YM140mm t?2C2?Dfi[?]f钩圈对保证浮头端的密封，防止介质间的泄漏起重要作用。其一般为对开式结构，要求密封可靠，结构简单，紧凑便于安装和拆卸方便。 钩圈与浮头管板推荐尺寸： 材料 公称直径Dg 16MnR 700mm 580mm 530mm 492mm 464mm 490mm 462mm D1 D2 D3 D4 D5 D6 3.13浮头计算[13] 在设计时必须考虑浮头处的管板外径应小于壳体内径， 一般推荐浮头管板与壳体内壁之间隙不小于5mm。 3.13.1设计条件 计算压力 Pc = 1.3MPa 38 青海大学化工机械系