美國(guó)asme法蘭設(shè)計(jì)剛度計(jì)算方法分析

1、避 ．石 油 化 工 設(shè) 計(jì)P e t r o c h e m i c a lD e s i g n2 0 0 9 ， 2 6 ( 1 ) 1 ～ 5美國(guó) A S ME法蘭設(shè)計(jì)剛度計(jì)算 方法分析 桑如苞 ( 中國(guó)石化 工程 建設(shè)公 司 ， 北京 1 0 0 1 0 1 )摘 要 ： 對(duì) 美國(guó) A S M E 標(biāo) 準(zhǔn) 中的法蘭設(shè) 計(jì)剛度 計(jì)算 方法的 來(lái) 由進(jìn)行 分析 ， 指 出其 轉(zhuǎn) 角控 制值。通過 與Wa t e r s 法的分

2、析 比較 ， 證 明了兩種方法 間的 關(guān)系及 它們等價(jià) 時(shí)的臨界值 ， 由此得 出兩種方法各 自 的合理應(yīng) 用 范 圍 。關(guān)鍵詞 ：法蘭 ；剛度 ；強(qiáng)度 ； 轉(zhuǎn)角 ； 應(yīng) 力 壓力容器法蘭國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算方 法屬 Wa t e r s 法， 美國(guó) A S M E 、 日 本 J I S 、 英國(guó) B s 、 法國(guó)C O D A P 、 中國(guó) G B 1 5 0 等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都采用 Wa t e r s 法。W a t e r s

3、法 自 1 9 3 7 年提出至今 ， 幾 乎在世界范 圍內(nèi)經(jīng)歷了 7 0年的長(zhǎng)期 廣泛實(shí)踐考驗(yàn)。證實(shí)該 方法 在極大多數(shù)情況下使用情況 良好。就此方法本文 作者等曾提出過它 的優(yōu)化設(shè)計(jì) 、 合理設(shè)計(jì)¨ j 方法 。然而 A S M E Ⅷ一1 ( 2 0 0 4 年版) 又補(bǔ)充提 出了一個(gè)法 蘭剛度計(jì)算的建議l 2J 。對(duì)此種方法和要求 的了解 是十分必要的。本文對(duì)該方法進(jìn)行分析探討 ， 目的旨在 ：( 1 ) 了解其計(jì)算原

4、理及計(jì)算控制值。( 2 ) 與 W a t e r s 法的關(guān)系與 比較。( 3 )剛度計(jì)算的必要性及建議。1A S ME剛度計(jì)算法分析 A S M E中關(guān)于法蘭剛度計(jì)算方法分為兩類 ：( 1 ) 整體法蘭( 包括按整體法蘭計(jì)算 的平焊法 蘭 ) 。( 2 ) 活套 法蘭 ( 包括帶頸 與不帶頸 的活套法 蘭 ) 。以下分別進(jìn)行分析。1 ． 1 整體法蘭計(jì)算方法分析 A S M E的計(jì)算公式和要求 ：J = 5 2 ． 1 4 M。(

5、L E g 2 h 。 k I ) ≤1式中： - ， ——參數(shù) ， I ， ≤1 ；。— — 法蘭設(shè)計(jì)力矩 ， N · m m；轉(zhuǎn)角系數(shù) ， 即 G B 1 5 0中的 V；— — 系數(shù) ， 即 G B 1 5 0中的 ；E ——法 蘭材料在 設(shè)計(jì)溫度 下 的彈性模 量 ，MP a ：g 。 ——法蘭錐頸小端厚度 ， 即 G B 1 5 0 中的 。 ，i nn ；0 ——系數(shù)， 即 G B 1 5 0 中的 h 。 = ~

6、 ／ D i。 ， m m ；D ； ——法蘭內(nèi)徑 ， m m；— — 法蘭剛度系數(shù) ， A S M E建議取 0 ． 3 。要求 ． ， 小于等于 l 。當(dāng) ． ， 大于 1 時(shí)， 增加法蘭 厚度 ， 直至 ． ， 小于等于 1 。此式經(jīng)符號(hào)轉(zhuǎn)換后( 以 G B 1 5 0 的符號(hào)表示 ) 。J = 5 2 ． 1 4。／ [ a F 2： o k I ( D j。 )]對(duì)上述公式進(jìn)行考查 ， 此式類似于圓柱殼 ( 包 括等厚與線性變

7、厚柱殼 ) 在均布邊界力矩作用下 的轉(zhuǎn)角公式。故 以柱殼邊界效應(yīng)公式進(jìn)行探討 。因?yàn)檎w法蘭 的錐頸 系線性變厚度 圓柱殼 ，其在邊界力作用下 的變形計(jì)算公式非 常復(fù)雜 ， 為 簡(jiǎn)化分析， 可以厚度變化率為零時(shí) ， 即等厚 圓柱殼 收稿 日期 ： 2 0 0 8 —0 7 —2 1 。作者簡(jiǎn)介： 桑如苞， 男， 浙江紹興人， 已退休 ， 從事壓力容器設(shè) 計(jì) 工作近 4 4年 ， 為 國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn) G B 1 5 0等十 余項(xiàng) 標(biāo)準(zhǔn)的主要

8、編制 人之 一 ， 對(duì) 法 蘭、 凸緣 、 管板 、 大開孔 補(bǔ)強(qiáng) 、 一 次結(jié)構(gòu)法 、 應(yīng) 力分類 等 強(qiáng)度 設(shè)計(jì) 問題 有較 深 入研究 ， 指 出 國(guó)外 同類方 法的 問題 ， 解 決合理 設(shè)計(jì) 方 法等 ， 發(fā)表論 文近 6 o 篇 ， 成果應(yīng) 用于 工程 設(shè)計(jì)或 標(biāo)準(zhǔn) 制訂 中。聯(lián) 系電話 ： 0 1 0—8 4 8 7 7 4 8 9第 2 6 卷 桑如 苞． 美 國(guó) A S M E法蘭設(shè)計(jì) 剛度計(jì)算方 法分析 

9、3;3 ·— — 法蘭外徑與內(nèi)徑之比， D 。 ／ D j ；— — 法蘭外徑 ， m m；D ； ——法蘭內(nèi)徑 ， r n m ；I ——法蘭剛度系數(shù) ， A S M E 建議取 0 ． 2 。當(dāng) ． ， 大于 1 時(shí)， 要求增加法蘭厚度 t ， 直 至 ‘ ，小于 1 。此式經(jīng)符號(hào)轉(zhuǎn)換( 以 G B 1 5 0 符號(hào)表示)J=1 0 9 ． 4 4 M。 ／ l F ~3 1 n ( D。 ／ D i ) k LJ因活套法

10、蘭是一個(gè) 圓環(huán) ， 在法 蘭力矩作 用下 發(fā)生偏轉(zhuǎn) ， 則上述公 式可從 圓環(huán)受均 布彎矩 ( 扭 矩 ) 作用下的轉(zhuǎn)角變形公式來(lái)加以探討。見圖 2 。／ < ／ ， 西I。 一，I／ ／ ，／ t， ， ，、，， R 圖 2 活套法蘭分析不意 按圓環(huán)理論 ， 圓環(huán)在沿圓周均布力矩 作用 下產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角=1 2 R R f／ ( E b t) ( r a d ) 。式 中：圓環(huán)轉(zhuǎn)角 ， r a d ；R ——圓環(huán)內(nèi)半徑 ， m

11、 m；R 廣一 圓環(huán)平均半徑 ， m m；— — 圓環(huán)材料彈性模量 ， M P a ；6 ——圓環(huán)寬度 ， m m；— — 圓環(huán)厚度 ， m ／ ／ l 。由于 作用 于活套法 蘭的總 法蘭設(shè) 計(jì)力 矩為 。 ，將其折算成均布力矩 。M ：M。 ／ ( 2 7 t R)貝 0=1 2 R R f M。 ／ [ 2 丌 衄 6] = 6 M。 R f ／ ( ~ E b t)A S M E中計(jì)算式 ：J =1 0 9 ． 4 4。 ／ [

12、I n ( k ) k L ]其中I n ( k ) =I n ( D 。 ／ D i )2 ( k一1 ) ／ ( k+1 )= b ／ R由此 J=1 0 9 ． 4 4。 ／ [I n ( k ) k L ]= 1 0 9 ． 4 4。 Rr ／ ( E tk L b )由 A S M E建議 ：T ．0 ． 2 ； 則 ：J =1 0 9 ． 4 4。 R f ／ ( 0 ． 2 E b t)5 5 0 M。 尺 f ／ (

13、E b t)1將上式改寫成環(huán)的轉(zhuǎn)角表達(dá)形式 ， 即有 ：J=5 5 0 M。 R r ／ ( E b t)=5 5 0 ~ r ×6 M R f ／ ( 6 r r E b t) ≤ 1由上式 ， 可改寫成法蘭的轉(zhuǎn)角 ：= 6 M。 R f ／ ( ~ E b t) < _ _ 6 ／ ( 5 5 0 n )= 0 ． 0 0 3 4 7 2 4 ( r a d )1化為角度0 ． 0 0 3 4 7 2 4 

14、5; ( 1 8 0 。 ／) = 0 ． 2 。 = {。 。以上即是對(duì) A S M E活套法蘭剛度計(jì)算方法來(lái) 由的分析?？梢娖涫前磮A環(huán)受均布彎矩作用下 的轉(zhuǎn)角公式得出 ， 并控制轉(zhuǎn)角 ≤( 1 ／ 5 ) 。 。2A S ME剛度法與 Wa t e r s 法的比較 2 ． 1 整 體 法蘭 A S M E中的法 蘭剛度計(jì)算方法是 控制法蘭錐 頸大端經(jīng) 向轉(zhuǎn)角 [ ≤( 2 ／ 3 ) 。 ] 的方法。Wa t e r s 法是 控

15、制法蘭錐頸軸向應(yīng)力和法蘭環(huán)環(huán) 向應(yīng)力及徑向應(yīng)力的方法。兩者計(jì)算 內(nèi)容和控制條件都不 同，為進(jìn)行 比較 ， 以下對(duì)兩種方法的控制值進(jìn)行分析 ，以了解其問的差異與聯(lián)系。為便 于分 析， 仍 以錐 頸大小端厚度相等的圓柱殼情況加以討論 。2 ． 1 ． 1 錐頸端部力矩——兩種方法的比較基礎(chǔ) 圓柱殼在端部均布邊界力矩 作用下， 殼端 部的轉(zhuǎn)角， 可由圓柱殼邊界效應(yīng) ， 即式( 2 ) 求取 ：=M1 ／ { 1 ． 8 1 7 F Z3 ／

16、 [ 1 0 ． 9 2 ( 髓 )] }當(dāng)控制轉(zhuǎn) 角=( 2 ／ 3 ) 。 ， 即 0 ． 0 1 0 5r a d時(shí)， 作 用于錐頸大端 的． 即為：M1 = 0 ． 0 1 0 5 × 1 ． 8 1 7 F ~o ／ [ 1 0 ． 9 2 ( D i。 )]式中： E ——法 蘭材料 彈性 模量 ， 常 用材料 1 6 M n( 鍛) ， 在 2 0 0o C 時(shí)的彈性模量為 1 ． 8 6xl O 5 MPa 。

17、則： M 1 = 3 2 5 ~ ／ ( D i。 )= 3 2 5 醅 ／ ( D i )可見剛度法在控制錐頸大端 ( 2 ／ 3 ) 。 轉(zhuǎn)角時(shí) ， 作 用于殼端的彎矩 。 與 醅 成正比， 與~ ／成反比。由 Wa t e r s法 以控制錐頸軸 向應(yīng)力 的強(qiáng)度 條件是 ：H ≤1 ． 5 [] } 。由H =Ml ／ W式中：——錐 頸端部 ( 單位 圓周長(zhǎng)度 ) 的經(jīng) 向抗 彎截面 模量， W= 1 × 娟／