长颈对焊法兰设计问题探讨

姜凤银，杜付军

(惠生工程(中国)有限公司河南化工设计院分公司，河南郑州 450018)

长颈对焊法兰设计问题探讨

姜凤银，杜付军

(惠生工程(中国)有限公司河南化工设计院分公司，河南郑州 450018)

设备法兰是压力容器不可或缺的连接部件，设备法兰的合理设计不仅可以提高设备的安全性能，而且可以降低其制造成本。长颈对焊法兰是最常用的设备法兰型式。本文对标准长颈对焊法兰选用时易被忽略的问题作简单探讨，并给出建议性意见;之后通过实例计算，研究了法兰强度尺寸对法兰三项应力值的影响。

长颈法兰;锥颈高度;小端厚度;三项应力

0 引言

在压力容器设计中，法兰设计是极其关键的环节。一般情况下，我们按照法兰的使用条件和结构型式来选择标准法兰。GB150-2011《压力容器》［1］第7章法兰计算中的第7.1.1条规定“当选用JB/T 4700～4707(NB/T47020～47027-2012)标准［2］时，可免除本章计算”，但当我们采用标准法兰时，由于对标准理解不够深入，容易忽视一些关键问题，进而影响法兰强度设计。本文将针对这些问题提出建议性的处理意见。

另外在设计过程中，我们往往因为工艺条件、结构、经济性等问题的限制而需要自行设计设备法兰。法兰设计的影响因素很多，如垫片材料、直径、宽度，螺栓材料、数量、中心圆直径，法兰环厚度和锥颈高度等［3］。这些因素中，法兰强度尺寸是整个法兰设计过程的关键所在，因此本文将通过实例计算，以控制法兰中的三项应力(轴向应力、切向应力、径向应力)为设计依据对设备法兰进行强度优化设计。

1 标准法兰选取时应注意的问题

1.1 锥颈小端厚度

在用SW6软件进行法兰强度校核计算时，需要输入颈部小端有效厚度，以标准长颈法兰为例，该值应该取对接筒体的厚度还是法兰标准中的小端厚度，目前存在一定的争议。

在GD150法兰计算章节，法兰三项应力及刚度指数计算公式为:

轴向应力按式(1)计算:

径向应力按式(2)计算:

环向应力按式(3)计算:

刚度指数按式(4)计算:

式中:Di，法兰或筒体端部结构内直径，mm; M0，法兰设计力矩，N·mm;f，法兰颈部应力校正系数(法兰颈部小端应力与大端应力的比值);V1，整体法兰系数;K1，刚度系数，取0.3;E，法兰材料的弹性模量，MPa;δ0，法兰颈部小端有效厚度，mm;δ1，法兰颈部大端有效厚度，mm;δf，法兰有效厚度，mm; σR，法兰颈部大端有效厚度，mm;h0，系数，为，系数。

在SW6法兰计算中，分别对螺栓受力、法兰力矩、螺栓间距、三项应力及刚度系数进行了校核，前三者主要由垫片和螺栓参数来确定，三项应力及刚度系数的影响因素较多，但从式(1)-(2)中可以看出，法兰直边段的长度并不参与法兰强度计算，法兰强度计算区域为法兰环部分加锥颈段。因此，法兰颈部小端厚度应为法兰锥颈段与直边段相交处的厚度，即标准中的小端厚度，而非与法兰对接的筒体厚度。

1.2 许用腐蚀裕量

当碳钢应用在一般工业介质中时，材料腐蚀是不可避免的。因此在法兰计算中，理应扣除相关尺寸的腐蚀裕量。NB/T 47020-2012《压力容器法兰分类与技术条件》中对该标准适应的腐蚀裕量进行了规定“本标准中乙型法兰的适用腐蚀裕量≤2 mm，当2 mm腐蚀裕量超过≤3 mm时，应加厚短节厚度2 mm。长颈对焊法兰的适用腐蚀裕量≤3 mm”。

当设备法兰材料的腐蚀裕量大于本标准中规定值时，则不能直接选用标准法兰。这是因为腐蚀裕量削减了法兰锥颈大端与锥颈小端的厚度，从而增大了法兰轴向应力和径向应力，法兰最大应力通常发生在锥颈小端与筒体连接处［4］，这样就造成法兰强度有可能不满足设计要求。对这种超出标准范围的法兰，需要根据根据GB150.1～150.4-2011《压力容器》第3部分第7章对法兰自行设计核算，或者采用SW6计算软件来校核法兰，只是在标准尺寸的基础上作以下调整:法兰内径为法兰公称直径减去两倍的腐蚀裕量;法兰锥颈大端厚度和锥颈小端厚度为标准中给定值减去腐蚀裕量。

1.3 法兰材料

在NB/T 47020-2012《压力容器法兰分类与技术条件》中规定了该标准所适用的法兰材料类型“本标准适用于公称压力0.25～6.40 MPa，工作温度-70～450℃的碳钢、低合金钢制压力容器法兰”，这一点常常容易被忽略。在压力容器设计中，经常遇到设备法兰材料为高合金钢的情况，此时我们往往未经计算而直接选取标准法兰，这样是不符合标准要求的。

相同条件下，高合金钢锻件的强度一般小于碳钢、低合金钢锻件，因此必须利用SW6对高合金钢设备法兰进行强度校核。若工艺介质对法兰材料有腐蚀，则在SW6中输入法兰本体尺寸时应扣除腐蚀裕量:法兰内径为法兰公称直径减去两倍的腐蚀裕量;法兰锥颈大端厚度和锥颈小端厚度为标准中给定值减去腐蚀裕量。若标准法兰满足强度要求，则可直接采用标准法兰标记，但需在图纸明细表中标明:参照NB/T47023-2012。

1.4 法兰与圆筒连接

NB/T 47020-2012《压力容器法兰分类与技术条件》规定了长颈对焊法兰与筒体的对接要求:长颈对焊法兰的直边段厚度和与其相连接的圆筒厚度不等时，长颈对焊法兰按图1虚线削薄，或者在对接焊缝的筒体端部按图2堆焊过渡。标准对该项的描述比较模糊，未对两种连接方式的使用场合进行界定，而且对图1来说，标准未对直边段的削边尺寸进行具体规定。这样容易给设计者造成一定的困扰。

图1 削边连接

图2 堆焊过渡连接

分析NB/T 47020-2012标准6.5.1节中图1和图2可知，采用图1的连接方式可以减少焊接工作量，但增加了直边段削薄端的应力值;采用图2的连接方式避免了直边段厚度的削薄，但若筒体厚度与直边段厚度差值较大，则造成焊接工作量增加，甚至引起焊接变形。基于此，笔者建议:①若δ1-δ≤4 mm，则采用图2堆焊过渡的连接方式;②若δ1-δ＞4 mm，则采用图1结构进行连接，削边长度L1(图3所示)应满足式(5)［5］的要求。若对接筒体厚度 小于NB/T47023-2012《长颈对焊法兰》表1中的最小对接筒体厚度，则需根据表3调整法兰总高度(增加直边段长度)，以保证直边段削薄端的应力在许用范围内。

图3 法兰与圆筒对接

③若δ1-δ＞4 mm，且筒体厚度δ既不满足NB/T47023-2012中表1最小对接厚度要求，又不能按照表3进行修正，则应该对筒体局部段加厚，增加过渡段以便与法兰焊接，如图4所示。过渡段长度L0应满足式(6)的要求。

图4 小壁厚筒体与法兰过渡连接

2 法兰强度尺寸对法兰应力的影响

为了便于分析法兰强度尺寸对法兰应力的影响，我们通过一实例计算来说明。

某换热器:公称直径DN=350mm，壳程设计压力p1=1.5 MPa，管程设计压力p1=0.9 MPa，壳程设计温度t壳=4℃，管程设计温度t管=4℃，圆筒材料为Q345R。设备法兰:长颈对焊法兰，材料为16Mn锻件。

2.1 法兰环厚度对三项应力的影响

为了便于讨论法兰环厚度对三项应力的影响，我们假设法兰其它尺寸不变，法兰环厚度对三项应力的影响如图5所示。从图5中可以看出，随着法兰环厚度的增加，法兰的三项应力值均呈减小趋势。当法兰环厚度由32 mm增加到36 mm时，轴向应力减小了11.23%，切向应力减小了0.96%，径向应力减小了26.5%。由此可见，增加法兰环厚度对降低径向应力有明显的作用，对轴向应力影响较小，对切向应力的改变几乎没有影响。

图5 法兰环厚度对法兰应力的影响

2.2 锥颈高度对三项应力的影响

在此假设法兰其它尺寸不变，锥颈高度对三项应力的影响如图6所示。从图6可以看出，法兰的轴向应力、切向应力和综合应力均随着锥颈高度的增加而降低，法兰的径向应力随着锥颈高度的增加而增加。当锥颈高度由25mm增加到33mm时，轴向应力减小了29.32%，切向应力减小了12.05%，径向应力增加了3.3%。

图6 锥颈高度对法兰应力的影响

由此可见，增加法兰环厚度可以有效地降低法兰轴向应力，对切向应力的影响次之，而对径向应力则起到相反的作用。

2.3 小端厚度对三项应力的影响

在此假设法兰的其它尺寸不变，小端厚度对三项应力的影响如图7所示。

图7 小端厚度对法兰应力的影响

从图7可以看出，三项应力的变化趋势与图6相似。法兰的轴向应力、切向应力和综合应力均随着小端厚度的增加而降低，法兰的径向应力随着小端厚度的增加而增加。当小端厚度由10 mm增加到13 mm时，轴向应力减小了32.11%，切向应力减小了22.53%，径向应力增加了8.75%。由此可见，增加法兰环厚度可以有效地降低法兰的轴向应力，对切向应力的影响次之，而对径向应力则起到相反的作用。

综上可知，法兰强度尺寸对其三项应力均有影响，且这种影响并非单调的。在实际设计过程中，往往需要同时调节法兰环厚度、锥颈高度和小端厚度才能使得法兰达到满应力的优化状态。

3 结论

在选取标准法兰时，必须对标准全面理解，充分考虑设计条件对标准的修正;增加法兰环厚度可以明显降低法兰的径向应力;增加锥颈高度和小端厚度可以有效降低法兰的轴向应力;但增大了法兰的径向应力;法兰强度尺寸对三项应力的影响并非单调的，设计中需要合理调整各个尺寸以使得三项应力均区域相应的许用应力，使得法兰材料的强度得到充分利用，提高法兰的经济性。

［1］ GB150.1-GB150.4-2011，钢制压力容器［S］.

［2］ NB/T47020-47027-2012，压力容器法兰、垫片、紧固件［S］.

［3］ 桑如苞.压力容器强度设计技术分析(四)［M］.石油化工设计，2000.

［4］ 桑如苞.关于压力容器法兰标准若干问题的建议［J］.化工设备设计，1997，34:24-28.

［5］ HG/T20583-2011，钢制化工容器结构设计规定［S］.

TQ050.3;TQ050.2

B

1003-3467(2015)10-0047-03

2015-07-29

姜凤银(1988-)，女，设备助理工程师，从事压力容器设计工作，电话:(0371)68567988-2166，E-mail:jiangfengyin@wison.com。