核3级压缩空气储罐人孔法兰计算

巢孟科

（上海核工程研究设计院)

压力容器

核3级压缩空气储罐人孔法兰计算

巢孟科*

（上海核工程研究设计院)

根据ASME规范，利用Excel和VBA的功能，对典型的核3级压缩空气储罐人孔法兰进行编程计算。通过公式法求得所需的法兰系数，使得法兰计算更为准确。

压缩空气储罐 人孔法兰 垫片 螺栓载荷 模块 力矩 ASME规范

众所周知，法兰在整个设备中起着非常重要的作用，在承压容器中尤为突出。一旦法兰的强度和刚度得不到满足而产生失效，所导致的后果不堪设想。法兰计算一直是容器设备设计计算中相对繁琐的工作，需要解决预紧力计算、密封分析、应力校核三个主要问题[1]。在一次计算通不过的前提下，需要对结构尺寸、校核应力等进行重新调整，直至计算通过。对于优化设计同样如此。为了简化计算，本文介绍了典型的核3级压缩空气储罐中人孔法兰的计算方法。利用Excel及VBA[2]的功能，编制法兰计算程序，将法兰计算所需的参数、计算公式以及最终结果进行关联，可大大降低计算的复杂度。

1 计算准备

压缩空气储罐主要用于储存压缩空气分配系统中的仪表用压缩空气，其外形见图1。人孔部件包括法兰、垫片、法兰盖、螺柱和螺母，见图2。

参照ASME-Ⅲ-1-强制性附录Ⅺ[3]有关法兰计算的内容，编制核3级压缩空气储罐人孔法兰的计算过程，并形成计算程序。这一方法的特点在于只需输入一些关键参数即可得到最终结果，从而大大减少了计算时间，提高了工作效率。以下列出法兰计算所需的一些关键参数。由于法兰类型为整体法兰，故尺寸定位如图3所示。

图3所示的结构参数是法兰计算所需的关键参数，各参数的含意如下所述：

P——设计压力，MPa；

A——法兰外径，mm；

B——法兰内径，mm；

C——螺栓圆直径，mm；

n——螺栓数量；

g0——法兰颈小端厚度，mm；

g1——法兰颈大端厚度，mm；

图1 压缩空气储罐

图2 人孔法兰布置

图3 法兰结构及主要参数

t——法兰厚度，mm；

h——法兰颈长度，mm；

h0——系数，；

K——法兰外径与法兰内径的比值，K=A/B。

2 计算步骤

2.1 模块1——垫片计算模块

利用Taylor-Waters法[4]，基于垫片系数m和最小设计压紧应力y的两个垫片系数，以强度为主要准则，进行应力校核计算。m和y值根据垫片尺寸和材料，由ASME-Ⅲ-1-强制性附录Ⅺ中表Ⅺ-3221.1-1中查得。根据ASME-Ⅲ-1-强制性附录Ⅺ中表Ⅺ-3221.1-2的图示，结合设备密封结构和垫片尺寸可以得出垫片可能接触的宽度N和法兰面与压紧垫片间的接触宽度w。模块1主要是用于计算垫片压紧有效宽度b（mm）以及垫片载荷反作用力处的直径G（mm）的模块。计算所需的参数垫片高度T、垫片接触面内径D垫内、垫片接触面外径D垫外的尺寸定位如图4所示，其计算流程见图5。其中，b0为垫片基本密封宽度。

图4 垫片高度和接触面内、外径示意图

图5 垫片计算流程

2.2 模块2——螺栓载荷计算模块

根据模块1的计算结果，运行模块2，得到设计工况下的法兰设计螺栓载荷及垫片压紧工况下的法兰设计螺栓载荷，其计算流程见图6。其中，螺栓的螺纹根部直径db根据螺纹公称直径，查《机械设计手册》第二卷[5]1.3节普通螺纹的表5-1-3，取螺纹小径值。

螺栓载荷计算所需的关键参数如下所述：

ST1——常温下螺栓材料最小抗拉强度，MPa；

SY1——常温下螺栓材料最小屈服强度，MPa；

ST1t——设计温度下螺栓材料的最小抗拉强度，MPa；

图6 螺栓载荷计算流程

Wm1——设计工况下的螺栓载荷，MPa；

Wm2——垫片压紧工况下的螺栓载荷，MPa；

Sa——常温下螺栓许用应力，MPa；

Sb——设计温度下螺栓许用应力，MPa；

Ab——螺栓螺纹根部实际总横截面积，mm2；

Am1——设计工况下所需的螺栓根部或承受应力的最小直径截面的总横截面积，mm2；

Am2——垫片压紧情况下所需的螺栓螺纹根部或承受应力的最小直径截面的总横截面积，mm2；

Am——螺栓所需的总横截面积，mm2；

W1——设计工况下的法兰设计螺栓载荷，N；

W2——垫片压紧工况下的法兰设计螺栓载荷，N。

2.3 模块3——法兰力臂计算模块

模块3是用于法兰力臂计算的模块，其计算流程如图7所示。法兰力臂计算所需的关键参数如下所述：

R——螺栓圆至法兰背面与颈部交点的径向距离，mm；

hD——螺栓圆至HD作用圆之间的径向距离，mm；

hG——垫片载荷反作用力处至螺栓圆之间的径向距离，mm；

hT——螺栓圆至HT作用圆之间的径向距离，mm。

图7 法兰力臂计算流程

2.4 模块4——法兰力矩计算模块

模块4是用于法兰力矩计算的模块，分别计算设计工况下的法兰力矩M01及垫片压紧工况下的法兰力矩M02，其计算流程如图8所示。各参数如下：

图8 法兰力矩计算流程

H——流体静压端部力，N；

1、操作电源的原因。当操作机构对回路进行控制，受到熔丝熔断无直流电源的影响，操作机构无法实现分闸，还会受到直流电源与电压的影响，会低于分闸线圈使用范围，导致分闸时有动作，却根本不能顺利实现分闸。

HD——作用在法兰内径面积上的流体静压端部力，N；

HG——设计工况下垫片载荷（法兰设计螺栓载荷和总的流体静压端部力之差），N；

HT——总的流体静压端部力和作用在法兰内径面积上的流体静压端部力之差，N；

MD——由HD产生的力矩分量，N·mm；

MG——由HG产生的力矩分量，N·mm；

MT——由HT产生的力矩分量，N·mm。

2.5 模块5——法兰系数模块

对于法兰系数值的计算，ASME提供了两种方法：图表和公式。为了方便，我们过去习惯于查图表得到数据，但这样存在人为因素造成的偏差。国外通常都采用规范中提供的公式进行计算，这样不仅计算值准确，也提高了编制、校核、审核工作的效率。为此，对繁琐的公式进行函数关联，就能达到其重复利用的效果。

根据ASME-Ⅲ-1-强制性附录Ⅺ中表Ⅺ-3240-1法兰系数的公式，利用编程进行计算，输入值后即可得到法兰系数F和V以及颈部应力修正系数f，其他系数的计算也是如此。

2.6 模块6——设计工况应力校核模块

模块6是用于设计工况应力校核的模块，详见图9所示。设计工况应力校核所需的关键参数如下所述：

图9 设计工况应力校核流程

ST2——常温下法兰材料最小抗拉强度，MPa；

SY2——常温下法兰材料最小屈服强度，MPa；

ST2t——设计温度下法兰材料的最小抗拉强度, MPa;

SY2t——设计温度下法兰材料的最小屈服强度, MPa;

ST3——常温下相邻材料的最小抗拉强度,MPa；

SY3——常温下相邻材料最小屈服强度，MPa；

ST3t——设计温度下相邻材料的最小抗拉强度，MPa；

SY3t——设计温度下相邻材料的最小屈服强度，MPa;

M0——法兰力矩，取设计工况下法兰力矩M01，N·mm；

SH1——法兰颈部轴向应力，MPa；

SR1——法兰径向应力，MPa；

ST1——法兰切向应力，MPa；

Sf1——设计温度下法兰材料的许用应力，MPa；

Sn1——设计温度下相邻材料的许用应力，MPa。

2.7 模块7——垫片压紧工况应力校核模块

模块7是用于垫片压紧工况应力校核的模块，详见图10所示。

图10 垫片压紧工况应力校核流程

将上述法兰各部分计算在程序中进行合并，得出简单的“输入关键参数—最终输出结果”的对应关系，如图11所示。

图11 法兰计算流程简化图

在模块7的计算中，垫片压紧工况应力校核所需的关键参数如下所述：

ST2——常温下法兰材料的最小抗拉强度，MPa；

SY2——常温下法兰材料的最小屈服强度，MPa；

ST3——常温下相邻材料最小抗拉强度，MPa；

SY3——常温下相邻材料最小屈服强度，MPa；

M0'——法兰力矩，取垫片压紧工况下的法兰力矩M02，N·mm；

SH1——法兰颈部轴向应力，MPa;

SR1——法兰径向应力，MPa;

ST1——法兰切向应力，MPa;

Sf1——设计温度下法兰材料许用应力，MPa;

Sn1——设计温度下相邻材料许用应力，MPa。

3 总结

本文根据ASME规范，利用Excel和VBA的功能，对典型的核3级压缩空气储罐人孔法兰进行编程计算。通过编程对各步骤所需计算的参数进行函数关联，在确保输入准确无误的前提下，只需人工输入关键参数就可得到最终结果。这样的计算方式达到了简化计算、提高工作效率的目的。尤其在法兰系数的计算中，采用公式法代替图表法更提高了计算值的准确度和计算的自动化程度。

[1]蔡暖姝.法兰计算方法和垫片性能参数[J].石油化工设备技术,2014，35(2):57.

[2]刘增杰,王英英.Excel 2010 VBA入门与实战[M].北京：清华大学出版社，2012.

[3]The American Society of Mechanical Engineers.Boiler& Pressure Vessel Code[S].2007.

[4]应道宴,蔡暖姝,蔡仁良.螺栓法兰接头安全密封技术（三）——法兰的设计选用及其承载能力评估[J].化工设备与管道,2012，49(6)：1－10.

[5]成大先.机械设计手册[M].第5版.北京：化学工业出版社，2008.

国内首台大直径聚乙烯离心机研制成功

中国石油天然气集团公司2016年6月29日宣布，由东北炼化工程公司吉林机械分公司研发的国内首台大直径聚乙烯离心机设备通过中国石油科技部验收，各项指标达到国际先进水平。

这种型号为LWF-1000的聚乙烯离心机，转鼓直径为1000 mm，长度与直径比为2.5，是目前国内首台大直径、大长径比聚乙烯离心机。吉林机械分公司在研制中，全面进行技术优化，成功地制造出LWF-1000聚乙烯离心机，并拥有5项创新、4项专利。

LWF-1000聚乙烯离心机首次修正了传统的离心机离心分离沉降模型，提出了“上浮临界粒度”模型；首次应用上浮临界理论，利用专业软件进行离心机流场分析；样机设计在整体布局上全面优化；在离心机设计基础上，在国内首创橇装离心机测试平台，可适用多物料种类分离性能测试；首次将自动化控制系统和实时监控预警系统的技术应用于离心机上。(钱伯章)

Calculating of Manhole Flange of Class 3 Compressed Air Tank

Chao Mengke

According to the ASME code,the procedure calculation of the manhole flange of the typical class 3 compressed air tank is carried out by applying the Excel and VBA.The flange calculation is more accurate when the flange coefficient is obtained from the formula manipulation.

Compressed air tank;Manhole flange;Gasket;Bolt load;Module;Moment;ASME code

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.08.010

2015-11-17)

*巢孟科，男，1986年生，硕士研究生，工程师。上海市，200233。