由“垫片选取对法兰厚度和螺栓截面积的影响”引出的分析.pdf

设备技术石油化工设计()由“垫片选取对法兰厚度和螺栓截面积的影响”引出的分析高子健(中国昆仑工程有限公司辽阳分公司 辽宁 辽阳)摘要:在化工生产行业中垫片的不当选取不仅会造成法兰连接处的泄漏同样会对配套法兰和螺栓的经济成本造成影响在工程计算实例中同一种工况一般有若干种垫片可供选择:首先要根据介质特性、压力、温度等工况进行合理的初选再按所选垫片的结构尺寸、垫片系数、比压力进行实际计算最终通过分析比较筛选优质垫片以避免因为垫片材质的过度选择而造成与其配套的紧固件尺寸不合理所引起的成本增加关键词:垫片 垫片系数 比压力 法兰计算厚度 紧固件 螺栓截面积:./.工程设计概况以某一在建工程的浮头式换热器设计为例设计参数如表 所示 浮头式换热器属于常见压力容器其特点为:管束可抽出便于清洗管程、壳程管、壳程温差不受限制可在高温高压下使用具有金属材料消耗量大导致成本高的缺点表 浮头式换热器设计参数项目设计压力/设计温度/腐蚀裕量公称直径/壳程.管程.(浮头侧)注:换热管 根 在计算浮头侧相关参数时发现不仅封头焊入深度对浮头法兰计算厚度有影响同时浮头中夹持垫片材质的选择也会对浮头法兰厚度以及所使用螺栓总截面积产生影响故有必要对浮头结构进行深入分析 选取垫片时应考虑的因素)有良好的弹性和回弹性能适应压力变化和温度波动)柔软性合适能与接触面很好的贴合)不污染工艺介质)有足够韧性不因压力和紧固力而损毁)低温时不硬化收缩量小)加工性能好安装、压紧方便)不粘贴密封面拆卸容易)价格便宜使用寿命长 垫片选取对浮头法兰厚度计算的影响根据工况要求选取最常使用的 种垫片所使用垫片类型及参数列于表 表 所选垫片类型及参数项目垫片系数比压力使用螺栓 平金属板内包石棉.缠绕垫(不锈钢蒙乃尔).复合柔性石墨波齿金属板.计算管板厚度根据换热器实际情况给定设备筒体法兰处垫片尺寸采用 软件计算管板厚度 垫片内径 为 垫片外径 为 通过计算最后得到管板厚度均为.两侧槽深均为 因此设计管板厚度取 .浮动管板厚度在浮头处结构的计算中若管板设计厚度取 则根据/热交换器标准查知勾圈厚度是 为配合计算浮头法收稿日期:作者简介:高子健男 年 月毕业于辽宁工程技术大学机械工程及自动化专业学士 工程师主要从事压力容器设计及分析工作 联系电话:.石 油 化 工 设 计 年第 期(第 卷)兰尺寸现拟定浮头法兰厚度为 并用此值进行核算.浮头法兰厚度计算图 是/中带法兰无折边球面封头的法兰结构由螺栓 紧固下的操作状态以及预紧状态下 的设计计算可得:图 无折边球面封头法兰示意)操作状态下法兰受力:.力臂:.().().()/()力矩:)操作情况下法兰总力矩:()()()()预紧情况下法兰受力:其中 ()/力臂:.()力矩:)得出结果:()预紧状态下:操作状态下:)法兰厚度:其中:.)现将上文选择的 种垫片计算其各自的浮头法兰厚度并进行对比(见表)表 种垫片在两种工况下计算的法兰厚度数据对比选用垫片操作状态下预紧状态下/()/()/()/有效厚度/平金属板内包石棉.缠绕式(不锈钢蒙乃尔).复合柔性石墨波齿金属环.分析表 数据可知:在螺栓规格确定的情况下这 种类型的垫片计算得出的法兰有效厚度均满足之前给定的有效厚度()只是选用缠绕式垫片所计算出的法兰有效厚度()却是 者中最厚的)通过螺栓和垫片载荷的计算公式得知:预紧状态下与 成正比与 成正比 在螺栓为统一规格的前提下 与垫片的 具有线性增加的关系操作状态下与 成正比 (与、无关)与 及()成正比与 成正比由此得出结论:、越大、则越大直接导致法兰有效厚度增大在本文实例中选取平金属板垫片比选取缠绕式垫片和金属波齿垫片时其厚度分别减少 和 选取缠绕式垫片比选取金属波齿垫片时法兰厚度增加 因此选用垫片时在满足设计工况和接触介质特性要求的条件下选取的垫片材质等级越高可能越不利于材料成本的控制 垫片中 和 的意义及二者在计算中的作用垫片作为化工设备紧固件中必不可少的零件之一其选择和使用在工程计算中起到重要作用然而起到关键作用的核心参数是 和 年第 期(第 卷)高子健.由“垫片选取对法兰厚度和螺栓截面积的影响”引出的分析 的定义是垫片系数:施加在单位有效密封面积上的最小压紧力与其内压力的比值 使用中的意义:合适的 值可使垫片与法兰间保持足够大的阻力以避免密封面发生泄漏 的定义是比压力:形成初始密封状态条件时垫片单位面积上所受的最小压力 使用中的意义:使垫片表面嵌入到法兰密封面微观上的凹凸缝隙内并将其填没以消除介质泄漏通道垫片材料越硬 越大在石油化工行业中介质多为有毒性、腐蚀性或处于高温高压工况这些不利因素促使所选用垫片材质的要求更加严格 因此本文的设计实例中选用平金属板内包石棉垫、缠绕式垫片(不锈钢蒙乃尔)或复合柔性石墨波齿金属板等(见表)这类垫片的比压力 比较大垫片系数 较小通过计算 组不同材质垫片(、变化)所对应的法兰厚度可看出 和 对法兰计算厚度的影响表 不同的 和 对法兰计算厚度的影响项目 组注 组 组 组 组螺栓 .法兰厚度 螺栓 .法兰厚度 螺栓 .法兰厚度 注:第 组:平金属板内包石棉(软铜或黄铜)第 组:平金属板内包石棉(不锈钢)第 组:复合柔性石墨波齿金属板 第 组:内填石棉缠绕式金属(碳钢)第 组:内填石棉缠绕式金属(不锈钢)由表 可看出:)在螺栓总面积相同的情况下将第 组与第 组数据对比当比压力 一定时垫片系数 对浮头法兰计算厚度几乎无影响然而将第 组与第 组数据对比当垫片系数 一定时比压力 值增加导致法兰计算厚度增加)由法兰厚度计算公式知法兰厚度主要由预紧状态下的 和操作状态下的 决定 由表知:在使用缠绕式垫片(不锈钢、蒙乃尔)和复合柔性石墨波齿金属环时垫片系数 一样一样而在预紧状态下垫片比压力 的变化使 增加近 使得法兰厚度增加近)因为 是在预紧状况下影响垫片压紧力的参数 是在操作状况下影响垫片压紧力的参数所以不能同时使用、的值作为评定指标第 组与第 组相比 值接近 值明显增大法兰厚度增加 第 组与第 组相比 值略大法兰厚度相似第 组与第 组、第 组相比 值接近值明显增大法兰厚度增加 但是从表 可得出:垫片系数 对浮头法兰计算厚度几乎无影响所以在此设计工况下得出法兰计算厚度主要受 影响的结论 结语本文所叙述的实例满足本设计工况下设计要求时法兰最小设计厚度与可实用最大厚度相差近 材质的质量级别约相差 而且使用时需要匹配更多的螺栓不仅增加加工工艺难度而且材料成本也相应增加 因此选用垫片时并不应当单独考量 和 值在适应某一工况的众多可选垫片中尽量选取 值较小的垫片会获得更好的经济成本参考文献:化工设备设计全书编委会秦叔经叶文邦等编.化工设备设计全书 换热器.北京:化学工业出版社.周伟秦叔经.浮头法兰计算方法再讨论 化工设备与管道().全国化工设备设计技术中心站.钢制管法兰、垫片、紧固件选配规定:/.北京:化学工业出版社.全国锅炉压力容器标准化技术委员会(/).热交换器:/北京:中国质检出版社.全国锅炉压力容器标准化技术委员会(/).压力容器 第 部分:设计:.北京.中国标准出版社.王庆鉴 法兰连接的螺栓计算.化工设备设计().顾伯勤蒉纪山.法兰连接中螺栓和垫片载荷的确定.南京工业大学学报(自然科学版)().:():.:():.().:(.):.:():.:().