张欢欢朱海清
(江南大学 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室)
欧美冲压活套法兰制造企业较多,如:德国的KREMO公司、法国的BENE INOX公司及美国的MARYLAND METRICS公司等,其制造依据是DIN2642和DIN2576标准。在国外,冲压法兰主要应用于染色机上,德国的TC公司是最早使用该法兰的公司之一。在国内,很多地区的染色机生产企业已经提出使用冲压法兰的要求,但由于该种非标法兰在国内缺乏设计依据(GB150是以平板理论为基础的),因此这种使用要求一直未被批准。
从1891年德国的巴赫提出的Bach法到2009年新的EN1591标准,法兰的设计计算方法经历了一百多年的发展和演变。其设计计算理论按时间可分为3个阶段:基于材料力学的方法、基于弹性分析的方法和基于塑性极限的分析方法。而Waters法是基于弹性分析的法兰设计方法中最具代表性且应用最广泛的一种。美国的ASME、我国的GB150、英国BS、日本JIS以及法国CODAP等标准都以Waters法为基础。
Waters法自1937年由Taylor和Waters提出以来,很多学者对其进行了深入研究,给出了建议并对其进行了多次的修改和完善。Waters指出“‘法兰设计’实际上包括垫片设计、螺栓设计和法兰设计3部分,并且是依次进行,其中任何一步设计失利都会直接影响以后步骤的进行,设计结果可能相差甚远。”[1]。
Waters法是建立在线弹性板壳理论基础上的非标法兰设计计算方法,不论是内压法兰或外压法兰,除法兰力矩计算式不同外,都根据法兰环和圆筒(或包括锥颈)连接的牢固程度,将各类法兰区分为整体(包括带颈)法兰和活套(包括带颈)法兰,任意法兰则向此两者靠拢[2]。Waters整体法兰的应力计算公式包括按整体法兰计算的任意式法兰和带颈的松式法兰,但后者的系数F、V要相应地改为活套法兰的系数[3]。Waters法的基本思路为:在弹性分析的基础上,根据垫片系数m和密封比压y,在法兰受力确定的条件下,计算出法兰中的最大应力,借控制其大小实现连接的密封要求。
1.1基本假设条件
Waters法推导过程中的假设条件可总结为:
a. 法兰在设计温度下保持弹性,不发生蠕变与塑性变形。该假设保证法兰上产生的应力和应变在弹性范围内。
b. 螺栓载荷W、垫片载荷HG和流体静压轴向力HD、HT都是已知的。
c. 螺栓载荷与力臂按假定得出,且螺栓载荷与力臂的乘积即为施加于法兰的外力矩,用作用于法兰环内径和外径上的当量力偶代替。
d. 壳体与锥颈以其内表面为中面,由于其与环板中面连接处发生位移中断,另假设锥颈大端的径向位移为零。
e. 法兰环的挠曲和变形很小,环形形心的径向位移可忽略,其中性面因弯曲而引起的伸长可忽略不计[2~4]。
1.2力学计算模型和计算处理方法
Waters简化和假设后,其计算模型如图1所示。
图1 法兰受力简图
Waters将法兰(无论平焊法兰或长颈对焊法兰)分为壳体、锥颈和法兰环3个部分进行应力分析。
壳体应力分析的计算处理方法:半无限长圆柱壳,沿边缘(X1=0)受均匀分布的弯矩M0和剪力Q0作用。
锥颈应力分析的计算处理方法:线性变厚度的圆柱壳,在X2=0的小端处作用有沿边缘均匀分布的弯矩和剪力,在X2=h的大端处作用有均布的弯矩和剪力。
法兰环应力分析的计算处理方法:环形薄板,在其内外环上作用均布力W0,构成力矩(其中W1为均布力W0之总和,M0为法兰设计力矩)另外还作用有沿内圆周均布的弯矩,其值为X1。
1.3评价
针对不同的法兰形式Waters法会有不同的计算效果,文献[5]指出:计算误差随直径的增加而增加。直径为1 219 mm时,约低估10%;而直径较大时,低估可达30%。对于在1.138~2.172 MPa压力范围内直径超过1 524 mm的法兰,应该在法兰设计中采用更为精确的计算方法。
忽略温度及泄漏等级的影响,容易导致密封等级高的达不到使用要求,密封等级低的造成材料浪费。EN13445.3的第11章(基于Taylor-Waters法)就将该法限制在承受内压和外压法兰的设计范围内。用户如要考虑热循环、控制泄漏或法兰还承受其他附加载荷时,应采用该标准附录G提供的另一方法(即EN1591-1方法)[6]。
Watesr法中略去了压力载荷对法兰径向作用所造成的不连续应力以及内压在圆筒、锥颈上引起的“直接薄膜应力”,即所谓的“压力膨胀作用”。后认为这是Watesr法将法兰应力估计偏低的主要原因[4]。
Waters法没有考虑螺栓孔疏密程度、法兰连接在载荷作用下的锥颈纵向弯曲应力以及弹塑性状态下法兰的工作状况等,使得计算结果不够精确。文献[6]指出用Waters计算的法兰应力比用有限元分析所得的应力要小1/3,挠度则小一半。
尽管如此,Waters法大半个世纪里在全世界范围内经受了大量了实践应用考验,证实在设计情况下能得到满意的设计结果[7]。Waters法既有合理的理论基础又有成功的使用经验,不失为一种规范的设计方法[8]。
同其他法兰连接一样,冲压法兰也是法兰螺栓连接系统。冲压法兰组件是由法兰盘、翻边短节、垫片、螺栓、螺母和弹簧垫圈组成(图2),冲压法兰的法兰盘不是一个平面,而是由凹陷、凸起和外围的翻边组合而成。冲压法兰的法兰盘和翻边短节(尤其是法兰盘)的独特结构与传统的松套法兰有着显著的区别,从而形成了冲压法兰的独特优点。
图2 冲压法兰组件
冲压法兰是一种新型的非标管法兰,与传统的管法兰相比较,它结构独特、加工工艺简单、原材料消耗和综合成本大幅度下降,大规模的推广运用将产生显著的经济效益。
通过以上分析可知,Waters法在弹性分析的基础上,将法兰分为圆筒、锥颈和法兰环3个部分,分别对应圆柱壳、线性变厚度圆柱壳和环形平板3个模型进行计算。而冲压活套法兰的异型结构显然不能套用Waters的计算模型,尤其是非平板结构的法兰盘,不能使用Waters法涉及的平板理论计算方法。因此,使用Waters法非标法兰校核方法对冲压法兰进行理论计算不可行。
冲压法兰独特的结构使得其不能使用传统的非标法兰设计计算方法(Waters法)进行理论计算,笔者提出3种冲压法兰的理论计算思路,并进行对比分析:
a. 在弹性力学基础上基于有力矩理论进行计算;
b. 将冲压法兰设想成沿圆周展成悬臂梁的方法进行计算(基于Bach法);
c. 将冲压法兰组件中的非平板法兰盘利用有力矩理论等效成某一厚度的平板,然后按传统的平板非标准法兰进行校核(简称等效计算法)。
方法a理论上是可行的,但其过程太过繁杂,缺乏实际使用价值;方法b虽然大大简化了计算,但是有着与Bach法相同的弊端,即该法只计算了径向弯曲应力,忽略了较大的周向应力,计算结果偏小,可以考虑通过添加安全系数来缩小误差,但是要通过大量的实验及模拟分析,工作量较大;方法c提出了一种计算冲压法兰的新的思路,虽然可能产生等效前后最大应力位置及最大应力值不同的现象,但是通过有限元及实验进行对比验证,不失为一种对非平板法兰进行理论计算的新方向。
[1] 蔡克霞,袁红.螺栓法兰联接刚度的计算[J].机械,2000,27(z1):102~103.
[2] 《法兰实用手册》编委会.法兰实用手册[M].北京:中国标准出版社,2012:57~60.
[3] 丁伯民,蔡仁良.压力容器设计——原理及工程应用[M].北京:中国石化出版社,1992:149~154.
[4] 冯清晓,桑如苞.修正的Waters法兰设计方法与ASME法兰设计刚度计算法的分析比较[J].石油化工设备技术,2010,31(3):49~53.
[5] 王庆梅,桑如苞.用Waters法设计法兰中的轴向应力计算及其评定[J].石油化工设计,2009,26(1):14~15.
[6] 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):1~11.
[7] 黄勇力,桑如苞.关于Waters法兰计算方法的考证[J].石油化工设计,2009,26(3):57~59.
[8] 孟北方,韩维国.浅议压力容器法兰设计方法[J].一重技术,1996,(1):103~105.