偏心轮式快速夹紧法兰的设计研究

张良，张延，徐程，陆自强，李苏慧，葛顺鹏

（苏州市职业大学机电工程学院，江苏苏州 215104）

0 引言

21世纪，海洋运输是人类最重要的一种运输方式，在陆地天然气、石油等矿产资源产量匮乏的情况下，开拓新的矿产资源己经势在必行。随着全球对能源需求量的不断增加及船舶运输技术的发展，管道运输己广泛应用于各种码头。而管道连接是一项施工操作复杂的技术，法兰结构是连接相邻管道的重要部分，目前在法兰接头的设计中，通常采用ASME规范，但普通螺栓连接法兰结构的弊端日益凸显，因此近40多年来，国内外对法兰的结构的研究持续不断。其中尤以欧洲标准化委员会（CNE）以及美国压力研究委员（PVRC）对法兰结构参数设计及试验方法提供了可行性思路。目前由于船舶在停靠过程中时间短、管道长且不便于单人操作，同时管路与船舶储存器的接口处密封效果差极易引起泄漏等严重问题，这给船舶工作人员操作实施带来困扰。为实现废液、污水排放环节达到少泄漏甚至零泄漏、安装效率高、装配时间短且安全可靠，研究一种简单安全、密封性优良的夹紧法兰结构，可以提高我国在管道运输领域的技术水平，降低运输成本[1]。夹紧法兰的设计大大提高污水管路与船舶储存器的装拆效率，本文着重介绍新型夹紧法兰结构的密封性分析、螺栓连接必要的力学性能的校核。该结构除具有方便、灵活及准确可靠的定位装置外，还能够实现迅速夹紧的功能[2]。

1 偏心轮式快速夹紧法兰的整体设计

本设计利用偏心轮机构的偏心特性实现机构的松弛与夹紧的功能，偏心轮机构带动滑动轴移动，进而实现法兰机构的夹紧与松弛[3]。夹紧法兰由上下两半组合而成，由2个定位销保证同轴度。螺栓组连接固定偏心手柄。当滑动轴插入滑动轴孔时，扳动偏心手柄即可实现快速夹紧与松弛，达到减少泄漏的目的。偏心轮式快速夹紧法兰的整体装配如图1所示。

图1 整体设计图

2 偏心轮式快速夹紧法兰的密封性分析

螺栓法兰连接是一种可拆卸的构件，因此广泛应用于管路系统和承压设备。螺栓法兰连接的可靠性意味着法兰连接在各种工况下具有足够的强度、硬度及紧密性等力学性能。目前法兰设计一般根据ASME推荐的方法，ASME方法的原理为核算控制法兰应力水平，垫片参数可以确保螺栓装配载荷，可通过绘制紧密性参数（lg TP）对垫片应力（lg Sg）关系曲线而获得。紧密性Tp是对垫片试验结果进行整理的参数，Tp表示紧密性的度量，Tp与内压成正比，与泄漏率的平方根成反比，即

式中：P为内压，MPa；P*为参照内压，0.101 MPa；L为质量泄漏率，mg/s；L*为单位泄漏率，150 mm外径垫片为1 mg/s。

为了达到密封垫片所需要的垫片应力[4]，在考虑内压、外载荷及装配方法后，可利用垫片参数Gb、Gs和a，确定密封垫片的装配载荷，在本设计中初选以石棉填料的缠绕工程用法兰垫片，其密封垫片常数Gb=23.4 MPa，a=0.3，Gs=0.048 MPa，垫片外直径G0=150 mm，内部介质压p=2.1 MPa，本设计法兰连接的紧密性等级为标准级，其泄漏率为0.002 mg/（s·mm），根据垫片外径及紧密性等级可计算密封垫片的最小泄漏率为

由式（1）代入数据可计算出最小紧密性参数：

引入安全系数K=1.5，代入数据计算得TPa=1.5TPmin=55.67。

计算指数Tr：

式中：TPa为预紧应力SA所对应的紧密性参数，MPa；TPmin为法兰连接操作时最小紧密性参数。

利用Gb和a可以将预紧阶段的垫片应力与紧密性参数之间的定量关系写成如下的表达式：

根据设计规范，代入数据求得SA=77.51 MPa。

根据垫片设计公式得：

引入泄漏经验系数K1，则垫片最小应力Sm1需满足：

引入组装效率系数e，提高预紧垫片Sya值，对于手工预紧的工况e通常取0.75，则

将式（8）代入公式化简得

K1值与现场泄漏情况有关，取K1=1，P为液体内部压力，因此计算得Sm1>2p。

由式（9）代入式（6）和式（7）化简计算得

式中：p为介质压力，MPa；G0为垫片外直径，mm；e为组装效率系数；K1为现场泄漏系数；a为指数，由试验确定，一般取0.3。

由式（10）和式（11）可以看出，Sm2>Sm1，故取Sm=Sm2=96.36 MPa，则密封圈垫片的最佳预紧力为

因此本设计的密封圈垫片可实现较为理想的密封性，符合基本管道运输的要求，可保证法兰连接所要求的紧密性等级，故在本设计中利用PVRC垫片常数设计法兰。

3 螺栓组设计

螺栓是机构连接的重要部分，螺栓组设计时，首先应确定螺栓数目及螺栓的布置形式，进而确定其尺寸和结构。在法兰结构设计中，上法兰盘片与螺栓垫片采用螺栓连接，由于法兰片是重要部分，因此在设计时，除了在工艺上保证螺栓垫片平整外，结构上也要尽量保证载荷均匀[5-6]。因此本设计中法兰垫片与螺栓垫片连接时的螺栓连接采用对称均布设置，螺栓布置结构如图2所示。

图2 螺栓结构布置图

本设计中，若法兰结构水平布置，则螺栓组连类型为受倾覆力矩连接。工作时法兰结构螺栓组受力图如图3所示。

图3 螺栓受力图

倾覆力矩M作用在螺栓垫片水平轴上，在法兰垫片受倾覆力矩前，螺栓组受预紧力F0，各螺栓在F0作用下有均匀压缩[7]。当法兰结构水平放置时，螺栓组连接下底面受倾覆力矩后，其可绕O-O轴线倾转，倘若接合面仍能够保持为平面，则轴线O-O左侧螺栓被拉伸，上部螺栓被放松，底部螺栓被压缩。受倾覆力矩的螺栓组连接的受力如图4所示。

图4 螺栓受力图

法兰结构工作时，在总载荷Fm的作用下螺栓组受以下力及倾覆力矩的作用。

横向力为Fm的水平分力Fm1：

轴向力为Fm的垂直分力Fm2：

倾覆力矩为

在轴向力F∑V的作用下，各螺栓所受的工作拉力为

在倾覆力矩M的作用下，上部单个螺栓受到拉伸，下部两螺栓受到压缩，将上部单个螺栓所受载荷代入数据计算得

式中：z为螺栓总个数；M为倾覆力矩；Lmax为Li中最大的值，mm；Li为螺栓轴线到O-O距离，mm。

故上部单个螺栓所受工作载荷为

根据接合面不产生滑移的条件，在横向力Fm1的作用下，则

式中：Cb为连接件刚度系数；f为接合面防滑系数，由机械手册查得；Ks为防滑系数，取Ks=1.2；Cm为被连接件刚度系数。

由式（18）和式（20）得每个螺栓所受的总拉力为

为防止螺栓垫片与法兰接合面受压最大处被压碎、受压最小处出现间隙，应校核受载后的接合面极限压力允许值，为防止螺栓垫片底部与法兰接合面压碎[8]，底部接合面的挤压应力应不超过许用值；同时螺栓垫片上部与法兰接合面应保持残余预紧力，防止螺栓垫片与法兰面产生间隙，即σpmin＞0，则

式中：A为接合面有效面积；W为接合面有效抗弯截面系数；［σp］为接合面许用挤压应力；σpmin为接合面上间隙时挤压应力的最小值；σpmax为接合面上挤压应力的最大值。

由式（22）代入数据计算得σpmax=0.813 MPa，σpmin=0.33 MPa，由表1查得［σp］=0.5σB，计算得［σp］=125 MPa＞＞0.813 MPa，因此螺栓垫片底部与法兰接合面不会被压碎；同理代入数据化简计算得σpmin≈0.43 MPa＞0，故螺栓垫片与法兰接合面上端受压最小处不会产生间隙。

通常规定，螺栓拧紧后预紧应力不应超过屈服极限σs的80%。对于螺栓连接的预紧力F0，可由下式校核螺栓：

4 结语

在偏心轮式快速夹紧法兰的设计研究中，对夹紧法兰进行了密封性分析，利用PVRC垫片常数设计法兰，实现较为理想的密封。密封性与螺栓连接有着直接关系，故本设计中确定了螺栓数目及螺栓的布置形式，进而确定其尺寸和结构，在本设计中通过对螺栓的受力分析，对螺栓进行必要的力学性能校核，符合预期要求。对偏心轮式快速夹紧法兰进行装配，设计整体效果图，可以实现快速松弛和夹紧作用，快捷方便，达到减少泄漏的目的。