吴娟 张建伟 樊艳
中建安装集团有限公司石化工程公司
摘要：设备法兰是压力容器中的主要受压元件之一，更是连接换热器的管程和壳程的重要元件，设备法兰和垫片、螺柱连接组合在一起形成了设备的密封结构，如果法兰设计不合理，会引起法兰产生过大翘曲变形而使法兰密封失效，引起设备泄露，危害人们的生命财产安全，因此设备法兰设计的合理性在整个压力容器的质量中起到重要作用。
关键字：非标设备法兰 设计计算 焊接
1 法兰设计计算
① 法兰设计条件
某设备原料气预热器，其设计参数如下：
设计压力——6.7（壳程）/6.9（管程）MPa；
设计温度——460（壳程）/400（管程）°C;
工作温度——453.25/388.93（壳程）/240.32/305（管程）°C;
工作压力——6.13（壳程）/6.18（管程）；
容器类别——II类；
腐蚀裕量——6.0（壳程）/6.0（管程）mm
主体材料——12Cr2Mo1R（壳程）/15CrMoR（管程）
其整体设备图形如下：
图1
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在此台设备中，两个腔室的设计参数相差不大，先按照相对苛刻的壳程的设计参数进行法兰的设计，然后再校核管程的法兰尺寸，确保管程、壳程的法兰都满足设计参数要求。
②法兰标准
在实际工程应用中，如果设备法兰的设计，首先判定是否满足标准法兰即文献2的要求，如果所选法兰满足标准法兰的要求，就直接选用标准的，既方便制造，又能保证法兰设计的合理性。
判断方法：主要看设计压力、设计温度、材料是否满足标准规定。查标准中的长颈对焊法兰的标准后发现其标准只适用于公称压力为0.6~6.4MPa，工作温度-70~450°C，腐蚀余量≤3mm，对比此设备设计参数后发现，压力、温度、腐蚀余量均超标，虽然材料符合标准，故无法选用标准法兰。
这里需要特别指出点是，一是，在工程应用上，查询法兰标准即文献2时，表7所对应的最大允许工作压力、工作温度均与设计参数中的设计压力、设计温度相对应。二是，设备法兰标准一般都选用锻件，如果选用板材的话，按照法兰标准的话，必须要满足文献2中6.2中关于材料的要求。
③ 法兰设计
（1）确定基础尺寸
首先是以相近规格的法兰尺寸为基础，输入计算软件中进行试算，再根据计算结果，分析各个应力后调整法兰尺寸，直至法兰设计计算通过且合理。根据设计参数决定初选设备法兰标准中的长颈对焊法兰中的直径规格DN1200压力等级PN6.3的标准设备法兰的尺寸作为法兰的基础尺寸，由于管程、壳程设计参数相差不大，故法兰取相同结构尺寸。
将基础数据输入程序计算后发现：螺栓间距不符合，法兰校核也不合格。
（2）应力敏感因素
在调整法兰结构尺寸前必须对法兰应力进行分析，有针对性的调整法兰结构尺寸，使法兰不仅强度、刚度计算合格且结构设计合理，合理也就是说使法兰材料的受力趋于满应力状态。
作用在法兰上的力矩主要由法兰环、锥颈和圆筒三部分共同承载的，其承载比例跟它们的旋转刚度成正比，即刚度大者则承载比例也相应较大。由于法兰力矩的作用，引起了在它们的连接边界上的边界力，而边界力又引起了法兰三个方向应力，其公式及校核条件分别为：
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（3）尺寸调整
a. 分析法兰计算结果后发现，不合格，则调整，分别计算壳程、管程调整系数得到系数分别为1.03和1.16，随后得出调整后的大端有效厚度48和54，则统一取54，需要指出的是，程序中的大端有效厚度是名义厚度-腐蚀余量厚的尺寸。则调整后的计算结果如下图：
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b．分析调整后的法兰计算结果后发现，调整螺栓间距依然不合格，接下来根据文献1中的表7-3进行调整螺栓圆直径，同时又尽量保证实际使用螺栓总面积比所需螺栓总面积一般留出25%左右的富余量。
分析计算结果后发现，为了螺栓面积的富余量，单一的增加螺栓个数，则导致了螺栓间距过小，满足不了L的弧度要求，不然会导致LA值及法兰环外径过大，会引起更大的法兰力矩，不可取。因此增大螺栓规格，将M48改成M56，增大螺栓规格后，一般相应减少螺栓个数，这样才可以控制螺栓圆直径，同时也抑制了法兰环的外径。
调整螺栓圆直径后又会对轴向力产生影响，之后再按上述步骤a继续调整锥颈尺寸，来回调整后确定螺栓圆直径为φ1485最合理，计算LA=70.5,L弧长=116.6满足螺栓间距的要求，由此得出法兰外径D=1600，输入数据后发现轴向力计算合格。
从上述计算结果来看，螺栓面积的余量也满足要求，且三向应力及综合应力计算合格。但是发现其中的径向应力的计算值比许用值相差有点多，从应力分析可知，法兰的设计的最合理的表现是，三向应力均能够处在满应力状态，因此应相应调整径向应力值，而从上述的公式可以得出的敏感因素是法兰的厚度。减少则可相应提高径向应力，最后将法兰厚度由176→160mm，法兰计算满足要求。
③ 法兰直边段
法兰一般为了焊接方便，会设置一段直边段，其值约为1.5倍对接筒体厚度，取75mm。
但是这个长度一般不参与强度计算。法兰最终设计尺寸如下图4所示。
图4
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由上述计算过程可见，虽然三向应力的敏感因素及根据应力调整的趋向是不变的，但是法兰的设计尺寸没有唯一的固定值，只要能满足强度及刚度要求，同时趋向法兰材料的满应力状态最佳。
④ 垫片设计
法兰设计除了要考虑法兰本身的几何尺寸的因素外，还要考虑设备法兰的垫片对法兰的影响，设备垫片的比压值y、垫片系数m、垫片宽度b均影响法兰的设计。
从文献3中可以得出，最小的预紧状态下的垫片压紧力 ，最小的操作状态下的垫片压紧力 。垫片设计时，应控制尽可能小的垫片载荷，主要控制垫片宽度b，工程上一般依据标准垫片取20~30mm进行计算，垫片内外径参考文献2中的垫片尺寸给定。
3法兰焊接
法兰与筒体的焊接，如果法兰小端厚度与连接筒体等厚，则直接对接焊接；如果不等厚，则需要视对接筒体厚度而定，一种对接筒体厚度≤10mm且与法兰直边厚度差超多3mm；另一种对接筒体厚度＞10mm且厚度差＞筒体厚度的30%且超过5mm，则长颈堆焊法兰则按照下图5a所示进行削薄，或者按图5b进行堆焊。
图5 a 图5b
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4 结束语
由上述分析可见，非标设备法兰的设计没有唯一值，与设计人员有关，法兰设计要点总结如下：
1）有腐蚀余量的法兰，在程序输入数据时，法兰内径要扣除两侧腐蚀裕量，如本法兰内径φ1200mm，腐蚀余量为6mm，则输入法兰内径时，则输入法兰内径φ1212mm，同样颈部大端及小端有效厚度时也都需要减去6mm的腐蚀余量后的数值。
2）调整法兰尺寸时，按照上述分析的各个应力的敏感因素相应调整，系数见上述③法兰设计中的第2）中值，经工程实践证明，应力调整效果很明显。
3）法兰设计不仅要满足强度和刚度应力校核，还要做到合理性，即使法兰各部分在保证刚度的同时，均能充分发挥其材料的强度性能，尽量遵循三向应力及综合应力的满应力准则。
参考文献：
1.GB/T150.1~ 150.4-2011《压力容器》
2.NB/T47020~47027-2012《压力容器设备法兰、垫片、紧固件》
3.《压力容器强度设计技术分析（四）—压力容器法兰设计的合理设计原理及方法》 桑如苞 中国石化集团公司北京工程公司
4.《压力容器设计工程师培训教程》 李世玉等 第12章《法兰连接》 桑如苞