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1、螺栓法兰垫片连接系统的可靠性分析 洛阳石油化工工程公司配管室 郝正泉付国防 本文主要包括两部分，第一部分通过计葬螺栓、法兰、垫片连接系统承受外载和内 压时的当t压力和垫片的变形圣，来分析一定压力等级的法兰和垫片承受的外载和内压 对泄漏的影响，第二部分通过计葬雌栓、法兰、垫片承受外载和内压时的应力，来分析 各邵件的强度对来统紧密性的影响，从而对来统的可亦性进行评定。 *si b :当f压力泄月变形f紧密性可靠性 符号说明 几压力引起的泄漏安全系数 : : : n -螺栓在预紧和操作时的应力安全系致 A一一 法兰外径，m m A s - 一 实际使用的螺栓的总截面积，mmf A a - 一 需要的
2、螺栓的总截面积，mm B 一一法兰内直径，。 h a - 一 垫片的有效密封宽度， m m C- 一 螺栓中心圆直径，mm C , 外力作用下垫片的回弹量，m m C-垫片的压缩量，mln C . 外力矩作用下垫片的回弹量，mm m介质压力作用下垫片的回弹量，mm c 、 垫片的当量回弹量， m m e 系数 I - 一 应力修正系数 G-垫片的有效直径，mm S o 法兰小端厚度， mm S一一法兰大端厚度，m m h 法兰锥颈高度，mm h , -H 。作用位置处至螺栓中心的径向距离，mm h , -氏 作用位置处至螺栓中心的径向距离，mm hH: 作用位置处至螺拴中心的径向距离，m m
3、L -系数 m-垫片系数 n 压力、力、弯矩引起的综合安全系数 n 二 压力安全系数 n ; 外力引起的泄漏安全系数 弯矩引起的泄漏安全系数 . 1 2 2 . n二 1、 n y 法兰在预紧和操作时的轴向应力安全系数 n 0 ., 法兰在预紧和操作时的平均应力安全系 R p -法兰在预紧和操作时的径向应力安全系数 n r 法兰在预紧和操作时的周向应力安全系数 nRnT. P 介质内压力，MN 玖 当量压力，MP a t - 一 法兰盘厚度，mm Y -垫片的密封比压，MP a 丫系 数 2 系 数 前言 螺栓、 法兰连接系统是一种广泛应用在石 油化工、电 力、医药、 核工业等行业的静密封 结
4、构形式。 其可靠性是指在不同工况下其密封 性能的可靠性，主要包括两个方面，一是在一 定的温度和压力下， 承受外载时螺栓、 法兰、 垫 片 三者之间的变形协 调能力，二是其各部件的 强度 特性。 以 前我们 对系统的密封或强度计算， 都是在系统承受螺栓预紧力、内压和温度下进 行的，没有考虑 法兰在使用过程中承受外力和 外力 矩的影响， C A E S A R I 法兰泄漏或应力 计 算程序考虑了螺栓法兰在外力矩、轴向力和系 楠 ，、 一 _ 笼 蛤 翻 菇 统压力作用下的 变形情况， 通过进行系统各部 件的变形计算和应力计算对系统进行泄漏预 测。在工程中得到了较好的应用。 2 法兰泄漏计算 法兰
5、泄漏计算是根据A N S I B 1 6 . 5 压力 温度等级而作的近似计算，泄漏量是法兰、垫 片和螺栓相对刚度的函数， 用 B 1 6 . 5 预测泄漏 可作出与法兰内许用应力成正比的泄漏趋势， 也就是说，一个有较高许用应力的法兰将能承 受较大的弯矩而不泄漏。用A N S I B 1 6 . 5 或 A P I 6 0 5 温度压力等级作为预测泄漏的计算参 数，是一种工业中选用法兰来保证密封的常用 方法， 但由 于最初这些等 级表的 制定是根据材 料的许用应力， 而没有考虑紧密性方面的要求， 所以本程序利用法兰等级进行的泄漏预测是法 兰材料许用应力的函数， 而不是 其柔 性 ( 法兰 弹
6、性 模 量 ) 的 函 数 泪 。 2 . 3法兰承受 内压 的能 力 法兰等级的高低， 标志着其承受内压和外 载能力的大小，本程序根据给定的法兰等级给 出了A N S I / A P I 下法兰的最小和最大当量许 用压力P n , 。 或P , 、 二 ， 许用当量压力受温度的 影响很大，温度越高，其值越小。然后根据法 兰所受的系统内 压和外 载， 确定当量 压力P , , 程序进行上述计算时，把系统所受的外力和力 矩 转化为 压力， 如果系统不受外载， 则P , 就是 系统内压力P ， 从而求出压力和外载对泄漏的 影响，以安全系数n ， 表示。 分别为C v , C m , C , ， 总
7、的回弹量则为 C , =C , + C m +C操作时垫片的压缩量则为C-C , ,程 序根据垫片 类型给出了当量回弹量C n , ， 因为 垫片的回弹量是有限的，如果回弹量过大，则 垫片上的压紧应力就会减小，从而导致法兰泄 漏。 操作时垫片的当量变形量为C ; -C ., ， 各载 荷泄漏安全系数为 压力引起的泄漏安全系数: C一 C “ P 一一 一 C , 外力产生引起的泄漏安全系数: ( 2 ) C -C - C ( 3 ) 弯矩引起的泄漏安全系数: C. -C “ 压 力 C ，力，弯矩引起的综合安全系数: ( 4 ) C一C, C 如果上述安全系数都大于 1 , 发生 ( 5 )
8、则泄漏不会 法兰强度计算 _ _ P - , 甜。 _ P , P w ”F 。 ( 1 ) 若n ， 大于1 ，表明系统所承受的当量压力 小于一定压力等级法兰所对应的许用压力值， 则系统是可靠的，不会发生泄漏 2 . 2 计算垫片的变形量 螺栓、法兰连接系统在给螺栓一定预紧载 荷后，垫片受到压缩，压缩量为C , ( 包括弹性 变形和永久变形) ， 当系统在操作情况下， 内压、 外力矩、 外力都会使法兰产生相互分离的趋势， 也就是说，垫片会产生一定的回弹，其回弹量 31 螺栓载荷的计算 ( 1 ) 操作工 况下的 螺栓载 荷计算 操作时所要求的螺栓载荷 W。应是足以克 服由最大许用工作压力在垫
9、片有效面积上产生 的流 体静力H ,以及保持垫片或 接触面有一 定 压缩量的载荷HP ， 过去使用经验表明， 此力对 保持一紧密性连接是足够的( H ， 表示为内压与 一乘子m之积， 其值是垫片材料与结构形式的 函数) , z o o 操作条件下螺栓载荷 Wm按公式 ( 6 ) 计算 W , =H+H, 二0 . 7 8 5 G P十 ( 2 b x3 . 1 4 G. P) ( 6 ) ( 2 )预紧工况下的螺栓载荷计算 法兰在得到 一 紧密性连接之前，必须通过 给螺栓一初始预紧力，使垫片或连接表面有一 定压紧应力 ( 在没有内压及室温条件下) ， 螺栓 预紧力是垫片材料和垫片有效密封面积的
10、函 数螺拴最小预紧力由下式确定。 W, ; 一3 . 1 4 b U y ( 7 ) 1 2 3 . 对于许多低压设计和密封表面及材料要求 较高预紧载荷的情况， 由公式( 7 ) 计算的螺栓 载荷对预紧垫片或连接表面是足够的， 这里由 公式( 6 ) 计算的操作条件的螺栓载荷来预紧密 封连接是不足的。 ( 3 )法兰设计中采用的螺栓载荷 在法兰设计中 使用的螺栓载荷由公式 ( 8 ) 或 ( 9 )确定， 对操作条件 下: W =W. , ( 8 ) 对垫片预紧情况下: ( A二 十A, ) S , W = 二 “. , 2、 9 ) 公 式 ( 9 ) 中S , 不 应超过螺拴许用应力。 公
11、 式 9 )对防止螺栓过载提供一限制范围。 32法兰 力头 巨 在 计算法兰应力时， 作用在法兰上载荷产 生的力矩是载荷和其作用力臂之积，力臂由产 生力矩的载荷与螺栓圆的相对位置确定。 _( 1 . 3 3 t e +l ) Mo 万R声 一一 分 ; 竺 万 于 千 - L I D 法兰环向应力为 ( 1 3 ) Z Y M t = ri ， 一Z S R ( 1 4 ) 上述公式没有考虑外力和外力矩对法兰力 矩的影响， C A E S A R I 把外力和外力矩 转化为 系统内 压、 形成一当量压力P、 而以P ， 代替P 来计算操作时法兰力矩。 C A E S A R I 程序根据上述公
12、式计算出了 法兰在预紧和操作时的轴向应力S, 径向应力 S R ， 周向应力S T I 最大平均应力S m =S . +S R / 2 , 螺栓预紧和操作时的应力 S - 然后按应力校核 条件与许用应力进行比较，得出相应的应力安 全系数 。 n 。 一 1 . 5 a 或 。 H 一 1 . 5 a a 日口 H ( 1 5 ) 工t认卜乙1tl =尸。5少-51夕-51 n - ， 一 a 或 。 二 。 口 m 或 n R 一 _oS R 一 _aS T 或 n T n ， 一 S R 或 ” 矿 - ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) 若所有的应力安全系数中
13、有一值小于1 . 则 表 明 法 兰 密 封 连接 失 效， 若 所 有 的 应 力 安 全 系数都大于 1 ，则表明法兰密封连接系统是可 靠的。 对操作条件下 法兰总力矩M 。 为: Mp =Mp +Mr +Mc =H n h a +H i h , - F H c h , ( 1 0 ) 对垫片预紧时， 法兰总力矩M。 根据公式 ( 9 )计算的螺栓载荷。 W( C - G M 一 一 2 一二 ( 1 1 ) 3 . 3 法兰应力计其 法兰应力计算是根据 AS ME第A章计算， 法兰内应力由操作工况和预紧工况条件确定， 对整体对焊法兰 法兰轮毅处轴向应力为 计算示例 言 二 1 3. 5
14、止6”之 8 ,= 3 9 12 。 价目囚“叫 c= 1 2 5 5 c, - 铆 o B= T4 1 6 A= 1 5 1 1 _f M 冻 = n gl u ( 1 2 ) 径向应力为 .1 2 4 . 图 2 下面我们以镇海3 0 0 x 1 0 7 / a催化反应油 气管线进分馏塔入 口法兰的密封可靠性用 C A E S A R I 程序 进行 计算分析: 催化反应油气 庚 管线温度较高， 管径较大， 油气易燃易爆。 此 管系多要求自 然补偿管系热位移， 且受工艺条 件和空间位置的限制，不能拐弯过多。故在分 馏塔入口法兰处会产生较大的外力和力矩，若 外载大到一定程度，必然会造成法兰泄
15、漏，这 样就可能引起事故和装置停运，造成一定的经 济损失。所以此处法兰密封的可靠性是催化反 应油气管线设计的重要内容之一。所用法兰尺 寸如图2 介质压力P = O . 2 6 MP a 介质温度t = 5 0 0 C法兰材料1 5 C r M o a 缠绕垫片 尺寸1 2 7 0 X 1 2 4 0 X 4 . 5 m m 螺栓数量4 0 个，M4 8 X 3 2 5 m m 螺栓材料 3 5 C r Mo A 法兰选用标 准为S H 3 4 0 6 -9 2 , P N 5 . O M P a 垫片尺寸标准为 S H J 4 0 7 -8 9 , P N5 . O MP a 法兰许用应力仁
16、司二1 5 0 MP a 设计温度下许用 应力 a 二9 1 MP a 螺栓许用应力 仁 。 = 。 ， 二1 1 3 M P a 当法兰不受外载时，泄漏安全系数和应力 强度安全系数计算结果见表 1 , 根据上述结果可知各安全系数值均大于 1 ， 说明法兰在此仅受内压时， 其连接系统的密 封性能是可靠的。 当法兰在工作过程中，由于热位移管线在 法兰产生的外载为F =5 X1 0 N , M=2 X 1 0 S N . m时，泄漏安全系数和应力强度安全系数计 算结果见表2 。 表 1 n fl p n n mn 斑 n 。一 n ,e n . n 。一 n n R 、 n 一 二n . 3 4 73 4 7 一 2 . 7 81 . 7 6 8 . 6 82 . 0 1 1 . 4 8 3 . 5 3
