公司名稱：南昌孟龍實業有限公司
聯系人：劉經理(13767010068)
固定電話：0791-86653069
文本傳真：0791-86653269
電子郵箱:menglonggj@126.com
公司地址:江西省南昌市灌嬰路金潤二期6棟32-33號
1、墊片材料、內徑及寬度
墊片設計是整個法蘭連接設計的基礎，墊片材料、內徑和寬度的選用都會對法蘭連接設計結果產生很大影響。該熱交換器管程設計壓力較高，為保證在工作過程中管箱墊片不被損壞并保持優良的密封性能，管箱法蘭應選墊片系數ｍ、比壓力ｙ較高的硬墊片。工程上高壓法蘭中常用的墊片為橢圓形或八角形金屬密封墊，但該管箱法蘭墊片的內徑及設計壓力均超出ＡＳＭＥＢ１６．２０—２０１２《Ｍｅｔａｌｌｉｃｇａｓｋｅｔｓｆｏｒｐｉｐｅｆｌａｎｇｅｓ：ｒｉｎｇ－ｊｏｉｎｔ，ｓｐｉｒａｌ－ｗｏｕｎｄ，ａｎｄｊａｃｋｅｔｅｄ》的范圍，橢圓形或八角形金屬密封墊尺寸設計困難，且金屬墊內徑較大，加工精度難以保證。另外，高－高壓及高－低壓螺紋鎖緊環高壓熱交換器中主設備密封墊片一般采用具有良好回彈性及耐蝕性的復合柔性石墨波齒金屬墊片，故考慮選用復合柔性石墨波齒金屬墊片做為該管箱法蘭墊片，其ｍ＝３．７５、ｙ＝５２．４ＭＰａ。
根據ＡＳＭＥＳｅｃ．ⅧＤｉｖ．１附錄２中螺栓載荷計算公式，操作狀態下所需最小螺栓載荷Ｗｍ１和預緊狀態下所需最小螺栓載荷Ｗｍ２分別為：
Ｗｍ１＝０．７８５Ｇ２ｐ＋（２ｂ×３．１４Ｇｍｐ）（１）
Ｗｍ２＝３．１４ｂＧｙ（２）
式（１）～式（２）中，Ｇ為墊片反力載荷作用位置處的直徑，ｂ為墊片有效密封寬度，ｍｍ；ｐ為設計內壓力，ＭＰａ。
由式（１）～式（２）可知，墊片材料一定，即墊片系數ｍ、比壓力ｙ數值一定時，墊片越寬，ｂ值越大，密封所需壓緊力越大，螺栓和法蘭的強度要求越高，法蘭結構變得笨重。因此，在保證密封要求的情況下，應盡可能選用寬度較小的墊片。根據ＡＳＭＥＳｅｃ．ⅧＤｉｖ．１附錄２中表２－４，當設備內徑ＤＮ處于９００ｍｍ＜ＤＮ＜１５００ｍｍ時，推薦的最小墊片接觸寬度為３２ｍｍ，故墊片的寬度設定為３２ｍｍ。墊片內徑的設定則參考ＡＳＭＥＢ１６．２０—２０１２以及ＮＢ／Ｔ４７０２５—２０１２中墊片內徑的選用規律，大直徑墊片內徑一般比法蘭內徑大５８ｍｍ，因此當管箱法蘭墊片的內徑Ｄ２設定為１３６０ｍｍ時，外徑Ｄ３即為１４２４ｍｍ。
2、螺栓規格及數量
在墊片的材質和尺寸確定之后，墊片在預緊和操作狀況下所需要的壓緊載荷便可求出，這種壓緊載荷是由螺栓提供的，由此便可相應求出預緊狀態下需要的最小螺栓面積Ａｍ２及操作狀態下需要的最小螺栓面積Ａｍ１：
Ａｍ２＝Ｗｍ２／Ｓａ（３）
Ａｍ１＝Ｗｍ１／Ｓｂ（４）
式（３）～式（４）中，Ｓａ為常溫下螺栓許用應力，Ｓｂ為設計溫度下螺栓許用應力，ＭＰａ。
選用的螺栓規格和數量應使螺栓實際總橫截面面積Ａｂ不小于Ａｍ（Ａｍ為Ａｍ１和Ａｍ２中的較大值）。選用的螺栓材料為ＳＡ－１９３ＧｒＢ７，其設計溫度下的許用應力Ｓｂ＝１５８．６ＭＰａ。經ＡＳＭＥ強度計算軟件ＰＶＥＩＬＴＥ校核計算，螺栓的規格為Ｍ８０時，所需螺栓數量Ｎ＝４４，由ＴＥＭＡ９ｔｈ第九章中的表Ｄ－５Ｍ可知，Ｍ８０螺栓要求的最小螺栓間距Ｂ＝１６６．６９ｍｍ，法蘭環邊緣至螺栓中心圓最小距離Ｅ＝７４．６１ｍｍ，故最小螺栓圓直徑Ｄｂ＝ＮＢ＝２３４０ｍｍ，最小法蘭盤直徑Ｄ０＝Ｄｂ＋２Ｅ＝２４９０ｍｍ。若選螺栓規格為Ｍ１００時，所需螺栓數量Ｎ＝２８，由ＴＥＭＡ９ｔｈ第九章中表Ｄ－５Ｍ可知，Ｍ１００螺栓要求的最小螺栓間距Ｂ＝２０８ｍｍ，法蘭環邊緣至螺栓中心圓最小距離Ｅ＝９３．６６ｍｍ，故最小螺栓圓直徑Ｄｂ＝１８６０ｍｍ，最小法蘭盤直徑Ｄ０＝２０６０ｍｍ。由這２種螺栓選型可知，設計高壓法蘭時，選用數量少、大直徑的螺栓可使設計的螺栓中心圓及法蘭環直徑變小，法蘭結構尺寸緊湊。
若選用設計溫度下具有較高許用應力材質的螺栓，如Ｃｒ－Ｍｏ－Ｖ鋼螺栓ＳＡ－５４０Ｂ２３ＣＬ１，其設計溫度下許用應力Ｓｂ＝２２７．５ＭＰａ。同理計算可得所需Ｍ８０螺栓數量Ｎ＝３２，最小螺栓圓直徑Ｄｂ＝１７１０ｍｍ，最小法蘭盤直徑Ｄ０＝１８６０ｍｍ。由此可知，選用強度高材質的螺栓也可使法蘭結構優化。但ＳＡ－５４０螺栓熱處理要求嚴格，且采購價格高。設計中綜合考慮法蘭及螺栓的經濟合理性，本管箱法蘭中最終選用了２８個規格為Ｍ１００的ＳＡ－１９３ＧｒＢ７螺栓，螺栓圓直徑Ｄｂ＝１８６０ｍｍ，法蘭盤直徑Ｄ０＝２０６０ｍｍ。
3、錐頸高度
墊片設計確定了法蘭力矩中力的大小，螺栓設計確定了螺栓中心圓直徑Ｄｂ，也就相應確定了法蘭力矩中力臂的大小。為了使法蘭所受的力矩盡可能小，設計中應將墊片壓緊力或螺栓中心圓直徑Ｄｂ控制得盡可能小。
在整個法蘭連接設計過程中，在保證墊片設計和螺栓設計所造成的法蘭力矩盡可能小的前提下，法蘭錐頸與法蘭環結構比例設計也很重要。在上述墊片設計及螺栓設計的基礎上，在保證法蘭頸部軸向應力、法蘭環徑向應力及切向應力盡量與相應許用應力接近的條件下，經ＰＶＥＬＩＴＥ計算，得到了法蘭環厚度δ隨錐頸高度ｈ變化曲線，見圖３。
由圖３可以看出，當錐頸高度ｈ＝１００ｍｍ時，所需法蘭環最小厚度δ＝３１３ｍｍ。隨著ｈ增大，在保證法蘭３項應力趨近于相應許用應力的條件下，δ逐漸降低；當ｈ增大到１５０ｍｍ時，δ的數值最小，為２５１ｍｍ；再增大ｈ，δ則開始增大；當ｈ增大到２３０ｍｍ時，δ＝２６０ｍｍ。由此可知，當ｈ＝１５０ｍｍ時，δ最小，為２５１ｍｍ，此時法蘭尺寸設計最為經濟合理。按此尺寸設計的法蘭環及法蘭錐頸總高度最小，可節約鍛件材料成本。同時法蘭各項應力值趨近于對應的許用應力值，使材料能夠充分地發揮各項強度性能，即趨近于滿應力狀態，遵循滿應力準則。此時法蘭環不僅承受環向載荷，而且也承受徑向載荷，材料得到了充分利用。
