核3級壓縮空氣儲罐人孔法蘭計算

巢孟科

（上海核工程研究設(shè)計院)

壓力容器

核3級壓縮空氣儲罐人孔法蘭計算

巢孟科*

（上海核工程研究設(shè)計院)

根據(jù)ASME規(guī)范，利用Excel和VBA的功能，對典型的核3級壓縮空氣儲罐人孔法蘭進行編程計算。通過公式法求得所需的法蘭系數(shù)，使得法蘭計算更為準(zhǔn)確。

壓縮空氣儲罐 人孔法蘭 墊片 螺栓載荷 模塊 力矩 ASME規(guī)范

眾所周知，法蘭在整個設(shè)備中起著非常重要的作用，在承壓容器中尤為突出。一旦法蘭的強度和剛度得不到滿足而產(chǎn)生失效，所導(dǎo)致的后果不堪設(shè)想。法蘭計算一直是容器設(shè)備設(shè)計計算中相對繁瑣的工作，需要解決預(yù)緊力計算、密封分析、應(yīng)力校核三個主要問題[1]。在一次計算通不過的前提下，需要對結(jié)構(gòu)尺寸、校核應(yīng)力等進行重新調(diào)整，直至計算通過。對于優(yōu)化設(shè)計同樣如此。為了簡化計算，本文介紹了典型的核3級壓縮空氣儲罐中人孔法蘭的計算方法。利用Excel及VBA[2]的功能，編制法蘭計算程序，將法蘭計算所需的參數(shù)、計算公式以及最終結(jié)果進行關(guān)聯(lián)，可大大降低計算的復(fù)雜度。

1 計算準(zhǔn)備

壓縮空氣儲罐主要用于儲存壓縮空氣分配系統(tǒng)中的儀表用壓縮空氣，其外形見圖1。人孔部件包括法蘭、墊片、法蘭蓋、螺柱和螺母，見圖2。

參照ASME-Ⅲ-1-強制性附錄Ⅺ[3]有關(guān)法蘭計算的內(nèi)容，編制核3級壓縮空氣儲罐人孔法蘭的計算過程，并形成計算程序。這一方法的特點在于只需輸入一些關(guān)鍵參數(shù)即可得到最終結(jié)果，從而大大減少了計算時間，提高了工作效率。以下列出法蘭計算所需的一些關(guān)鍵參數(shù)。由于法蘭類型為整體法蘭，故尺寸定位如圖3所示。

圖3所示的結(jié)構(gòu)參數(shù)是法蘭計算所需的關(guān)鍵參數(shù)，各參數(shù)的含意如下所述：

P——設(shè)計壓力，MPa；

A——法蘭外徑，mm；

B——法蘭內(nèi)徑，mm；

C——螺栓圓直徑，mm；

n——螺栓數(shù)量；

g0——法蘭頸小端厚度，mm；

g1——法蘭頸大端厚度，mm；

圖1 壓縮空氣儲罐

圖2 人孔法蘭布置

圖3 法蘭結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

t——法蘭厚度，mm；

h——法蘭頸長度，mm；

h0——系數(shù)，；

K——法蘭外徑與法蘭內(nèi)徑的比值，K=A/B。

2 計算步驟

2.1 模塊1——墊片計算模塊

利用Taylor-Waters法[4]，基于墊片系數(shù)m和最小設(shè)計壓緊應(yīng)力y的兩個墊片系數(shù)，以強度為主要準(zhǔn)則，進行應(yīng)力校核計算。m和y值根據(jù)墊片尺寸和材料，由ASME-Ⅲ-1-強制性附錄Ⅺ中表Ⅺ-3221.1-1中查得。根據(jù)ASME-Ⅲ-1-強制性附錄Ⅺ中表Ⅺ-3221.1-2的圖示，結(jié)合設(shè)備密封結(jié)構(gòu)和墊片尺寸可以得出墊片可能接觸的寬度N和法蘭面與壓緊墊片間的接觸寬度w。模塊1主要是用于計算墊片壓緊有效寬度b（mm）以及墊片載荷反作用力處的直徑G（mm）的模塊。計算所需的參數(shù)墊片高度T、墊片接觸面內(nèi)徑D墊內(nèi)、墊片接觸面外徑D墊外的尺寸定位如圖4所示，其計算流程見圖5。其中，b0為墊片基本密封寬度。

圖4 墊片高度和接觸面內(nèi)、外徑示意圖

圖5 墊片計算流程

2.2 模塊2——螺栓載荷計算模塊

根據(jù)模塊1的計算結(jié)果，運行模塊2，得到設(shè)計工況下的法蘭設(shè)計螺栓載荷及墊片壓緊工況下的法蘭設(shè)計螺栓載荷，其計算流程見圖6。其中，螺栓的螺紋根部直徑db根據(jù)螺紋公稱直徑，查《機械設(shè)計手冊》第二卷[5]1.3節(jié)普通螺紋的表5-1-3，取螺紋小徑值。

螺栓載荷計算所需的關(guān)鍵參數(shù)如下所述：

ST1——常溫下螺栓材料最小抗拉強度，MPa；

SY1——常溫下螺栓材料最小屈服強度，MPa；

ST1t——設(shè)計溫度下螺栓材料的最小抗拉強度，MPa；

圖6 螺栓載荷計算流程

Wm1——設(shè)計工況下的螺栓載荷，MPa；

Wm2——墊片壓緊工況下的螺栓載荷，MPa；

Sa——常溫下螺栓許用應(yīng)力，MPa；

Sb——設(shè)計溫度下螺栓許用應(yīng)力，MPa；

Ab——螺栓螺紋根部實際總橫截面積，mm2；

Am1——設(shè)計工況下所需的螺栓根部或承受應(yīng)力的最小直徑截面的總橫截面積，mm2；

Am2——墊片壓緊情況下所需的螺栓螺紋根部或承受應(yīng)力的最小直徑截面的總橫截面積，mm2；

Am——螺栓所需的總橫截面積，mm2；

W1——設(shè)計工況下的法蘭設(shè)計螺栓載荷，N；

W2——墊片壓緊工況下的法蘭設(shè)計螺栓載荷，N。

2.3 模塊3——法蘭力臂計算模塊

模塊3是用于法蘭力臂計算的模塊，其計算流程如圖7所示。法蘭力臂計算所需的關(guān)鍵參數(shù)如下所述：

R——螺栓圓至法蘭背面與頸部交點的徑向距離，mm；

hD——螺栓圓至HD作用圓之間的徑向距離，mm；

hG——墊片載荷反作用力處至螺栓圓之間的徑向距離，mm；

hT——螺栓圓至HT作用圓之間的徑向距離，mm。

圖7 法蘭力臂計算流程

2.4 模塊4——法蘭力矩計算模塊

模塊4是用于法蘭力矩計算的模塊，分別計算設(shè)計工況下的法蘭力矩M01及墊片壓緊工況下的法蘭力矩M02，其計算流程如圖8所示。各參數(shù)如下：

圖8 法蘭力矩計算流程

H——流體靜壓端部力，N；

1、操作電源的原因。當(dāng)操作機構(gòu)對回路進行控制，受到熔絲熔斷無直流電源的影響，操作機構(gòu)無法實現(xiàn)分閘，還會受到直流電源與電壓的影響，會低于分閘線圈使用范圍，導(dǎo)致分閘時有動作，卻根本不能順利實現(xiàn)分閘。

HD——作用在法蘭內(nèi)徑面積上的流體靜壓端部力，N；

HG——設(shè)計工況下墊片載荷（法蘭設(shè)計螺栓載荷和總的流體靜壓端部力之差），N；

HT——總的流體靜壓端部力和作用在法蘭內(nèi)徑面積上的流體靜壓端部力之差，N；

MD——由HD產(chǎn)生的力矩分量，N·mm；

MG——由HG產(chǎn)生的力矩分量，N·mm；

MT——由HT產(chǎn)生的力矩分量，N·mm。

2.5 模塊5——法蘭系數(shù)模塊

對于法蘭系數(shù)值的計算，ASME提供了兩種方法：圖表和公式。為了方便，我們過去習(xí)慣于查圖表得到數(shù)據(jù)，但這樣存在人為因素造成的偏差。國外通常都采用規(guī)范中提供的公式進行計算，這樣不僅計算值準(zhǔn)確，也提高了編制、校核、審核工作的效率。為此，對繁瑣的公式進行函數(shù)關(guān)聯(lián)，就能達到其重復(fù)利用的效果。

根據(jù)ASME-Ⅲ-1-強制性附錄Ⅺ中表Ⅺ-3240-1法蘭系數(shù)的公式，利用編程進行計算，輸入值后即可得到法蘭系數(shù)F和V以及頸部應(yīng)力修正系數(shù)f，其他系數(shù)的計算也是如此。

2.6 模塊6——設(shè)計工況應(yīng)力校核模塊

模塊6是用于設(shè)計工況應(yīng)力校核的模塊，詳見圖9所示。設(shè)計工況應(yīng)力校核所需的關(guān)鍵參數(shù)如下所述：

圖9 設(shè)計工況應(yīng)力校核流程

ST2——常溫下法蘭材料最小抗拉強度，MPa；

SY2——常溫下法蘭材料最小屈服強度，MPa；

ST2t——設(shè)計溫度下法蘭材料的最小抗拉強度, MPa;

SY2t——設(shè)計溫度下法蘭材料的最小屈服強度, MPa;

ST3——常溫下相鄰材料的最小抗拉強度,MPa；

SY3——常溫下相鄰材料最小屈服強度，MPa；

ST3t——設(shè)計溫度下相鄰材料的最小抗拉強度，MPa；

SY3t——設(shè)計溫度下相鄰材料的最小屈服強度，MPa;

M0——法蘭力矩，取設(shè)計工況下法蘭力矩M01，N·mm；

SH1——法蘭頸部軸向應(yīng)力，MPa；

SR1——法蘭徑向應(yīng)力，MPa；

ST1——法蘭切向應(yīng)力，MPa；

Sf1——設(shè)計溫度下法蘭材料的許用應(yīng)力，MPa；

Sn1——設(shè)計溫度下相鄰材料的許用應(yīng)力，MPa。

2.7 模塊7——墊片壓緊工況應(yīng)力校核模塊

模塊7是用于墊片壓緊工況應(yīng)力校核的模塊，詳見圖10所示。

圖10 墊片壓緊工況應(yīng)力校核流程

將上述法蘭各部分計算在程序中進行合并，得出簡單的“輸入關(guān)鍵參數(shù)—最終輸出結(jié)果”的對應(yīng)關(guān)系，如圖11所示。

圖11 法蘭計算流程簡化圖

在模塊7的計算中，墊片壓緊工況應(yīng)力校核所需的關(guān)鍵參數(shù)如下所述：

ST2——常溫下法蘭材料的最小抗拉強度，MPa；

SY2——常溫下法蘭材料的最小屈服強度，MPa；

ST3——常溫下相鄰材料最小抗拉強度，MPa；

SY3——常溫下相鄰材料最小屈服強度，MPa；

M0'——法蘭力矩，取墊片壓緊工況下的法蘭力矩M02，N·mm；

SH1——法蘭頸部軸向應(yīng)力，MPa;

SR1——法蘭徑向應(yīng)力，MPa;

ST1——法蘭切向應(yīng)力，MPa;

Sf1——設(shè)計溫度下法蘭材料許用應(yīng)力，MPa;

Sn1——設(shè)計溫度下相鄰材料許用應(yīng)力，MPa。

3 總結(jié)

本文根據(jù)ASME規(guī)范，利用Excel和VBA的功能，對典型的核3級壓縮空氣儲罐人孔法蘭進行編程計算。通過編程對各步驟所需計算的參數(shù)進行函數(shù)關(guān)聯(lián)，在確保輸入準(zhǔn)確無誤的前提下，只需人工輸入關(guān)鍵參數(shù)就可得到最終結(jié)果。這樣的計算方式達到了簡化計算、提高工作效率的目的。尤其在法蘭系數(shù)的計算中，采用公式法代替圖表法更提高了計算值的準(zhǔn)確度和計算的自動化程度。

[1]蔡暖姝.法蘭計算方法和墊片性能參數(shù)[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2014，35(2):57.

[2]劉增杰,王英英.Excel 2010 VBA入門與實戰(zhàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[3]The American Society of Mechanical Engineers.Boiler& Pressure Vessel Code[S].2007.

[4]應(yīng)道宴,蔡暖姝,蔡仁良.螺栓法蘭接頭安全密封技術(shù)（三）——法蘭的設(shè)計選用及其承載能力評估[J].化工設(shè)備與管道,2012，49(6)：1－10.

[5]成大先.機械設(shè)計手冊[M].第5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

國內(nèi)首臺大直徑聚乙烯離心機研制成功

中國石油天然氣集團公司2016年6月29日宣布，由東北煉化工程公司吉林機械分公司研發(fā)的國內(nèi)首臺大直徑聚乙烯離心機設(shè)備通過中國石油科技部驗收，各項指標(biāo)達到國際先進水平。

這種型號為LWF-1000的聚乙烯離心機，轉(zhuǎn)鼓直徑為1000 mm，長度與直徑比為2.5，是目前國內(nèi)首臺大直徑、大長徑比聚乙烯離心機。吉林機械分公司在研制中，全面進行技術(shù)優(yōu)化，成功地制造出LWF-1000聚乙烯離心機，并擁有5項創(chuàng)新、4項專利。

LWF-1000聚乙烯離心機首次修正了傳統(tǒng)的離心機離心分離沉降模型，提出了“上浮臨界粒度”模型；首次應(yīng)用上浮臨界理論，利用專業(yè)軟件進行離心機流場分析；樣機設(shè)計在整體布局上全面優(yōu)化；在離心機設(shè)計基礎(chǔ)上，在國內(nèi)首創(chuàng)橇裝離心機測試平臺，可適用多物料種類分離性能測試；首次將自動化控制系統(tǒng)和實時監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用于離心機上。(錢伯章)

Calculating of Manhole Flange of Class 3 Compressed Air Tank

Chao Mengke

According to the ASME code,the procedure calculation of the manhole flange of the typical class 3 compressed air tank is carried out by applying the Excel and VBA.The flange calculation is more accurate when the flange coefficient is obtained from the formula manipulation.

Compressed air tank;Manhole flange;Gasket;Bolt load;Module;Moment;ASME code

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.08.010

2015-11-17)

*巢孟科，男，1986年生，碩士研究生，工程師。上海市，200233。