過濾器設備法蘭的設計計算

王英麗，高兆寬

（1.西安航天華威化工生物工程有限公司，陜西 西安 710100；2.信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司，陜西 西安 710100）

1 總述

近幾年我公司為某公司配套設計過濾器設備多臺，由于過濾器內部有濾芯等部件，需經常更換，所以設置有設備法蘭。之前幾臺均按普通設備法蘭設計，每次拆卸須將緊固件全部拆除，比較麻煩，影響工作效率。經多方考慮，本次設備法蘭采用活節螺栓連接的結構。通常使用槽型螺栓孔連接，法蘭外直徑的數值按照活節螺栓槽型螺栓孔的槽底直徑輸入[1]，如下圖A-A(Ⅱ)Dy，Do為法蘭的實際外直徑。由于該設備壓力較低，考慮節約材料成本，參考回轉蓋快開人孔的螺栓連接型式，活節螺栓法蘭由活節螺栓、螺母、銷軸與支耳板組成（如下圖A-A(Ⅰ)）。以GB/T 150為設計標準，參考《化工設備元件強度計算》方法，法蘭外直徑的數值按照A-A(Ⅰ)法蘭外徑Do輸入，其余數值正常輸入，所得結果滿足法蘭強度要求。校核支耳板與法蘭焊縫強度滿足要求。

2 設備法蘭的計算[1]

以某工程過濾器為例。

設備設計參數如下：設計壓力Pc：0.6MPa；設計溫度t：80℃；筒體直徑DN2000，厚度δ0=8mm。設備主體材質：S31603；法蘭材質：16MnⅡ襯S31603；螺栓材質：S30408；墊片材質：PTFE（厚度3mm）。

法蘭參數見圖1。

圖1 法蘭參數

2.1 密封計算

密封計算是為了滿足法蘭預緊密封和操作密封的需要，并確保能承受介質壓力引起的軸向載荷。

2.1.1 墊片有效密封寬度b

本次設計墊片使用PTFE（厚度3mm），根據GB/T150.3-2011確定墊片接觸寬度N和基本密封寬度b0，再計算墊片有效密封寬度b。

墊片基本密封寬度b0=N/2=12mm＞6.4mm；

根據GB/T150.3-2011 7.5本設備法蘭屬于其他形式的法蘭，且b0＞6.4mm，所以墊片壓緊力作用中心圓直徑DG=墊片接觸外徑-2b=2053-2x8.76=2035.5mm。

2.1.3 墊片壓緊力

本次設計墊片使用PTFE（厚度3mm），m-墊片系數2；y-墊片比壓力14.7，預緊狀態下需要的最小墊片壓緊力：

操作狀態下需要的最小墊片壓緊力：

2.2 螺栓計算

dB：螺栓公稱直徑，M30；

dd：螺栓根徑，26.2，螺栓數量n=40個。

2.2.1 螺栓的布置

2.2.2 螺栓載荷計算

預緊狀態下需要的最小螺栓載荷Wa=Fa=822840.3N，操作狀態下需要的最小螺栓載荷，內壓引起的總軸向力：

最小螺栓載荷：

2.2.3 螺栓面積計算

預緊狀態下需要的最小螺栓面積：

操作狀態下需要的最小螺栓面積：

需要的螺栓面積：

實際的螺栓面積Ab：

A=3.14 n d20.25=3.14X40X(26.2)2×0.25=21565mm2＞b

d Am=17411mm2，合格。

2.2.4 力矩計算（按GB/T150 7.5.3.1）

[σ]f：室溫下法蘭材料需用應力，174MPa；

LG：螺栓中心至FG作用位置處的徑向距離；

LD：螺栓中心至FD作用位置處的徑向距離；

LT：螺栓中心至FT作用位置處的徑向距離。

預緊狀態下法蘭力矩：

操作狀態下法蘭力矩：

2.2.5 法蘭應力校核

由于該任意式法蘭的設計溫度t=80℃＜370℃，δ0=8mm＜ 15mm，Di/δ0=252＜ 300，Pc=0.6MPa＜ 2MPa， 按 照 GB/T150.3-2011第7.4.4條按活套法蘭計算，法蘭有效厚度δf按環向應力σT來確定：

實際取δf=160mm。

K=D0/Di=2160/2019=1.07，Y=28.575（查GB/T 150.3-2011）。

3 支耳及銷軸強度計算

3.1 計算支耳A-A截面抗拉強度

M30的活節螺栓40個均布，支耳材料使用S31603，共80個支耳。

許用抗拉強度[σ]=490MPa；

抗剪強度 [τ]=294MPa。

σ=WP/S=2085849.7/160×16×（80）=10.2MPa＜[σ]，滿足要求。

3.2 銷軸截面抗剪強度計算

直徑24的銷軸40個均布，材料使用S30408。

許用抗拉強度[σ]=490MPa；

抗剪切強度為 [τ]=294MPa。

t=WP/S=2085849.7/40×3.14×122=115MPa＜[τ]，滿足要求。

3.3 焊縫抗剪計算

側面角焊縫（作用于平行于焊縫方向）：

he：筋板焊角高度，12mmlw：筋板長度，160mm。

4 結論

我公司設計、制造的這臺過濾器投入使用兩年至今運行良好，鑒于本設備壓力較低，對于壓力較高的法蘭連接仍需要進行進一步探討。