非标WN法兰合理设计实操方法
《压力容器设计工程师培训教材》12.8节基于法兰强度计算的原理给出了法兰连接合理设计的三个关键，如下图1所示，12.7.3节基于法兰刚度计算的原理说明“当J1时，应增加法兰厚度δf或锥颈小端厚度δ0，直至J≤1。”下面给出一种在法兰中运用这几个关建点的方法：
图1
标准设备法兰的使用一文中已经给出了基于标准设备法兰设计非标设备法兰的方法，本文不再赘述。
非标法兰设计前先要确定几个设计参数：
设计载荷，如设计压力、设计温度、法兰的外载荷（轴向力或弯矩）;
垫片系数m、垫片比压力y，设计条件图一般会规定垫片材料，按垫片材料查标准即可确定m和y。SW6包含了常用垫片的参数，设计时选对应材料即可;
螺柱许用应力，SW6包含了常用螺柱材料的许用应力，设计时选对应材料即可;
与法兰焊接的筒体内径Di及厚度δ0，δ0由筒体计算得到。
初定法兰尺寸
法兰计算过程复杂，而且计算过程中有系数是查图表而得，非标法兰的合理尺寸不能通过一步到位的计算得到，需要试算、调整直至达到设计目标。非标法兰多为环形锻件机械加工而来，法兰内径取决于与之焊接的筒体厚度内径Di及厚度δ0，法兰总高H越小、法兰外径D越小，采购成本越低，即为合理的设计；另外，法兰环厚度δf与锥颈高度h相差不宜过大，一般δf/h在0.6~1.5，接近1.0更好。
图2
不带颈的非标法兰相对简单，下面以带颈对焊非标设备法兰为例详细说明，锥颈小端可以没有直边段，如图2所示。试算时设备法兰初定尺寸可以按下述方法：
序号符合名称初定公式备注a锥颈小端厚度δ0δ0锥颈小端厚度取对接筒体厚度b锥颈大端厚度δ1δ1=2*δ0DN≤mm时可以增大到3*δ0c锥颈高度hh=3*（δ1-δ0）根据计算结果调整，调整时兼顾δf/h在0.6~1.5d螺栓数量n和直径dB保证尽可能少的螺栓截面积，尽可能小的螺栓中心圆直径e螺栓圆直径D1、法兰外径DD1=Di+2*δ1+2*LAD=D1+2*LeD1和D可以适当的向上圆整，一般圆整成5或0结尾的整数。随dB的变化而变化f凹面法兰密封面直径D3，D2D3=D1-6*2-dB-3D2=D3-10D3、D2可以适当向下圆整随dB的变化而变化f凸面法兰密封面直径D4D4=D3-3随dB的变化而变化fRF面法兰密封面的直径D5D5=D1-dB-2*w+3缠绕垫最小宽度w需要与垫片厂家确认,没有外环的垫片，可取w=10随dB的变化而变化g凹凸面密封的法兰垫片外径dgodgo=D3-1随dB的变化而变化gRF面密封的法兰垫片外径dgodgo=D1-dB-2*w缠绕垫最小宽度w需要与垫片厂家确认，没有外环的垫片，可取w=10
随dB的变化而变化
h垫片内径dgidgi=dgo-2*wg垫片宽度wg可以参照相近压力级相近直径的标准垫片随dB的变化而变化锥颈小端厚度取对接筒体厚度δ0
锥颈大端厚度δ1取2*δ0，公称直径小于mm的设备法兰可以增大到3*δ0，计算后根据计算结果调整
计算了NB/T法兰颈部端厚度δ2（相当于图2中的δ1）与对接筒体最小厚度δ0的比值如下表所示，DN≤mm的设备法兰δ2:δ0的比值多数在2.5~3.7之间，其余设备法兰δ2:δ0的比值多数在1.8~2.2之间。
PNDNδ2最小筒体厚度δ0δ2:δ00.6DN.2:10.6DN.2:10.6DN.2:10.6DN.2:10.6DN.2:10.6DN126141.9:10.6DN.9:10.6DN.9:10.6DN.8:10.6DN.8:10.6DN.7:10.6DN.7:10.6DN.6:10.6DN.6:11DN.5:11DN.5:11DN.5:11DN.7:11DN.7:11DN.7:11DN.7:11DN.8:11DN.8:11DN2282.8:11DN.2:11DN.2:11DN.2:11DN.2:11DN.2:11DN.2:11DN.2:11DN.2:11DN.2:11DN126141.9:11DN:11DN:11DN:11DN:11DN.9:11DN.9:11DN.8:11DN.8:11.6DN.7:11.6DN.7:11.6DN.7:11.6DN.8:11.6DN.8:11.6DN.8:11.6DN.2:11.6DN.2:11.6DN.6:11.6DN26122.2:11.6DN.2:11.6DN.2:11.6DN.9:11.6DN.9:11.6DN.9:11.6DN.9:11.6DN:11.6DN:11.6DN.8:11.6DN132181.8:11.6DN.8:11.6DN.8:11.6DN.7:11.6DN.7:11.6DN.7:11.6DN.7:11.6DN.7:11.6DN.7:12.5DN.7:12.5DN.7:12.5DN.8:12.5DN.8:12.5DN.6:12.5DN.6:12.5DN.6:12.5DN.6:12.5DN.6:12.5DN26122.2:12.5DN.7:12.5DN.3:12.5DN.3:12.5DN.3:12.5DN:12.5DN:12.5DN:12.5DN.8:12.5DN.1:12.5DN142221.9:12.5DN.8:12.5DN.8:12.5DN.8:12.5DN.8:12.5DN.8:12.5DN.8:12.5DN.8:12.5DN.8:14DN.3:14DN.3:14DN.2:14DN.2:14DN.2:14DN.2:14DN.2:14DN.3:14DN.3:14DN32162:14DN.3:14DN:14DN.1:14DN.9:14DN.9:14DN.9:14DN.9:14DN.9:14DN.8:14DN148261.8:14DN.8:14DN.8:16.4DN.3:16.4DN.3:16.4DN.2:16.4DN.7:16.4DN.7:16.4DN.7:16.4DN.6:16.4DN.3:16.4DN.3:16.4DN42182.3:16.4DN.2:16.4DN.1:16.4DN:16.4DN.9:1锥颈高度h,初定3*（δ1-δ0），根据计算结果调整；
计算了部分NB/T法兰锥颈斜度，得到的结果分布范围较大，1:2.5~1:5,GB/T.3中图7-1d)不带直边段的带颈对焊法兰需要满足斜度不大于1:3，且h≥1.5*δ0。后续调整时兼顾δf/h在0.6~1.5。
PNDNδ2δ1h锥颈斜度1DN:2.51DN:2.51DN:2.51DN:2.51DN:2.51DN:2.51DN:2.51DN:2.51DN:2.51DN2212251:2.51DN:2.51DN:2.51DN:3.51DN:3.51DN:3.51DN:41DN02616401:41DN:41DN:51DN12618401:51DN:3.31DN:3.31DN:4.21DN:4.21DN:4.21DN:4.21DN:4.21DN:4.2螺栓数量n和直径dB参照压力级按低一级的标准设备法兰或管法兰，根据计算结果调整；
计算结果如果没有提示螺栓截面积不足，减少螺栓直径重新计算，直到计算结果提示螺栓截面积不足；
计算结果提示螺栓截面积不足后，增加螺栓数量重新计算，直到不再提示螺栓截面积不足；
螺栓数量增加到提示“螺栓间距小于螺栓最小允许间距”时，应增大螺栓直径计算结果重新计算；
计算结果如果没有提示螺栓截面积不足，则减少螺栓数量重新计算，直到提示螺栓截面积不足，再增加到刚好能计算通过的螺栓数量即可；
计算结果如果提示螺栓截面积不足，回到ii继续调整。
上述调整过程结合下面e中确定的螺栓中心圆直径，能保证尽可能少的螺栓截面积，尽可能小的螺栓中心圆直径，从而获得尽可能小的法兰力矩。
螺栓圆直径D1、法兰外径D
按国标设计的非标法兰，LA和Le最小值应符合GB/T.3中表7-3的规定，如图3所示。D1=Di+2*δ1+2*LA，D=D1+2*Le。D1和D可以适当的向上圆整，一般圆整成5或0结尾的整数。
图3
按ASME标准设计的非标法兰，RA和E最小值应符合TEMA中SECTION9TABLED-5(见图4)或TABLED-5M(见图5)的规定。D1=Di+2*δ1+2*RA，D=D1+2*E。D1和D可以适当的向上圆整，一般圆整成5或0结尾的整数。
图4
图5
密封面外径，满足结构制造需要的前提下，垫片宽度不变时，密封面外径越大螺栓肩越小，法兰力矩也随之越小。
螺栓公称直径为dB，图2所示的凹面法兰，D3=D1-6*2-dB-3，D2=D3-10，D3、D2可以适当向下圆整。
与凹面法兰配对的凸面法兰，如图6所示，D4=D3-3；
图6
RF面法兰密封面的直径D5取消决于垫片的制造，RF面法兰缠绕垫需要带外环（对中环），外环（对中环）宽度w一般不小于10mm，大直径的缠绕垫外环（对中环）最小宽度w需要与垫片厂家确认。波齿垫、非金属垫片没有外环，可取w=10.D5=D1-dB-2*w+3
垫片外径dgo、凹凸面密封的法兰dgo=D3-1,垫片外径比凹面内径小1mm;RF面密封的法兰dgo=D1-dB-2*w,垫片外径比RF面外径小3mm.
垫片内径dgi
垫片外径dgo确定后，由垫片宽度wg可得垫片内径dgo。垫片宽度wg可以参照相近压力级相近直径的标准垫片，计算了NB/T缠绕垫的垫片宽度wg，公称直径大于mm的法兰垫片宽度均为25mm，公称直径小于mm的法兰垫片宽度16-25mm，规律是相同压力级的法兰垫片直径大的垫片宽度大，规律是相同直径的法兰垫片压力级高的垫片宽度大。dgi=dgo-2*wg
法兰厚度δf可以不输入，由软件计算得出厚度，再根据计算结果调整,调整时兼顾δf/h在0.6~1.5
法兰尺寸的调整
《压力容器设计工程师培训教材》12.10节结出了法兰尺寸的调整方法，如图7所示。
图7
f→1并不表示f约为1，计算了部分NB/T法兰f值，且计算了锥颈延长到对接筒体厚度δ0的f值，如下表所示，下表中δ2相当于图2、图6中的δ1。PN1.0标准设备法兰f值约为1.2~2.1，延长到对接筒体厚度后f值在1.4~3.0的范围内。
非标法兰设计时f在1.6左右比较好，如f超过3.0建议调整，此时可以增加锥颈高度h兼顾δf/h在0.6~1.5、减少颈部大端厚度δ1，也可以增加颈部小端厚度δ0同时加厚对接筒体厚度。
SW6计算时法兰环厚度δt可以不输入，PVElite计算时按软件提示输入法兰环厚度δt，略大于软件计算的厚度即可，兼顾δf/h在0.6~1.5。
当J1时，应增加法兰厚度δf或锥颈小端厚度δ0，直至J≤1。
PNDNδ2
δ1δ0hhy以δ2和δ1和h计算f以δ2和δ0和hy计算f1DN1..DN1..DN1..DN1..DN1..DN1..DN1..DN1..DN1..DN221282..DN02..DN22121025..DN..DN..DN..DN..DN026161240..DN..DN..DN126181440..DN53...DN53...DN66...DN66...DN66...DN66...DN66...DN66...压力容器有感而发
