法兰设计概要

概要

法兰设计方法有基于材料力学的简单方法——巴赫(Bach)法，基于弹性分析的铁木辛科(Timoshenko)法和华脱斯(Waters)法。法兰连接的失效主要表现为泄漏。因此法兰设计的失效判据显然应以防止“泄漏”为准则，即与系统的刚度和强度相关联。法兰设计中主要控制法兰中的三个方向最大应力及其综合的应力水平，而有关刚度的要求则由强度水平间接体现出来。因此，法兰设计中尽管未能充分揭示“法兰螺栓垫片系统”的全部内涵，但强度准则仍是当今认为较为成功可靠的一种传统的工程方法。

设计内容

法兰连接设计分为三部分。

(1)垫片设计

这是整个法兰连接设计的基础，应根据设计条件和使用介质，选用适当的垫片种类、材质，并确定垫片的内、外径尺寸。以此计算出在预紧和操作两种状态下的压紧力。

(2)螺栓设计

在选用适当螺栓材料的基础上，根据垫片所需的压紧力，分别计算出螺栓的横截面积，并以大者作为计算面积。实际配置的螺栓根径横截面积应不小于该面积。

螺栓设计的关键是在结构允许的条件下，尽可能把螺栓中心圆直径确定得小些，以设计出较合理的、较经济的法兰。具体做法是通过试选合适的螺栓规格和数量来进行。

(3)法兰设计

对整体法兰须通过试算进行。即在预先设定法兰锥颈和法兰厚度的基础上，计算法兰力矩及各项法兰应力。当应力与相应的许用应力相差很大，在不改变垫片时，均须调整法兰锥颈和法兰环的尺寸，然后重复计算，直至多项应力小于相应的许用应力而且接近时，才能认为是合适的结果。

强度计算

法兰的强度计算方法包括两个基本问题。

(1)密封设计

即按照工作条件，选取法兰类型、压紧面形状和垫片形式，确定在安装工况和操作工况下，螺栓必需的载荷和尺寸，以达到设计的密封要求。

(2)强度计算

即初定法兰的结构尺寸，根据上述计算得到的螺栓载荷，对法兰进行最危险工况的受力分析和应力校核，以确定法兰的厚度。法兰的强度计算通常按照校核程序进行。显然，当初定的法兰结构尺寸不满足应力校核条件时，则应重新调整尺寸，直至满意为止。

设计程序

法兰的设计计算实际上都是按校核程序进行的，其顺序为；

①预先确定法兰的类型与结构尺寸；

②决定螺栓载荷并计算法兰力矩；

③计算法兰应力；

④使上述应力满足各项强度条件；

⑤若不能满足，则须调整法兰尺寸或垫片，直至满意。

故法兰设计是一个试差过程。

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