Hefei University
《化工机械与设备》过程考核之二
——常用零部件设计
题 目：系 别：班 级：姓 名：学 号：队 别：队 员：教 师：日 期：
1Mpa 旋风分离器的法兰设计与选型
化学材料与工程系 09化工（1）
0903021013 Team 7
李岩（队长）、刘少成、汤成、吕由、贺朋成
胡 科 研 2011-12-20
目录
1、概述 ............................................................................................................................................ 2 2、法兰的工艺设计 ........................................................................................................................ 3
2.1压力容器法兰的分类........................................................................................................ 3 2.2 法兰的标准....................................................................................................................... 4 2.3 法兰的选用....................................................................................................................... 4 5
3.1 螺栓的选择....................................................................................................................... 6 3.2垫片的选择........................................................................................................................ 7 3.3法兰的应力校核................................................................................................................ 8 4、总结 ........................................................................................................................................... 9 参考文献 .......................................................................................................................................... 9 附图 ................................................................................................................................................ 10
1、概述
法兰就是使管子与管子相互连接的零件，连接章丘法兰于管端。法兰上有孔眼，螺栓使两法兰紧连。法兰间用衬垫密封。法兰管件(flanged pipe fittings) 指带有法兰(突缘或接盘) 的管件。它可由浇铸而成，也可由螺纹连接或焊接构成。
法兰是一种盘状零件，在管道工程中最为常见，法兰都是成对使用的。 在管道工程中， 法兰主要用于管道的连接。在需要连接的管道，各种安装一片法兰盘，低压管道可以使 用丝接法兰，4公斤以上压力的使用焊接法兰。两片法兰盘之间加上密封点，然后用螺栓 紧固。不同压力的法兰有不同的厚度和使用不同的螺栓。
法兰连接是管道施工的重要连接方式。法兰连接(flange，joint) 由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺母组成。垫片放在两法兰密封面之间，拧紧螺母后，垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使连接严密不漏。法兰连接是一种可拆连接。按所连接的部件可分为容器法兰及管法；按结构型式分，有整体法兰、活套法兰和螺纹法兰。常见的整体法兰有平焊法兰及对焊法兰。平焊法兰的刚性较差，适用于压力p≤4MPa的场合；对焊法兰又称高颈法兰，刚性较大，适用于压力温度较高的场合。法兰密封面的型式有三种：平面型密封面，适用于压力不高、介质无毒的场合；凹凸密封面，适用于压力稍高的场合；榫槽密封面，适用于易燃、易爆、有毒介质及压力较高的场合。
法兰分螺纹法兰和焊接法兰。低压小直径有丝接法兰，高压和低压大直径都是使用焊接法兰，不同压力的法兰盘的厚度和连接螺栓直径和数量是不同的。 根据压力的不同等级，法兰垫也有不同材料，从低压石棉垫、高压石棉垫到金属垫都有 。 法兰连接使用方便，能够承受较大的压力。 在工业管道中，法兰连接的使用十分广泛。在家庭内，管道直径小，而且是低压，看不见法兰连接。如果在一个锅炉房或者生产现场，到处都是法兰连接的管道和器材。
2、法兰的工艺设计
按照设计条件(操作温度、操作压力) 以及计算选取的公称直径选取法兰类型。
2.1 压力容器法兰的分类
压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰两类： ①、平焊法兰
法兰盘焊接在设备筒体或管道上，结构简单、制造容易、应用广泛，但法兰整体程度比较差，刚性也较差。所以，适用于压力不太高的场合(公称压力PN
平焊法兰
②、对焊法兰
这种法兰的法兰环、锥颈和壳体有效地连成一个整体，壳体与法兰能同时受力，法兰的强度和刚度较高。此外，法兰与筒体(或管壁) 的连接是对接焊缝，比平焊法兰的角焊缝强度好，故对焊法兰适用于压力、温度较高及有毒、易燃易爆的重要场合。
对焊法兰
平焊和对焊是法兰和管道连接时的焊接方式，平焊法兰焊接时只需单面焊接不需要焊接管道和法兰连接的内口，对焊法兰的焊接安装需要法兰双面焊。所以平焊法兰一般用于低、中压管道，对焊法兰用于中、高压管道的连接，对焊的法兰一般是至少PN2.5Ppa ，采用对焊是为了减少应力集中，一般的对焊法兰多为带颈法兰也叫奶嘴法兰。 所以对焊法兰的安装费，人工费和辅材费要高点，因为多一道工序。
2.2法兰的标准
我国钢制管法兰国家标准体系GB （1）公称压力：0.25Mpa~42.0Mpa
a 、系列1：PN1.0, PN1.6, PN2.0, PN5.0, PN10.0, PN15.0, PN25.0, PN42（主系列）
b 、系列2：
PN0.25, PN0.6, PN2.5, PN4.0
其中PN0.25，PN0.6，PN1.0，PN1.6，PN2.5，PN4.0共6个等级的法兰尺寸系属于以德国法兰为代表的欧洲法兰体系，其余为美国法兰为代表的美洲法兰体系。 在GB 标准中，从属于欧洲法兰体系的公称压力级最大的为4Mpa ，从属于美洲法兰体系的公称压力级最大为42Mpa 。 （2） 公称通径：10mm~1500mm
（3） 法兰的结构形式： 分为整体法兰和单元法兰 a 、螺纹法兰
b 、焊接法兰：对焊法兰、带颈平焊法兰、带颈承插焊法兰、板式平焊法兰。 c 、松套法兰：对焊环松套带颈法兰、对焊环松套板式法兰、平焊环松套板式法兰、板式翻过松套法兰 d 、法兰盖（盲孔法兰） e 、旋转法兰 f 、锚固法兰
g 、堆焊/覆焊法兰
（4） 法兰密封面：平面、凹面、凹凸面、榫槽面、环连接面
2.3 法兰的选用
由于法兰的用量大，国家已经把法兰标准化了，制定了法兰标准，以便增加互换性、降低成本。法兰标准分管法兰标准和容器法兰标准。常用的管法兰标准(GB9112~9131—88) 《钢制管法兰》；(HG20572~20635—97) 《钢制管法兰、垫片和紧固件》。常用的容器法兰标准为(JB4700~4707—92) 《压力容器法兰》。使用标准法兰应根据不同公称直径(DN)和公称压力(PN)选择。
公称直径(DN)是标准化以后的标准直径。管法兰公称直径是管子的名义直径，是接近管子内、外的某一整数。卷制筒体容器法兰的公称直径与容器内径取值相同。公称压力(PN)法兰的公称压力是按容器或管道所受的压力分为若干标准等级而设定的。每个PN 表示一定材料在一定温度下的最大允许无冲击载荷，因此当法兰材料和工作温度不同时，最大允许无冲击载荷不同。
标准设备法兰是在规定设计温度为200℃，材料为16MnR 或16Mn 锻件，根据不同形式的法兰，规定了垫片的型式、材质、尺寸和螺柱材料的基础上，按照不同直径和不同压力，通过多种方案的比较计算和尺寸圆整得到的。由于标准法兰是以16MnR 或16Mn 锻件来制定的，所以，如果法兰材料强度低于16MnR 或使用温度高于200℃，则其最大允许工作压力低于公称压力；反之，若法兰材料强度高于16MnR 或使用温度低于200℃，则其最大允许工作压力便高于公称压力。法兰的最大允许工作压力与公称压力孰高孰低，完全取决于法兰材料和使用温度。
设计条件如下表所示： 设计温度 200℃ 设计压力 1Mpa
旋风分离器内径 2000mm
压力容器法兰的选取按照《化工设备机械基P 289~P 292、P 444~P 450》选(JB/T 4701-2000) 标准。选取法兰类型为甲型平焊法兰，密封面为平面型，材料为Q345R(16MnD)；垫片类型为非金属软垫片，材料为GB/T3985石棉橡胶板；螺柱与螺母材料分别为GB/T69935和GB/T69925。旋风分离器上孔与下孔公称直径为分别取900mm 和700mm ，则两处法兰公称直径分别为1030mm 和830mm 。
3、法兰的机械设计
法兰作为连接零件，对密封性的要求很高，而影响法兰密封的因素是多方面的，以下介绍几个主要因素予以归纳讨论：
3.1、螺栓的选择
（1）螺栓面积的确定
螺栓所需要的最小面积应螺栓需提供的压紧载荷进行计算，为此与垫片压紧力相
对应也分别以预紧和操作两种工矿进行计算。 ①、预紧工况螺栓面积
预紧工况下所需要螺栓最小面积A 为垫片在预紧是所需的最小压紧力除以螺栓在常温下的许用应力，即 ( A =
бa
)
ъ
②、操作工况螺栓面积
操作工况下所需螺栓最小面积A 所能提供的压紧载荷应能同时满足两项要求：
π2
a 、平衡内压产生的轴向力（D a p ）
c 4
b 、确保垫片密封所需的压紧力
π2
+2πD G bm p D G p c c
c 、计算需要的螺栓面积Am ，(), 计算所需面积取上=A
p
бt
b
述Aa 和Ap 之大值。
d 、实际螺栓面积，设计中实际配置的螺栓面积Ab 应补小于需要的螺栓面积Am ，并应留有一定的裕量。 （2）螺栓的配置
①、螺栓规格对螺栓中心圆直径的影响
实际螺栓中心圆直径应取环向和径向计算的中心圆直径的大值。选用过大或者过小的螺栓都会导致较大的螺栓中心圆直径。 ②、螺栓中心圆直径对法兰力矩的影响
法兰力矩计算中各荷载的力臂都为载荷至螺栓中心的距离，因此紧缩螺栓中心圆直径可有效减小法兰力矩的力臂，对法兰设计十分有利。 ③、螺栓配置
为了控制尽可能小的螺栓中心圆直径，螺栓的规格及数量应由一适宜的选择。当所选螺栓从法兰环向和径向两个方向要求的螺栓中心圆直径想接近时，螺栓中心圆直径取最小值，即为最适宜的配置。 （3）、螺栓载荷计算 ①在预紧状态下需要的最小螺栓载荷 ②在操作状态下需要的最小螺栓载荷 ③螺栓尺寸与数目
确定螺栓截面尺寸时应分别求出两种工况
下螺栓的总面积，择其大者为所需螺栓总截面积，从而确定实际选用螺栓直径与个数。
W a =πD G by
π2
W p =D G p c +2πD G bmp c
4
A a =
W a [σ]b
A p =
W p
t [σ]b
A m =max(A a 、A p ）
d o ≥
确定螺栓数目n 时，螺栓数目 一般为偶数，且最好为
连接的密封性，还要考虑安装的方便。螺栓数多了，垫片受力均匀，密封性好, 但螺栓数目太多，螺栓间距就小，可能放不下扳手，同时螺栓直径相应减小，小直径螺栓拧紧时容易折断, 所以一般≥12mm 。
在选定螺栓数目n 后，即可得到螺栓根径
根据以上工艺设计及机械设计选取的法兰类型和操作温度，按照《化工设备机械基P 291表14-6》标准，选取法兰连接螺栓为M20，螺母材料为GB/T69925，螺母分别取48和32个。
3.2、垫片的选择
⑴、垫片宽度
①、几何宽度 指垫片的实际宽度。
②、接触宽度 指垫片在装配就位后与密封面实际接触的几何宽度。 ③、基本密封宽度
用以计算接触面积的垫片宽度不是垫片的实际宽度，而是它的一部分，称为密封基本宽度bo ，其大小与压紧面形状有关。 ④、有效密封宽度 当垫片较宽时，既当bo>6.4mm时，由于螺栓载荷和内压的作用使法兰发生偏转，靠近垫片外径处压紧力较靠近内径处压紧力要大，为此垫片能起到有效密封作用的宽度只能是基本密封宽度的一部分，称为有效密封宽度b ，GB150规定如下：当bo6.4mm时，b=。
⑤、最小垫片宽度
垫片在法兰预紧时承受最大的压紧力作用。为避免垫片发生过度压紧所需的最小宽度称为最小垫片宽度，以N min 表示。
⑵、垫片参数
反应垫片特性的参数是比压力和垫片系数 ① 、 垫片比压力 在预紧螺栓力作用下，使垫片表面嵌入到法兰密封面的凹凸不平处，消除泄露通道，为此在单位垫片有效密封面积上应有足够的压紧力。此单位面积上的压紧力，称为垫片的密封比压力，用y 表示。不同的垫片有不同的比压力。垫片材料愈硬，y 愈高。 ② 、 垫片系数
在临界泄露时，垫片单位面积比压的剩余值与密封压力p 的比值为垫片系数m 。⑶、垫片压紧力的确定 A 、预紧工况垫片压紧力
垫片预紧工况所需的最小压紧力为垫片有效密封面积乘以单位密封面积上所需的压
紧力y ，即 B 、操作工况垫片压紧力
F =F
a
G
=2πD G b y
为“垫片面积”乘以单位面积上所需的压力，即
垫片操作工况所需的最小压紧力
F
p
F
p
=2πD G bm p
c
根据以上工艺设计及机械设计选取的法兰类型、垫片的种类和操作温度，按
照《化工设备机械基P 291表14-6》标准，选取法兰垫片为非金属软垫片，宽度为17.5mm 。
3.3、法兰的应力校核
(1)锥颈上与法兰连接处的轴向弯曲应力
fM O
σ H=2
λδ1D i
(1.33δf e +1) M O
(2)法兰环上的径向应力
σR =
λδf 2D i
YM O
-Z σR 2δf D i
(3)法兰环上的切向应力
σT =
法兰的最大轴向应力位于锥颈的大端或小端，一方面它是沿截面线性分布的纯弯曲应力，另一方面具有局部的性质，小量屈服不会对法兰环密封部位的变形产生较大影响而导致泄漏，所以采用极限载荷设计法，取1.5倍材料许用应力作为它的最大允许应力。
⎫⎪
t t
轴向应力 σH ≤1.5[σ ]f 与2.5[σ ]n 之小值⎪
⎪t
径向应力 σR ≤[σ ]f ⎪
⎪
环向应力
σT ≤[σ ]f t ⎬
⎪σH +σT t
⎪组合应力 ≤[σ ]f
2⎪
⎪ σH +σR t
≤[σ ]f ⎪ 2⎭
法兰的最大径向应力位于环板内边缘与锥颈的连接处，为弯曲应力和拉伸应力。法兰的最大环向应力位于环板内边缘靠密封面处，亦为弯曲应力和拉伸应力。但如果允许颈部有较高的应力(超过材料屈服极限) ，则颈部的载荷因应力重新分配会传递到法兰环，而导致法兰环材料部分屈服，故对锥颈和法兰环的应力平均值也须加以限制。例如若达到1.5倍许用应力，或只允许0.5倍许用应力。
4. 总结
这次化工设备设计我主要负责法兰的设计，通过学习，我了解到在设计法兰时，不可忽略的是法兰连接结构的强度和密封性，而密封性对法兰来说更为重要。法兰连接使用方便，能够承受较大的压力。 在工业管道中，法兰连接的使用十分广泛。在家庭内，管道直径小，而且是低压，看不见法兰连接。如果在一个锅炉房或者生产现场，到处都是法兰连接的管道和器材。
在这次设计过程中，我了解自己在综合能力方面还是有些欠缺，但是自己单独设计模具的能力以及运用知识的能力还可以，通过这次设计我体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。此次设计不仅使以前在课堂上学习到的很多理论知识得到了实践性的操作，也让我体会到了团队合作的重要性。我们小组负责的是旋风分离器的设计，每个组员之间紧密合作，也让我们感受到了设计方面工作难度，在今后的学习中，我们都会一如既往的努力。
参考文献
《化工设备机械基础》--------------------大连理工大学出版社 喻健良 主编
《过程设备机械基础》--------------------国防工业出版社 巨勇智、靳士兰 主编 《化工制图》----------------------------化学工业出版社 郑晓梅 主编 《机械设计基础》------------------------机械工业出版社 马秋生 主编
《过程装备成套技术设计指南》------------化学工业出版社 黄振仁 魏新丽 主编
附图：
自评如下：