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浅析法兰的合理设计 摘要本文提出法兰设计的原理及过程，然后对每一个过程进行剖析，从垫片的设计、螺栓的设计到法兰的合理设计，是逐步有序地进行的，从问题的提出，到最后对法兰的合理设计提出总结性的看法。 关键词法兰设计法兰尺寸螺栓垫片 一、前言 法兰的设计、分析方法不下十余种，但就其所依据的理论基础概括地可以分为如下三类： 1.基于材料力学的简单方法。例如巴赫法和苏联的TY8100法。 2.以弹性分析为基础的方法。例如铁摩辛柯法、华特氏（Waters）法、默瑞—斯屈特法、龟田法。 3.以塑性分析为基础的方法。例如德国的DIN2505 方法、AD规范方法、英国的BS1500-58法及苏联的PTM42-62法。 我国制定的GB150-2011，其法兰设计采用的就是华特氏(Waters)法。 华特氏法的影响因素较多，且随意性较大，不同的设计结果就其法兰重量来说就可以相差数倍，因此，法兰的合理设计是具有十分重要的意义的。 法兰的设计包括垫片设计、螺栓设计和法兰设计三部分，并且是依次进行的。其中任何一步的设计失利都会直接影响以后步骤的进行，导致设计中的连续失利，而使得设计结果很不合理，造成整个法兰联接结构尺寸极不紧凑、重量大、耗材多等结果，使得制造成本大大提高，造成不必要的浪费。 法兰的合理设计必须从垫片的设计开始。 二、垫片设计 垫片设计是整个法兰联接设计的基础。垫片材料的选用以及垫片内径和宽度的选用都对法兰联接设计的结果有很大的影响。 1.垫片设计的第一个概念就是垫片的比压。垫片的比压就是为了形成预密封条件而必须施加在垫片单位面积上的最小压紧力，常用符号y表示。 不同强度的垫片，为了达到预密封的条件所需要的压紧力是不同的，强度愈高、硬度愈大，则其y值也就越高。不同材料的垫片其y值可参见《钢制压力容器GB150-2011》中表7-2。 垫片的有效压紧面积S=3.14DGb, 而单位面积所需要的最小压紧力为y,所以整个垫片的预压紧力Fa便可得出： Fa=3.14 DGby （式7-1） 式中：Fa—预紧状态下所需要的最小垫片压紧力；（N） DG—垫片压紧力作用中心圆直径；（mm） b—垫片有效密封宽度；（mm） y—垫片比压力。（MPa） 2.垫片设计中的第二个概念就是垫片系数。垫片系数就是为了保证介质不发生泄漏，在单位垫片有效压紧面积上所需作用的最小压紧力与内部介质压力的比值，常用符号m 表示。 垫片的材料愈硬、强度愈高，其m 值也就越大。不同垫片材料的m 值可参见《钢制压力容器GB150-2011》中表7-2。 整个垫片在操作状态下所需要的最小垫片压紧力Fp： Fp=6.28 DGbmpC （式7-2） 式中：Fp—操作状态下所需要的最小垫片压紧力；（N） DG—垫片压紧力作用中心圆直径；（mm） b—垫片有效密封宽度；（mm） m—垫片系数； Pc—计算压力。（MPa） 3.从以上两个垫片载荷计算式（式7-1、式7-2）可以看出，它们都与垫片有效密封宽度b 有关，显然垫片密封宽度b 愈小，Fa和Fp就愈小，对减小垫片载荷有利。然而，垫片的宽度b 却受着垫片预紧时的“压碎强度”的限制，这就是垫片设计的第三个概念。 垫片在预紧时的状态，应该是既压紧，但又不能压紧过度。因为只有在单位压紧面积上的压紧力大于y 值，才能保证垫片表面能嵌入法兰密封面中，建立起预密封条件，但如果压紧过度，又会使垫片失去弹性而进入塑性状态，从而使密封面不是出现间隙就是保持不了足够大的压紧力，而导致泄漏的发生。所以为保证垫片能在弹性状态下工作，在预紧时单位有效面积上的压紧力应该保证尽量小，而控制垫片单位面积上的预紧力变小的措施就是使垫片具有足够的宽度。 所以，从以上的阐述可以看出，在给定的设计条件(压力、直径)的情况下，究竟采用何种垫片并使用多大宽度是一个需要分析比较才能确定的问题，并不是随意简单就能决定的问题，这一点，我们进行下面的分析将会得出结论。 三、螺栓设计 当垫片的材质、型号和尺寸确定之后，垫片在预紧和操作状况下所需要的压紧载荷便可求出，这种压紧载荷是由螺栓来提供的，由此便可相应的求出所需要的螺栓面积。 1.螺栓面积。 （1）在预紧状态下所需要的最小螺栓总面积为Aa: 从上式来看，按说螺栓中心圆直径Db随所选螺栓增大因值增大而增大，但由于随db增大，每个螺栓的根径截面积fb与db呈二次方增大，为此造成螺栓个数n(n=Am/fb)很快下降，所以最终造成Db随db的增大而减小，呈一种单调递减的关系。（见图4中曲线3） 从图4 中可以看出，曲线1、曲线2 中Db 随db 的增大而增大，而曲线3 中则是Db随db的增大而减小。由于实际Db应取上述三者之大值，所以可见，当所选用的螺栓直径过大时，往往由于受曲线1、曲线2 的控制，造成很大，而当所选用的螺栓直径过小时，