王英丽，高兆宽

（1.西安航天华威化工生物工程有限公司，陕西 西安 710100；2.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，陕西 西安 710100）

1 总述

近几年我公司为某公司配套设计过滤器设备多台，由于过滤器内部有滤芯等部件，需经常更换，所以设置有设备法兰。之前几台均按普通设备法兰设计，每次拆卸须将紧固件全部拆除，比较麻烦，影响工作效率。经多方考虑，本次设备法兰采用活节螺栓连接的结构。通常使用槽型螺栓孔连接，法兰外直径的数值按照活节螺栓槽型螺栓孔的槽底直径输入[1]，如下图A-A(Ⅱ)Dy，Do为法兰的实际外直径。由于该设备压力较低，考虑节约材料成本，参考回转盖快开人孔的螺栓连接型式，活节螺栓法兰由活节螺栓、螺母、销轴与支耳板组成（如下图A-A(Ⅰ)）。以GB/T 150为设计标准，参考《化工设备元件强度计算》方法，法兰外直径的数值按照A-A(Ⅰ)法兰外径Do输入，其余数值正常输入，所得结果满足法兰强度要求。校核支耳板与法兰焊缝强度满足要求。

2 设备法兰的计算[1]

以某工程过滤器为例。

设备设计参数如下：设计压力Pc：0.6MPa；设计温度t：80℃；筒体直径DN2000，厚度δ0=8mm。设备主体材质：S31603；法兰材质：16MnⅡ衬S31603；螺栓材质：S30408；垫片材质：PTFE（厚度3mm）。

法兰参数见图1。

图1 法兰参数

2.1 密封计算

密封计算是为了满足法兰预紧密封和操作密封的需要，并确保能承受介质压力引起的轴向载荷。

2.1.1 垫片有效密封宽度b

本次设计垫片使用PTFE（厚度3mm），根据GB/T150.3-2011确定垫片接触宽度N和基本密封宽度b0，再计算垫片有效密封宽度b。

垫片基本密封宽度b0=N/2=12mm＞6.4mm；

根据GB/T150.3-2011 7.5本设备法兰属于其他形式的法兰，且b0＞6.4mm，所以垫片压紧力作用中心圆直径DG=垫片接触外径-2b=2053-2x8.76=2035.5mm。

2.1.3 垫片压紧力

本次设计垫片使用PTFE（厚度3mm），m-垫片系数2；y-垫片比压力14.7，预紧状态下需要的最小垫片压紧力：

操作状态下需要的最小垫片压紧力：

2.2 螺栓计算

dB：螺栓公称直径，M30；

dd：螺栓根径，26.2，螺栓数量n=40个。

2.2.1 螺栓的布置

2.2.2 螺栓载荷计算

预紧状态下需要的最小螺栓载荷Wa=Fa=822840.3N，操作状态下需要的最小螺栓载荷，内压引起的总轴向力：

最小螺栓载荷：

2.2.3 螺栓面积计算

预紧状态下需要的最小螺栓面积：

操作状态下需要的最小螺栓面积：

需要的螺栓面积：

实际的螺栓面积Ab：

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

d Am=17411mm2，合格。

2.2.4 力矩计算（按GB/T150 7.5.3.1）

[σ]f：室温下法兰材料需用应力，174MPa；

LG：螺栓中心至FG作用位置处的径向距离；

LD：螺栓中心至FD作用位置处的径向距离；

LT：螺栓中心至FT作用位置处的径向距离。

预紧状态下法兰力矩：

操作状态下法兰力矩：

2.2.5 法兰应力校核

由于该任意式法兰的设计温度t=80℃＜370℃，δ0=8mm＜ 15mm，Di/δ0=252＜ 300，Pc=0.6MPa＜ 2MPa， 按 照 GB/T150.3-2011第7.4.4条按活套法兰计算，法兰有效厚度δf按环向应力σT来确定：

实际取δf=160mm。

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

3 支耳及销轴强度计算

3.1 计算支耳A-A截面抗拉强度

M30的活节螺栓40个均布，支耳材料使用S31603，共80个支耳。

许用抗拉强度[σ]=490MPa；

抗剪强度 [τ]=294MPa。

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

3.2 销轴截面抗剪强度计算

直径24的销轴40个均布，材料使用S30408。

许用抗拉强度[σ]=490MPa；

抗剪切强度为 [τ]=294MPa。

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

3.3 焊缝抗剪计算

侧面角焊缝（作用于平行于焊缝方向）：

he：筋板焊角高度，12mmlw：筋板长度，160mm。

4 结论

我公司设计、制造的这台过滤器投入使用两年至今运行良好，鉴于本设备压力较低，对于压力较高的法兰连接仍需要进行进一步探讨。