NB/T47023非标法兰合理设计实操方法

以下文章来源于压力容器 有感而发 ，作者压力容器 有感而发

      《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J>1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

    非标法兰设计前先要确定几个设计参数：

1. 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）;

2. 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;

3. 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;

4. 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：

1. 锥颈小端厚度取对接筒体厚度δ0

2. 锥颈 大端厚度δ1取2*δ0，公称直径小于800mm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/T47023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≤800mm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。

PN	DN	δ2	δ0	δ2:δ0
0.6	DN 1300	26	12	2.2:1
0.6	DN 1400	26	12	2.2:1
0.6	DN 1500	26	12	2.2:1
0.6	DN 1600	26	12	2.2:1
0.6	DN 1700	26	12	2.2:1
0.6	DN 1800	26	14	1.9:1
0.6	DN 1900	26	14	1.9:1
0.6	DN 2000	26	14	1.9:1
0.6	DN 2100	28	16	1.8:1
0.6	DN 2200	28	16	1.8:1
0.6	DN 2300	30	18	1.7:1
0.6	DN 2400	30	18	1.7:1
0.6	DN 2500	32	20	1.6:1
0.6	DN 2600	32	20	1.6:1
1	DN 300	22	4	5.5:1
1	DN 350	22	4	5.5:1
1	DN 400	22	4	5.5:1
1	DN 450	22	6	3.7:1
1	DN 500	22	6	3.7:1
1	DN 550	22	6	3.7:1
1	DN 600	22	6	3.7:1
1	DN 650	22	8	2.8:1
1	DN 700	22	8	2.8:1
1	DN 800	22	8	2.8:1
1	DN 900	22	10	2.2:1
1	DN 1000	22	10	2.2:1
1	DN 1100	26	12	2.2:1
1	DN 1200	26	12	2.2:1
1	DN 1300	26	12	2.2:1
1	DN 1400	26	12	2.2:1
1	DN 1500	26	12	2.2:1
1	DN 1600	26	12	2.2:1
1	DN 1700	26	12	2.2:1
1	DN 1800	26	14	1.9:1
1	DN 1900	32	16	2:1
1	DN 2000	32	16	2:1
1	DN 2100	32	16	2:1
1	DN 2200	32	16	2:1
1	DN 2300	34	18	1.9:1
1	DN 2400	34	18	1.9:1
1	DN 2500	36	20	1.8:1
1	DN 2600	36	20	1.8:1
1.6	DN 300	22	6	3.7:1
1.6	DN 350	22	6	3.7:1
1.6	DN 400	22	6	3.7:1
1.6	DN 450	22	8	2.8:1
1.6	DN 500	22	8	2.8:1
1.6	DN 550	22	8	2.8:1
1.6	DN 600	22	10	2.2:1
1.6	DN 650	22	10	2.2:1
1.6	DN 700	26	10	2.6:1
1.6	DN 800	26	12	2.2:1
1.6	DN 900	26	12	2.2:1
1.6	DN 1000	26	12	2.2:1
1.6	DN 1100	26	14	1.9:1
1.6	DN 1200	26	14	1.9:1
1.6	DN 1300	26	14	1.9:1
1.6	DN 1400	26	14	1.9:1
1.6	DN 1500	32	16	2:1
1.6	DN 1600	32	16	2:1
1.6	DN 1700	32	18	1.8:1
1.6	DN 1800	32	18	1.8:1
1.6	DN 1900	36	20	1.8:1
1.6	DN 2000	36	20	1.8:1
1.6	DN 2100	38	22	1.7:1
1.6	DN 2200	38	22	1.7:1
1.6	DN 2300	38	22	1.7:1
1.6	DN 2400	40	24	1.7:1
1.6	DN 2500	40	24	1.7:1
1.6	DN 2600	40	24	1.7:1
2.5	DN 300	22	6	3.7:1
2.5	DN 350	22	6	3.7:1
2.5	DN 400	22	8	2.8:1
2.5	DN 450	22	8	2.8:1
2.5	DN 500	26	10	2.6:1
2.5	DN 550	26	10	2.6:1
2.5	DN 600	26	10	2.6:1
2.5	DN 650	26	10	2.6:1
2.5	DN 700	26	10	2.6:1
2.5	DN 800	26	12	2.2:1
2.5	DN 900	32	12	2.7:1
2.5	DN 1000	32	14	2.3:1
2.5	DN 1100	32	14	2.3:1
2.5	DN 1200	32	14	2.3:1
2.5	DN 1300	32	16	2:1
2.5	DN 1400	32	16	2:1
2.5	DN 1500	36	18	2:1
2.5	DN 1600	36	20	1.8:1
2.5	DN 1700	42	20	2.1:1
2.5	DN 1800	42	22	1.9:1
2.5	DN 1900	42	24	1.8:1
2.5	DN 2000	42	24	1.8:1
2.5	DN 2100	48	26	1.8:1
2.5	DN 2200	48	26	1.8:1
2.5	DN 2300	48	26	1.8:1
2.5	DN 2400	50	28	1.8:1
2.5	DN 2500	50	28	1.8:1
2.5	DN 2600	50	28	1.8:1
4	DN 300	26	8	3.3:1
4	DN 350	26	8	3.3:1
4	DN 400	26	12	2.2:1
4	DN 450	26	12	2.2:1
4	DN 500	26	12	2.2:1
4	DN 550	26	12	2.2:1
4	DN 600	26	12	2.2:1
4	DN 650	32	14	2.3:1
4	DN 700	32	14	2.3:1
4	DN 800	32	16	2:1
4	DN 900	36	16	2.3:1
4	DN 1000	36	18	2:1
4	DN 1100	42	20	2.1:1
4	DN 1200	42	22	1.9:1
4	DN 1300	42	22	1.9:1
4	DN 1400	42	22	1.9:1
4	DN 1500	42	22	1.9:1
4	DN 1600	42	22	1.9:1
4	DN 1700	48	26	1.8:1
4	DN 1800	48	26	1.8:1
4	DN 1900	50	28	1.8:1
4	DN 2000	50	28	1.8:1
6.4	DN 300	26	8	3.3:1
6.4	DN 350	26	8	3.3:1
6.4	DN 400	26	12	2.2:1
6.4	DN 450	32	12	2.7:1
6.4	DN 500	32	12	2.7:1
6.4	DN 550	32	12	2.7:1
6.4	DN 600	36	14	2.6:1
6.4	DN 650	36	16	2.3:1
6.4	DN 700	42	18	2.3:1
6.4	DN 800	42	18	2.3:1
6.4	DN 900	48	22	2.2:1
6.4	DN 1000	50	24	2.1:1
6.4	DN 1100	52	26	2:1
6.4	DN 1200	52	28	1.9:1

3. 锥颈高度h ,初定3*（δ1-δ0），根据计算结果调整；

   计算了部分 NB/T47023法兰锥颈斜度，得到的结果分布范围较大，1:2.5 ~1:5 , GB/T150.3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。

   PN	DN	δ2	δ1	h	锥颈斜度
   1	DN 300	22	12	25	1:2.5
   1	DN 350	22	12	25	1:2.5
   1	DN 400	22	12	25	1:2.5
   1	DN 450	22	12	25	1:2.5
   1	DN 500	22	12	25	1:2.5
   1	DN 550	22	12	25	1:2.5
   1	DN 600	22	12	25	1:2.5
   1	DN 650	22	12	25	1:2.5
   1	DN 700	22	12	25	1:2.5
   1	DN 800	22	12	25	1:2.5
   1	DN 900	22	12	25	1:2.5
   1	DN 1000	22	12	25	1:2.5
   1	DN 1100	26	16	35	1:3.5
   1	DN 1200	26	16	35	1:3.5
   1	DN 1300	26	16	35	1:3.5
   1	DN 1400	26	16	40	1:4
   1	DN 1500	26	16	40	1:4
   1	DN 1600	26	16	40	1:4
   1	DN 1700	26	18	40	1:5
   1	DN 1800	26	18	40	1:5
   1	DN 1900	32	20	40	1:3.3
   1	DN 2000	32	20	40	1:3.3
   1	DN 2100	32	20	50	1:4.2
   1	DN 2200	32	20	50	1:4.2
   1	DN 2300	34	22	50	1:4.2
   1	DN 2400	34	22	50	1:4.2
   1	DN 2500	36	24	50	1:4.2
   1	DN 2600	36	24	50	1:4.2

4. 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；

1. 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 ；

2. 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；

3. 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；

1. 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；

2. 计算结果如果提示螺栓截面积不足， 回到ii继续调整。

4. 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。

5. 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/T150.3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SECTION 9 TABLE D-5 (见图4)或 TABLE D-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

6. 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

7. 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 .

8. 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/T47025缠绕垫的垫片宽度 wg ，公称直径大于1000mm的法兰垫片宽度均为25mm， 公称直径小于1000mm 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

9. 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/T47023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，PV Elite 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J>1时，应增加法兰厚度δf或锥颈小端厚度δ0，直至J≤1 。