平焊法蘭與圓筒角接焊縫的剪應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算分析

1、靜設(shè) 備 石 油 化 工 設(shè) 備 技 術(shù) ， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 4 ) · 1 6 ·Pe t r o — Ch e mi c a lEq u i p me n tTe c h n o l o g y平焊 法 蘭 與 圓筒角 接 焊 縫 的 剪應(yīng) 力 強(qiáng)度計(jì) 算 分 析 張 志 芳 ( 中 國(guó)石 化 工 程 建 設(shè) 公 司 ， 北 京 1 0 0 1 0 1 )摘 要 ： 關(guān) 于 平焊 法 蘭 與 圓

2、 筒 角接 焊 縫 剪 應(yīng) 力 的 計(jì) 算 ， 我 國(guó)標(biāo) 準(zhǔn) G B1 5 O ～ 1 9 9 8 ~ 鋼 制 壓 力 容 器 》 一 直 沿 襲 AS ME第 Ⅷ 卷 第 一 分 篇 的 方 法 ， 而這 一 方 法 對(duì) 于 剪切 載 荷 的 確 定 并 不 準(zhǔn) 確 。 文章 針 對(duì) 此 問題 分 工 況進(jìn) 行 探 討 ， 得 出預(yù) 緊狀 態(tài) 下 角焊 縫 并 不 受 力 ； 操 作 狀 態(tài) 下 ， 若 角 焊 縫 腰 高 取 與 圓

3、 筒 厚度 相 等 ， 則 焊 縫 剪 應(yīng) 力 自動(dòng) 滿 足 強(qiáng)度要求 ， 無(wú)需校核計(jì)算 等幾項(xiàng)結(jié)論 。此外還討論 了法蘭與夾套相連時(shí)的角焊縫的強(qiáng)度校核 。關(guān) 鍵 詞 ： 平 焊 法 蘭 ； 圓 筒體 ； 角接 焊 縫 ； 剪 應(yīng) 力在煉 油化 工 裝 置 中 ， 平 焊 法 蘭是 一 種 被 廣泛 應(yīng)用 的法 蘭型 式 。與長(zhǎng)頸 法蘭 和 圓筒 的對(duì) 接連接 不 同 ， 平 焊法蘭 與 圓筒 的連 接 是 圓筒 伸 入 法 蘭環(huán) 內(nèi)部

4、 并 與 法 蘭 環(huán) 采 用 角 焊 縫 連 接 。因 此 ， 按 照 G B1 5 01 9 9 8的 規(guī) 定 ， 這 種 型 式 法 蘭 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 ， 除應(yīng) 校核法 蘭本 體 的強(qiáng)度 和螺栓 所需 面積外 ，還應(yīng) 當(dāng)校核 法 蘭與 圓筒角 接焊縫 的剪應(yīng) 力 強(qiáng)度 。對(duì)于此 類剪 應(yīng)力 的計(jì)算 ， GB1 5 0 — 1 9 9 8標(biāo)準(zhǔn) 沿襲 AS ME第 Ⅷ卷第 一分 篇 的方法 ， 按 預(yù) 緊和操 作兩 種狀 態(tài)進(jìn) 行

5、計(jì) 算 ， 而用 于計(jì) 算兩 種 狀 態(tài) 焊縫 剪應(yīng) 力 的剪切 載荷則 分別 采用兩 種狀 態(tài)下 的螺栓 設(shè)計(jì) 載荷 。本 文 通過 對(duì) 焊 縫 的受 力 分 析 ， 探討 其 計(jì)算 中剪 切載 荷取值 的合 理性 和剪 切應(yīng)力 校核 的 必 要 性 。1預(yù) 緊 和 操 作 狀 態(tài) 下 角 接 焊 縫 剪 切 載 荷 的 確 定 1 ． 1預(yù) 緊狀態(tài) 下 角接焊 縫剪切 載 荷的確 定 如 圖 1 所 示 ， 在 螺栓 預(yù)緊 載荷作

6、用下 ， 墊片 壓 緊力 作用 中心 圓直 徑 為 D。 ， 即墊 片 的反 力 F作 用不 到 圓筒與 法 蘭連 接 的角 接 焊縫 ( 以 下簡(jiǎn) 稱 角 焊縫 ) 上 ， 因此 ， 此 時(shí)角焊 縫并不 受力 ， 剪切 載荷應(yīng) 為零 。而 AS ME的計(jì) 算 ， 將預(yù) 緊狀 態(tài) 的螺栓 設(shè) 計(jì) 載荷 作 為剪切 載荷 顯然 是極其 保守 的 。1 ． 2操作狀 態(tài) 下角焊 縫剪切 載荷 的確 定 1 ． 2 ． 1內(nèi)壓 工 況 在操作

7、 狀 態(tài)下 ， 螺栓設(shè) 計(jì)載 荷 由三部 分組成 ，即 W 。 = = = F。 +F+ F， 而 這 三 部 分 載 荷 中 ， 只 有 F 。 一 才作 用 到角 焊縫 上 ， 其余 兩 部 分載 荷 ‘ 士則是 作用在 墊 片上 的( 如 圖 2所示 ) ， 因此 ， 操作 狀 r 、9態(tài)下 角 焊 縫 的剪 切 載 荷僅 為 鄉(xiāng)， 而 在 AS MEL t 計(jì) 算 中 ， 將上 述 三部 分 載 荷 同 時(shí)作 為 剪 切載

8、荷 也 是 十分 保守 的 。1預(yù) 緊 狀 態(tài) 甲 焊 法 蘭 筒 角 接焊 縫 的 剪 應(yīng) 力 受 力 分 析 示 意 1 ． 2 ． 2 外 壓 工 況 根據(jù) G B1 5 0 ～ 1 9 9 8標(biāo) 準(zhǔn)第 9 ． 6條 規(guī)定 ： “ 外 壓法 蘭可 按 內(nèi)壓法 蘭計(jì) 算 ， 但 螺 栓 面積 僅 需按 預(yù) 緊狀 態(tài)考 慮” ， 而 在外 壓 操 作 狀態(tài) 下 ， 螺 栓 設(shè)計(jì) 載 荷 W 。 一0 ， 按 照 G B1 5 0 —

9、 1 9 9 8標(biāo) 準(zhǔn) 螺 栓 設(shè) 計(jì) 載 荷 即為剪 切載 荷 的規(guī) 定 ， 此 時(shí) 角 焊縫 的剪 切 載荷 收 稿 E l 期 ： 2 o 1 00 3 — 3 0 。作 者 簡(jiǎn) 介 ： 張 志 芳 ( 1 9 7 4 一 ) ， 女 ， 河 北 新 河 人 ， 1 9 9 6年 畢業(yè) 于 大 連理 工 大 學(xué) 化 工 機(jī) 械 系 化 工 設(shè) 備 與 機(jī) 械 專 業(yè) ， 工 學(xué) 學(xué) 士 ，一 直從事壓力容器設(shè)計(jì)工作 ， 已發(fā)表論文

10、 1篇 ， 高級(jí)工程師 。Ema i l ： z h a n g z f @ s e i ． c o r n． c n第 3 1卷 第 4 期 李 春 光 等 ．壓 力 容 器 施 工 圖 封 頭 厚度 的標(biāo) 注 封 頭加 工裕量 )目一 1 1l n m 確 定封 頭坯料 厚度 ，則封頭坯 料 鋼 板 厚度 坯一 n 圖一C+C 3 = 1 2 ． 1 4mm， 由于 目前市場(chǎng)上 沒有奇數(shù)厚度 的鋼板 ， 圓整 后 取 為 1 4i

11、 T l m， 封頭直邊 至少增厚 N1 5 ． 4mi D ． 口 ] 。若設(shè) 計(jì) 時(shí)考 慮封 頭 加 工 裕量 ， 則 封 頭坯 料 鋼 板 厚度 壞一 +C 2 +C+ C 。 一 1 1 ． 3 8mi T t ， 圓整 取 為 1 21 T i m， 也 能滿 足設(shè)計(jì) 要求 ?？?見 ， 若設(shè) 計(jì) 時(shí)考 慮封頭 加工 裕量 ， 則封 頭坯 料 厚度 可避 免 無(wú) 意 義 的增 加 2I T t m， 既 減 少 了封 頭 的質(zhì)

12、量 ( 成 本) ， 又有益 于封 頭 的成形 ， 更利 于與 厚度 為 1 2mm 圓筒 對(duì)接 時(shí) 的焊 接質(zhì) 量 ， 無(wú)需再 按 1： 3 坡 度機(jī)加 削 薄封頭 的直 邊 。從這個(gè) 案例 看 出 ， 設(shè) 計(jì) 時(shí)應(yīng) 考 慮 封 頭 加 工 裕 量 ， 并 在 圖樣 中給 出封 頭厚 度 的合理標(biāo) 注 ( 分?jǐn)?shù) 線 形式) ： 一是考慮加 工裕量后 的名 義厚度 ( 標(biāo)在 分?jǐn)?shù) 線上面 ) ， 二是封頭 最小厚度 ( 標(biāo)在 分?jǐn)?shù)線下

13、面) 。封頭最 小厚度 的確 定 。按 GB1 5 O 一 1 9 9 8 ， 封 頭設(shè)計(jì) 時(shí)要 求 的最小 厚度 ? 一+c。因?yàn)?一 c一c 。 ≥ +c ： ， 所 以 ， 封 頭制 造保證 的最小 厚 度也 可 以表 示為 ? 一一c～c 。 ， 這 就 是有 的施 工 圖 封 頭最 小厚 度 一+C 。 ； 而 有 的施 工 圖 封頭 最 小 厚度卻 以。一一C～c 。 標(biāo) 注 。筆 者 認(rèn)為 ， 這 兩 種標(biāo) 注方式 還

14、是后 者 比較合 理 。原 因如下 ：( 1 ) 可避免 因計(jì) 算厚 度考 慮 的不 全 面 ， 諸 如未 計(jì)及 開孔 補(bǔ)強(qiáng) 所用 去 的厚 度 、 吊耳 或 支座 局 部 應(yīng) 力所 需厚度 等 因素 ， 而 使 封 頭最 小 厚 度 不 足 。無(wú) 論是 開： f L ~ b 強(qiáng)計(jì) 算 ， 還是封 頭 內(nèi)壓或 外壓 穩(wěn)定性 、吊耳或 支座 局部 應(yīng)力 及 臥式 容 器 的切 向剪 應(yīng) 力 _ 4等 校核計(jì) 算 ， 都 用 封 頭 的有

15、 效 厚 度 一一 c一c 。 一c 。 。在校 核 計(jì)算 時(shí) ， 只 要使封 頭處 于 滿應(yīng) 力狀 態(tài) ： 考慮 開： f L ~ b 強(qiáng) 所用 去 的厚度 ； 外壓 穩(wěn)定 性 校 核使計(jì) 算外 壓 等 于 許 用外 壓 ； 選 用 吊耳 或 支 座 時(shí) ， 應(yīng) 使 封頭 的有 效 厚 度 等 于 滿 足 吊耳 或 支 座 局 部應(yīng) 力所 需 的最 小 厚 度 ； 臥 式 容 器使 封 頭 的切 向剪應(yīng) 力等 于許 用 切 向剪應(yīng) 力

16、 ， 即 可取 封 頭 的有 效 厚度 作 為計(jì)算 厚度 ， 則 封頭 的最小 厚 度為 ? 一+ 一 一 f l — f 3 。( 2 )有 益于激 勵(lì) 封頭制 造 廠 提高 封 頭成 形 工 藝 的技術(shù) 水平 。盡 管 一c一C 。 ≥ +c， 但 也 不 會(huì) 使 封頭 在制 造 過程 中 ， 諸 如 臨 時(shí) 吊耳 或 拉 筋墊 板 割 除后 的焊 疤 打 磨 處 的 厚 度 小 于 封 頭 最 小 厚 度 ， 因?yàn)?， J B

17、／ T4 7 4 6 —2 O O 2附 錄 A 給定 的封 頭成 形 厚度 減薄 量有 很大 裕量 。因此 ， 上 述案 例 施 工 圖 中封 頭厚 度 的標(biāo) 注 應(yīng) 為 ： 考慮 加工 裕量 后封 頭名 義厚 度 1 2 r am， 最小 厚 度 應(yīng)標(biāo) 注 ? 一～f 1 一c 3 =1 0 ． 3F i l m。2結(jié) 語(yǔ) 壓力 容器 設(shè) 計(jì) 應(yīng)考 慮 封 頭 加 工 裕 量 ， 并 在 施 工 圖 中標(biāo) 注 出封 頭 的 名 義厚

18、 度 和 最 小 厚 度 ， 而 封 頭 最 小 厚 度 以 ? 一 一 c一 c 。為 宜 。 GB1 5 O 一 1 9 9 8 應(yīng) 做 出相 應(yīng) 的 修 訂 ； J B ／ T4 7 4 6 -2 0 0 2尚應(yīng) 完善 ， 給 出 國(guó)內(nèi)可 參 考 的 不 同成 形 方 法 對(duì) 應(yīng) 的封 頭成形 厚度 減 薄量 。參考 文獻(xiàn) ：[ 1 ] 鄭品森．化工 機(jī)械 制造 工藝 E M] ．北京 ： 化 學(xué)工 業(yè) 出 版 社 ， 1 9

19、8 0 ．[ 2 ] HG／ T2 1 5 7 4 -2 0 0 8 化工設(shè) 備 吊耳 及工 程技術(shù)要 求 E s ] ．E 3 ] J B ／ T4 7 1 2 —2 0 O 7 容器支座 E s ] ．E 4 - 1J B ／ T4 7 3 1 —2 o O 5鋼制 臥式容器 [ s ] ．( 上 接 第 1 7頁(yè) )聹 網(wǎng) 5兩 端 有 夾 套 平 焊 法 蘭 與 圓 筒角 接焊 縫 的 剪 應(yīng) 力 受力分析示意 4結(jié) 語(yǔ) 由以上

20、討論 可 得 出如下結(jié) 論 ：( 1 )一般 平焊法 蘭 無(wú) 論是 預(yù) 緊或操作 狀 態(tài) ， 角 焊縫 的剪應(yīng) 力 均 無(wú)需 校核 ， 在 z —時(shí) ， 剪 切強(qiáng) 度 自動(dòng)得 到滿 足 。( 2 )對(duì) 于夾套 平焊 法蘭 ① 一端 與夾套 相 連接 時(shí) 當(dāng) 內(nèi)筒 側(cè)與 夾套 側(cè)壓力 同號(hào) ( + 、 +) ( 一 、 一 )時(shí) ， 剪切 載荷 為兩 側(cè) 載荷相 抵 ；當(dāng)內(nèi)筒側(cè) 與夾 套側(cè) 壓力 異號(hào) ( + 、 一 ) ( 一、 +)時(shí)