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法兰强度尺寸对法兰应力的影响
摘要：通过对法兰的实例分析，调整法兰结构尺寸，并得出相关结论。
关键词：强度校核法兰
1引言
法兰的失效形式主要表现为泄露，从设计的角度来说，把螺栓法兰连接作为
一个系统来考虑，并且把“泄露”作为设计准则，应该是合理的，但多年来的设
计研究表明，由于垫片性能异常复杂，在控制尽可能小的垫片载荷以及小的螺栓
中心圆直径的基础上，重点从强度角度出发，以控制法兰中的应力值作为设计依
据是较为合理的。
2法兰强度校核准则
法兰的设计方法最有代表性的是华脱斯(Waters)法，由于华脱斯法将的控
制值取为1.5，锥颈可产生较大变形，为确保法兰环不因锥颈变形而影响密封
性，为此对和做了补充控制条件：；;组合应力
;组合应力。式中:法兰颈部轴向应力，:法兰
环的径向应力，:法兰环的切向应力，：设计温度下法兰材料的许用应力。
3案例说明
某化工厂的一台DN600固定管板式热交换器的设计压力为0.35Mpa，设计温
度为200℃，腐蚀裕量为3mm，选用的容器法兰材质为20锻，设计温度下许用应
力=124Mpa，垫片选用内填石棉缠绕式不锈钢垫片，螺栓材质35CrMoA，规格为
M24，当选用如图1所示的结构尺寸时，其应力校核结果为=626.21Mpa＞1.5
=186Mpa不合格；=855.04Mpa＞=124Mpa不合格；=156.1Mpa＞
=124Mpa不合格；=740.62Mpa＞=124Mpa不合格；=391.16Mpa＞
=124Mpa不合格。
4强度理论分析
由于作用在法兰上的法兰力矩是由锥颈和法兰环共同联合来承担的，他们的
承载比例与旋转刚度有关，构件尺寸越大，旋转刚度越大，在外力矩下越不容易
发生偏转，承载比例越多。由于锥颈小端厚度一般取对接筒体厚度，因此改变锥
颈大端厚度及法兰环厚度是调整应力值的主要手段。
锥颈大端厚度对法兰应力的影响：
假设法兰环的尺寸不发生变化，增大锥颈大端厚度，则其旋转刚度增大，
承载增大，具体讲就是锥颈作用于法兰环的内力矩和横剪力增大，由于和
增大，即使法兰内缘上加大了支持，从而使法兰环在法兰力矩作用下的偏转减
小，由于法兰环的切向应力与法兰环的偏转角直接相关，偏转减小则切就减
小，对此可用图2来描述。
由于法兰环的径向应力=，式中↑，↑，而不变，所以↑，
随锥颈大端厚度的变化情形可用图2来描述。
由于法兰颈部轴向应力=，式中↑会导致↑，但锥颈的抗弯模量与
成二次方增大，因此↓↓，随的变化情形可用图2来描述。
法兰环尺寸对法兰应力的影响：
假设锥颈的尺寸不发生变化，增大法兰环厚度，则其旋转刚度增大，此时
法兰环本身的偏转可减小，偏转减小则切向应力似乎也应减小，然而由于法兰
环的旋转刚度增大的同时，法兰环本身的承载增大，根据承载分配原则，此时锥
颈的承载将减小，具体讲就是锥颈作用于法兰环的内力矩和横剪力减小，由
于和减小，即使法兰内缘上减小了支持，从而使法兰环在法兰力矩作用下的
偏转增大，导致增大，只有当法兰厚度增加到相当厚度后，即法兰旋转刚度远
大于锥颈旋转刚度时，法兰力矩主要已由法兰环本身所承受，在此基础上增大法
兰环厚度则总是随之下降。对此可用图3来描述。
由于法兰环的径向应力=，式中↓，↓，且↑，所以↓↓，
随法兰厚度的变化情形可用图3来描述。
由于法兰颈部轴向应力=，式中↓，而不变，所以↓
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