中法兰连接螺栓或螺纹连接的计算方法与规范解析

阀体中法兰是指阀体与阀盖或阀体与阀体连接的法兰，它适用于各种不同的介质、压力和温度，这样的连接形式在阀门是十分普遍的。法兰连接由三个零件组成，即法兰、垫片和螺栓（螺柱），这些零件的物理力学性能对法兰连接有很大的影响。在采用法兰连接阀门的工作条件中，介质的压力和温度的变化对中法兰的设计有很大的影响，中法兰的设计必须保证阀门在工作温度和工作压力下有足够的强度和密封性。法兰连接的密封性是用拧紧螺栓连接的螺母来保证的，计算时应确保的条件为：在阀门承受工作压力和工作温度时，按作用力求得的螺栓的总有效面积不得低于规定值。

1.标准要求的计算式

（1）螺栓或螺纹连接的阀体和阀盖组件

1）螺栓连接的阀体和阀盖组件。是不直接承受管道负荷的组件，螺栓连接的螺纹应符合GB/T 193—2003的规定；螺纹的公差与配合应符合GB/T 197—2003的规定，连接螺栓应满足GB/T 12224—2005《钢制阀门 一般要求》中总横截面积的要求：

或

式中 K——系数，按表4-11选取；

PN——设计阀门的公称压力数值；

A_g——由垫片或其他密封件的有效周边所限定的面积（mm²）；

A_b——螺栓总抗拉应力的有效面积（mm²）；

S_a——螺栓在38℃时的许用应力（MPa），（当S_a≥138MPa时，使用138MPa）。

CLass——数值直接代入。

表4-11 系数K值

2）螺纹连接的阀体和阀盖组件。不直接承受管道负荷的组件，螺纹的剪切面积至少满足下式要求：

或

式中 A_s——螺纹总抗剪应力有效面积（mm²）。

（2）螺栓或螺纹连接的阀体组件 是承受管道负荷的，由于管道系统的温度变化，压力波动等原因产生的机械力都要作用到阀门上，设计中要充分考虑这些因素。

1）螺栓连接阀体组件。连接螺栓的总横截面积应满足下式要求：

或

2）螺纹连接阀体组件。螺纹的剪切面积应满足下式要求：

或

2.强度理论的计算式

按强度理论要求，中法兰连接的计算分为三部分。确定为保证连接的密封性、压紧垫片所需的力；确定螺栓的尺寸和数量；确定法兰尺寸。

法兰连接的压紧力不能保持固定不变，由于垫片和螺栓上的应力松弛，其拉力随着时间在变化，不论在法兰连接螺栓拧紧后不久的最初工作阶段，还是在受热后，垫片上的应力都产生松弛。用无石棉垫片的法兰连接，其压紧力经过24h即减少30%，对此，通常是用重复拧紧的办法来消除压紧力的降低。

螺栓和双头螺柱在使用过程中，在高温时应力会降低，即产生松弛，对垫片的比压也会降低，可能引起介质的泄漏。

因此，对在高温下工作的阀门，应对高温工况进行验算。当介质工作温度≤300℃时，只按常温工况验算。

（1）压紧垫片所需力的计算

1）垫片有效密封宽度。选定垫片尺寸后，按表4-12确定垫片接触面的宽度N和垫片基本密封宽度b₀，然后按以下规定计算垫片有效密封宽度b：

当b₀≤6.4mm时，b=b0

当b₀＞6.4mm时，

表4-12 垫片基本密封宽度

（续）

① 当锯齿深度不超过0.4mm，齿距不超过0.8mm时，应采用1a或1b的压紧面形状。

2）垫片特性参数。各种常用垫片的特性参数（m、y）按表4-13选取。

表4-13 垫片的特性参数

（续）

① 垫片表面的折叠处不应放在法兰的密封面上。

3）垫片压紧力作用中心圆直径，如图4-5所示。

对图4-6a所示的松套法兰，垫片压紧力作用中心圆直径D_G即是法兰与翻边接触面的平均直径。

对于其他形式的法兰，则按下述规定计算：

当b₀≤6.4mm时，D_G等于垫片接触面平均直径；(www.xing528.com)

当b₀＞6.4mm时，D_G等于垫片接触面外径减去2b。

图4-5 垫片载荷反作用位置

图4-6 法兰形式

a）搭接法兰 b）搭接法兰 c）插接法兰 d）角焊插接法兰 e）外角焊插接法兰 f）整体法兰 g）管焊整体法兰 h）管焊整体法兰 i）管焊整体法兰 j）接管壁当作法兰颈整体法兰 k）平焊法兰 l）任意式法兰m）与管焊接的任意式法兰 n）与管角焊的任意式法兰 o）内外角焊式任意式法兰

4）垫片压紧力

① 预紧状态下需要的垫片最小压紧力按下式计算：

② 操作状态下需要的垫片最小压紧力按下式计算：

式中 F_G——预紧状态下需要垫片最小压紧力（N）；

F_p——操作状态下需要垫片最小压紧力（N）；

D_G——垫片压紧力作用中心圆直径，如图4-5所示（mm）；

b——垫片有效密封宽度（mm）；

y——垫片比压力，见表4-13（MPa）；

m——垫片系数，见表4-13；

p——设计内压力（MPa）。

5）垫片宽度校核。垫片在预紧状态下受到最大螺栓载荷的作用，可能因压紧过度而失去密封性能。垫片必须有足够的宽度N_min，其值按下式计算：

式中 A_b——实际使用的螺栓总截面积（mm²）；

[σ_b]——常温下螺栓材料的许用应力，见表4-9；

N——垫片接触面的宽度（mm）。

（2）螺栓载荷

1）计算上所需的螺栓载荷。用于计算螺栓所需的总有效截面积使用的螺栓载荷按以下规定：

①预紧状态下需要的最小螺栓载荷按下式计算：

式中 L_a——预紧状态下需要的最小螺栓载荷（N）。

② 操作状态下需要的最小螺栓载荷按下式计算：

式中 L_p——操作状态下需要的最小螺栓载荷（N）；

F——介质静压总轴向力（N），；

F_p——操作状态下需要的垫片最小压紧力（N）。

③ 自紧式垫片所需的螺栓载荷：

L_a=0

式中 D₀——垫片外径（mm）。

2）需要的和实际的螺栓总截面积A_m和A_b。

① 需要的螺栓总截面积A_m应为以下在预紧状态下和操作状态下需要的螺栓总截面积A_a和A_p中的较大值：

式中 [σ_b]^t——设计温度下螺栓材料的许用应力（MPa），见表4-9。

②实际的螺栓总截面积A_b应不小于需要的螺栓总截面积A_m。

3）法兰设计螺栓载荷L

① 预紧状态下法兰设计螺栓载荷按下式计算：

式中 A_m——需要的螺栓总截面积，取A_a和A_p中的较大值（mm²）。

② 操作状态下法兰设计螺栓载荷按下式计算：

L=L_p