壓力容器快開式法蘭設計探討

隨著我國石油化工行業的發展，石油化工產品及化工裝置的多樣化，我們在日常設計工作中，有時會碰到一些有特殊要求及結構形式的設備，橡膠硫化罐就是這樣一種需要經常較快地開啟的壓力容器，故在結構上常采用牙齒咬合緊固結構形式的快開式法蘭。這種結構是靠法蘭齒相互咬合使缸蓋與簡體連接，在操作工況下，由于咬合緊固的牙齒之間有較大的接觸應力，因此需要法蘭尺寸較大，以保證其結構有足夠的剛度和強度，但是，如果法蘭尺寸過大，不僅耗費鋼材，增加成本，還會導致相反的結果。因為罐體受內壓時，法蘭將向內扣緊，使端蓋和簡體變形協調，如果法蘭過剛，而和其連接的端蓋和簡體相應部分較柔軟，變形時，勢必在這些部位產生較大的轉角，造成形狀突變而產生較大的應力，因此，設計時，合理地確定各參數的尺寸和準確的計算，對保證設備安全可靠，降低設備成本是極為重要的。下面結合廣東省石油化工設計院設計的橡膠硫化罐，對此進行設計分析。
1  快開法蘭設計
1.1受力分析

    圖1  硫化罐法蘭剖面圖

    圖2簡體法蘭受內壓時受力簡圖

    圖3端蓋法蘭受內壓時受力簡圖
    圖1所示為內徑為1500mm的硫化罐法蘭剖面圖，該配對法蘭分別連接硫化罐的橢圓形端蓋和圓柱形簡體，法蘭材料選用20號鍛鋼，設計內壓為0.8MPa，設計溫度為175℃，圖2和圖3分別為簡體法蘭和端蓋法蘭受內壓時的受力簡圖。
    圖中：PC為設計壓力；
    F為內壓引起的總軸向力；
    M為截面處彎矩；
    Fa為預緊狀態下的密封軸向力。
    FN，FX分別為接觸力的軸向和徑向分力。從上面分析可以看出：簡體法蘭的a-a環向截面受彎曲應力和拉應力的作用，b-b環向截面受彎曲應力和剪應力的作用，設計計算時，必須對a-a和b-b環向截面分別進行應力校核。端蓋法蘭的c-c環向截面受彎曲應力和剪應力的作用，d-d環向截面受彎曲應力和拉應力的作用，設計計算時，必須對c-c和d-d環向截面分別進行應力校核。
1.2設計計算

    圖4端蓋法蘭的結構尺寸

    圖5  簡體法蘭的結構尺寸
    設計時，先確定端蓋法蘭和簡體法蘭的結構尺寸，然后分別對作用于簡體法蘭a-a環向截面的當量應力和b-b環向截面的當量應力進行強度校核。由校核結果，調整其不合理的結構尺寸，然后再計算，直至各部分應力水平和相互尺寸都比較合理為止。
2結束語
    由以上計算結果知道，法蘭各截面所受到的當量應力與許用應力已經比較接近，故本設計各結構尺寸是合理的。