压力容器快开式法兰设计探讨

随着我国石油化工行业的发展，石油化工产品及化工装置的多样化，我们在日常设计工作中，有时会碰到一些有特殊要求及结构形式的设备，橡胶硫化罐就是这样一种需要经常较快地开启的压力容器，故在结构上常采用牙齿咬合紧固结构形式的快开式法兰。这种结构是靠法兰齿相互咬合使缸盖与简体连接，在操作工况下，由于咬合紧固的牙齿之间有较大的接触应力，因此需要法兰尺寸较大，以保证其结构有足够的刚度和强度，但是，如果法兰尺寸过大，不仅耗费钢材，增加成本，还会导致相反的结果。因为罐体受内压时，法兰将向内扣紧，使端盖和简体变形协调，如果法兰过刚，而和其连接的端盖和简体相应部分较柔软，变形时，势必在这些部位产生较大的转角，造成形状突变而产生较大的应力，因此，设计时，合理地确定各参数的尺寸和准确的计算，对保证设备安全可靠，降低设备成本是极为重要的。下面结合广东省石油化工设计院设计的橡胶硫化罐，对此进行设计分析。
1  快开法兰设计
1.1受力分析

    图1  硫化罐法兰剖面图

    图2简体法兰受内压时受力简图

    图3端盖法兰受内压时受力简图
    图1所示为内径为1500mm的硫化罐法兰剖面图，该配对法兰分别连接硫化罐的椭圆形端盖和圆柱形简体，法兰材料选用20号锻钢，设计内压为0.8MPa，设计温度为175℃，图2和图3分别为简体法兰和端盖法兰受内压时的受力简图。
    图中：PC为设计压力；
    F为内压引起的总轴向力；
    M为截面处弯矩；
    Fa为预紧状态下的密封轴向力。
    FN，FX分别为接触力的轴向和径向分力。从上面分析可以看出：简体法兰的a-a环向截面受弯曲应力和拉应力的作用，b-b环向截面受弯曲应力和剪应力的作用，设计计算时，必须对a-a和b-b环向截面分别进行应力校核。端盖法兰的c-c环向截面受弯曲应力和剪应力的作用，d-d环向截面受弯曲应力和拉应力的作用，设计计算时，必须对c-c和d-d环向截面分别进行应力校核。
1.2设计计算

    图4端盖法兰的结构尺寸

    图5  简体法兰的结构尺寸
    设计时，先确定端盖法兰和简体法兰的结构尺寸，然后分别对作用于简体法兰a-a环向截面的当量应力和b-b环向截面的当量应力进行强度校核。由校核结果，调整其不合理的结构尺寸，然后再计算，直至各部分应力水平和相互尺寸都比较合理为止。
2结束语
    由以上计算结果知道，法兰各截面所受到的当量应力与许用应力已经比较接近，故本设计各结构尺寸是合理的。