3.4 閥體法蘭設(shè)計(jì)

3.4.1 法蘭螺栓設(shè)計(jì)

（1）螺栓的布置

法蘭徑向尺寸LA、LC及螺栓間距的最小值按表3-2選取。

2．表中B組數(shù)據(jù)適用于圖（b）所示的焊制法蘭結(jié)構(gòu)。

螺栓最大間距不宜超過的計(jì)算值：

式中 —螺栓最大間距，mm；

db —螺栓公稱直徑，mm。

的最小值見表3-2。

（2）螺栓的載荷

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷計(jì)算如下：

操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷計(jì)算如下：

式中 F—內(nèi)壓引起的總軸向力，計(jì)算如下：

注：對(duì)于類似U形管式換熱器管板兩側(cè)成對(duì)法蘭的設(shè)計(jì)中，由于兩側(cè)的壓力及所用墊片可能不同，因此在螺栓的設(shè)計(jì)中應(yīng)兼顧兩側(cè)的條件，要求以最大的螺栓載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，且對(duì)法蘭設(shè)計(jì)力矩應(yīng)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

（3）螺栓面積

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積計(jì)算如下：

　　（3-33）

式中 [σb]—常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力，240MPa；

根據(jù)式（3-33）可得

操作狀態(tài)下最小螺栓面積計(jì)算如下：

　　（3-34）

式中 —設(shè)計(jì)溫度下螺栓材料的許用應(yīng)力，MPa，取137MPa；

根據(jù)式（3-34）可得：

注：需要的螺栓面積Am取Aa與AP之最大值，Am=3287mm2。

實(shí)際螺栓面積Ab應(yīng)不小于需要的螺栓面積Am。

最小螺栓截面積以螺紋小徑及無螺紋部分的最小直徑分別計(jì)算，取小值。

（4）螺栓設(shè)計(jì)載荷

預(yù)緊狀態(tài)螺栓設(shè)計(jì)載荷按式（3-35）計(jì)算：

　　（3-35）

根據(jù)式（3-35）可得：

操作狀態(tài)螺栓設(shè)計(jì)載荷計(jì)算如下：

（5）操作情況

由于流體靜壓力所產(chǎn)生的軸向力促使法蘭分開，而法蘭螺栓必須克服此種端面載荷，并且在墊片或接觸面上必須維持足夠的密緊力，以保證密封。此外，螺栓還承受球體與閥座密封圈之間的密封力作用。在操作情況下，螺栓承受的載荷為WP：

　　（3-36）

式中 WP —在操作情況下所需的最小螺栓轉(zhuǎn)矩，N·mm；

F —總的流體靜壓力，N，；

FP —連接接觸面上總的壓緊載荷，N，；

DG —載荷作用位置處墊片的直徑，mm；

m —墊片有效密封寬度，查表可知；

p —設(shè)計(jì)壓力，4.6MPa；

Q —球體與閥座密封圈之間的密封力，N，Q=6380N。

由閥體內(nèi)部尺寸可知：

將各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入可得：WP=114869.9N。

（6）預(yù)緊螺栓情況

在安裝時(shí)須將螺栓擰緊而產(chǎn)生初始載荷，使法蘭面壓緊墊片，此外，螺栓還承受球體與密封圈之間的預(yù)緊力。在預(yù)緊螺栓時(shí)，螺栓承受的載荷為WA。

　　（3-37）

式中 WA —在預(yù)緊螺栓時(shí)所需的最小螺栓轉(zhuǎn)矩，N·mm；

Y —墊片或法蘭接觸面上的單位壓緊載荷，MPa，上網(wǎng)查資料得Y=15MPa；上網(wǎng)查閱資料可得聚四氟乙烯取其許用應(yīng)力為8.7MPa；

Q1 —球體與密封圈之間的預(yù)緊力，Q1=226.49N。

3.4.2 法蘭螺栓拉應(yīng)力的計(jì)算

法蘭螺栓的應(yīng)力按式（3-38）計(jì)算求得：

　　（3-38）

式中 σL —法蘭螺栓拉應(yīng)力，MPa；

W —WP和WA兩者中的大者，N；

A —螺栓承受應(yīng)力下實(shí)際最小總截面積，mm2；

[σL] —螺栓材料在-162℃下的許用拉應(yīng)力，MPa。

查表得[σL]=137MPa；則A=7549mm2。

3.4.3 法蘭力矩計(jì)算

在計(jì)算法蘭應(yīng)力時(shí)，作用在法蘭上的力矩是載荷和它力臂的乘積，力臂決定與螺栓孔中心圓和產(chǎn)生力矩的載荷的相對(duì)位置。

作用于法蘭的總力矩Mo為：

　　（3-39）

式中 FD —作用在法蘭內(nèi)直徑面積上的流體靜壓軸向力，N；

　　（3-40）

FT —總的流體靜壓軸向力與作用在法蘭內(nèi)直徑面積上的流體靜壓軸向力之差，N；

　　（3-41）

FG —用于窄面法蘭的墊面載荷，；

SD —從螺栓孔中心圓至力F作用位置處的徑向距離，mm；

　　（3-42）

S —從螺栓孔中心圓至法蘭頸部與法蘭背部交點(diǎn)的徑向距離，mm；

　　（3-43）

δ1 —法蘭頸部大端有效厚度，mm；

ST —從螺栓孔中心至力FT作用位置處的徑向距離，mm；

　　（3-44）

SG —從螺栓孔中心至力FG作用位置處的徑向距離，mm；

　　（3-45）

DG —墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm；

Db —法蘭螺栓孔中心圓直徑，mm；

Di —法蘭的內(nèi)直徑，mm。

由所設(shè)計(jì)的球閥閥體可知，Di =150mm，DG =164.6mm，Db =200mm，δ1=10mm，δf =18mm，SG=16mm，S=20mm。則法蘭總力矩Mo為：

　　（3-46）

3.4.4 法蘭應(yīng)力計(jì)算

（1）法蘭的軸線應(yīng)力δM

　　（3-47）

式中 M0 —作用于法蘭的總力矩，；

f —整體式法蘭頸部校正系數(shù)，f =1；

λ —系數(shù)，查表取2.5。

（2）法蘭盤的徑向應(yīng)力δR

（3）法蘭盤切向應(yīng)力δT

式中，Y、Z系數(shù)查表可知Y=4.64，Z=6.03，則δT=64.94MPa。

3.4.5 法蘭的許用應(yīng)力和強(qiáng)度校核

上述三個(gè)應(yīng)力應(yīng)滿足：

　　（3-48）

　　（3-49）

　　（3-50）

由閥體法蘭材料為奧氏體不銹鋼，可查得：

經(jīng)校核，說明應(yīng)力方面符合要求。

3.4.6 球體的設(shè)計(jì)和校核

由設(shè)計(jì)可知，球體的半徑是250mm。

球體作為球閥控制的直接動(dòng)作零件，必須對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核。球體的主要結(jié)構(gòu)特征是球體與閥桿的連接結(jié)構(gòu)，其必須滿足所傳遞的最大轉(zhuǎn)矩同時(shí)保證有足夠的靈活性，后者是保證工作性能的必要條件。

由于閥桿與球體的接觸部分是間隙配合，因此，在接觸面上的壓力分布是不均勻的，如圖3-4所示。由分析可知，計(jì)算時(shí)可近似地采用擠壓長(zhǎng)度LZY=0.3amm，而作用力矩的臂長(zhǎng)K=0.8amm，則擠壓力σZY(MPa)按式（3-51）計(jì)算：

　　（3-51）

式中 Mm —球體與閥座密封面之間的摩擦轉(zhuǎn)矩，N·mm；

h —閥桿頭部插入球體的深度，h=40mm；

a —閥桿頭部的邊長(zhǎng)，a=100mm；

[σZY] —球體許用擠壓應(yīng)力，[σZY]=122MPa。

故球體強(qiáng)度滿足要求。