3.4 閥體法蘭設計

3.4.1 法蘭螺栓設計

（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組數據適用于圖（b）所示的焊制法蘭結構。

螺栓最大間距不宜超過的計算值：

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

預緊狀態下需要的最小螺栓載荷計算如下：

操作狀態下需要的最小螺栓載荷計算如下：

式中 F—內壓引起的總軸向力，計算如下：

注：對于類似U形管式換熱器管板兩側成對法蘭的設計中，由于兩側的壓力及所用墊片可能不同，因此在螺栓的設計中應兼顧兩側的條件，要求以最大的螺栓載荷進行設計，且對法蘭設計力矩應以此為基礎進行計算。

（3）螺栓面積

預緊狀態下需要的最小螺栓面積計算如下：

　　（3-33）

式中 [σb]—常溫下螺栓材料的許用應力，240MPa；

根據式（3-33）可得

操作狀態下最小螺栓面積計算如下：

　　（3-34）

式中 —設計溫度下螺栓材料的許用應力，MPa，取137MPa；

根據式（3-34）可得：

注：需要的螺栓面積Am取Aa與AP之最大值，Am=3287mm2。

實際螺栓面積Ab應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算，取小值。

（4）螺栓設計載荷

預緊狀態螺栓設計載荷按式（3-35）計算：

　　（3-35）

根據式（3-35）可得：

操作狀態螺栓設計載荷計算如下：

（5）操作情況

由于流體靜壓力所產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 —設計壓力，4.6MPa；

Q —球體與閥座密封圈之間的密封力，N，Q=6380N。

由閥體內部尺寸可知：

將各項數據代入可得：WP=114869.9N。

（6）預緊螺栓情況

在安裝時須將螺栓擰緊而產生初始載荷，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緊力。在預緊螺栓時，螺栓承受的載荷為WA。

　　（3-37）

式中 WA —在預緊螺栓時所需的最小螺栓轉矩，N·mm；

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

Q1 —球體與密封圈之間的預緊力，Q1=226.49N。

3.4.2 法蘭螺栓拉應力的計算

法蘭螺栓的應力按式（3-38）計算求得：

　　（3-38）

式中 σL —法蘭螺栓拉應力，MPa；

W —WP和WA兩者中的大者，N；

A —螺栓承受應力下實際最小總截面積，mm2；

[σL] —螺栓材料在-162℃下的許用拉應力，MPa。

查表得[σL]=137MPa；則A=7549mm2。

3.4.3 法蘭力矩計算

在計算法蘭應力時，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生力矩的載荷的相對位置。

作用于法蘭的總力矩Mo為：

　　（3-39）

式中 FD —作用在法蘭內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 —法蘭的內直徑，mm。

由所設計的球閥閥體可知，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 法蘭應力計算

（1）法蘭的軸線應力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，f =1；

λ —系數，查表取2.5。

（2）法蘭盤的徑向應力δR

（3）法蘭盤切向應力δT

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

3.4.5 法蘭的許用應力和強度校核

上述三個應力應滿足：

　　（3-48）

　　（3-49）

　　（3-50）

由閥體法蘭材料為奧氏體不銹鋼，可查得：

經校核，說明應力方面符合要求。

3.4.6 球體的設計和校核

由設計可知，球體的半徑是250mm。

球體作為球閥控制的直接動作零件，必須對其進行設計與校核。球體的主要結構特征是球體與閥桿的連接結構，其必須滿足所傳遞的最大轉矩同時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，計算時可近似地采用擠壓長度LZY=0.3amm，而作用力矩的臂長K=0.8amm，則擠壓力σZY(MPa)按式（3-51）計算：

　　（3-51）

式中 Mm —球體與閥座密封面之間的摩擦轉矩，N·mm；

h —閥桿頭部插入球體的深度，h=40mm；

a —閥桿頭部的邊長，a=100mm；

[σZY] —球體許用擠壓應力，[σZY]=122MPa。

故球體強度滿足要求。