偏心輪式快速夾緊法蘭的設計研究

張良，張延，徐程，陸自強，李蘇慧，葛順鵬

（蘇州市職業大學機電工程學院，江蘇蘇州 215104）

0 引言

21世紀，海洋運輸是人類最重要的一種運輸方式，在陸地天然氣、石油等礦產資源產量匱乏的情況下，開拓新的礦產資源己經勢在必行。隨著全球對能源需求量的不斷增加及船舶運輸技術的發展，管道運輸己廣泛應用于各種碼頭。而管道連接是一項施工操作復雜的技術，法蘭結構是連接相鄰管道的重要部分，目前在法蘭接頭的設計中，通常采用ASME規范，但普通螺栓連接法蘭結構的弊端日益凸顯，因此近40多年來，國內外對法蘭的結構的研究持續不斷。其中尤以歐洲標準化委員會（CNE）以及美國壓力研究委員（PVRC）對法蘭結構參數設計及試驗方法提供了可行性思路。目前由于船舶在停靠過程中時間短、管道長且不便于單人操作，同時管路與船舶儲存器的接口處密封效果差極易引起泄漏等嚴重問題，這給船舶工作人員操作實施帶來困擾。為實現廢液、污水排放環節達到少泄漏甚至零泄漏、安裝效率高、裝配時間短且安全可靠，研究一種簡單安全、密封性優良的夾緊法蘭結構，可以提高我國在管道運輸領域的技術水平，降低運輸成本[1]。夾緊法蘭的設計大大提高污水管路與船舶儲存器的裝拆效率，本文著重介紹新型夾緊法蘭結構的密封性分析、螺栓連接必要的力學性能的校核。該結構除具有方便、靈活及準確可靠的定位裝置外，還能夠實現迅速夾緊的功能[2]。

1 偏心輪式快速夾緊法蘭的整體設計

本設計利用偏心輪機構的偏心特性實現機構的松弛與夾緊的功能，偏心輪機構帶動滑動軸移動，進而實現法蘭機構的夾緊與松弛[3]。夾緊法蘭由上下兩半組合而成，由2個定位銷保證同軸度。螺栓組連接固定偏心手柄。當滑動軸插入滑動軸孔時，扳動偏心手柄即可實現快速夾緊與松弛，達到減少泄漏的目的。偏心輪式快速夾緊法蘭的整體裝配如圖1所示。

圖1 整體設計圖

2 偏心輪式快速夾緊法蘭的密封性分析

螺栓法蘭連接是一種可拆卸的構件，因此廣泛應用于管路系統和承壓設備。螺栓法蘭連接的可靠性意味著法蘭連接在各種工況下具有足夠的強度、硬度及緊密性等力學性能。目前法蘭設計一般根據ASME推薦的方法，ASME方法的原理為核算控制法蘭應力水平，墊片參數可以確保螺栓裝配載荷，可通過繪制緊密性參數（lg TP）對墊片應力（lg Sg）關系曲線而獲得。緊密性Tp是對墊片試驗結果進行整理的參數，Tp表示緊密性的度量，Tp與內壓成正比，與泄漏率的平方根成反比，即

式中：P為內壓，MPa；P*為參照內壓，0.101 MPa；L為質量泄漏率，mg/s；L*為單位泄漏率，150 mm外徑墊片為1 mg/s。

為了達到密封墊片所需要的墊片應力[4]，在考慮內壓、外載荷及裝配方法后，可利用墊片參數Gb、Gs和a，確定密封墊片的裝配載荷，在本設計中初選以石棉填料的纏繞工程用法蘭墊片，其密封墊片常數Gb=23.4 MPa，a=0.3，Gs=0.048 MPa，墊片外直徑G0=150 mm，內部介質壓p=2.1 MPa，本設計法蘭連接的緊密性等級為標準級，其泄漏率為0.002 mg/（s·mm），根據墊片外徑及緊密性等級可計算密封墊片的最小泄漏率為

由式（1）代入數據可計算出最小緊密性參數：

引入安全系數K=1.5，代入數據計算得TPa=1.5TPmin=55.67。

計算指數Tr：

式中：TPa為預緊應力SA所對應的緊密性參數，MPa；TPmin為法蘭連接操作時最小緊密性參數。

利用Gb和a可以將預緊階段的墊片應力與緊密性參數之間的定量關系寫成如下的表達式：

根據設計規范，代入數據求得SA=77.51 MPa。

根據墊片設計公式得：

引入泄漏經驗系數K1，則墊片最小應力Sm1需滿足：

引入組裝效率系數e，提高預緊墊片Sya值，對于手工預緊的工況e通常取0.75，則

將式（8）代入公式化簡得

K1值與現場泄漏情況有關，取K1=1，P為液體內部壓力，因此計算得Sm1>2p。

由式（9）代入式（6）和式（7）化簡計算得

式中：p為介質壓力，MPa；G0為墊片外直徑，mm；e為組裝效率系數；K1為現場泄漏系數；a為指數，由試驗確定，一般取0.3。

由式（10）和式（11）可以看出，Sm2>Sm1，故取Sm=Sm2=96.36 MPa，則密封圈墊片的最佳預緊力為

因此本設計的密封圈墊片可實現較為理想的密封性，符合基本管道運輸的要求，可保證法蘭連接所要求的緊密性等級，故在本設計中利用PVRC墊片常數設計法蘭。

3 螺栓組設計

螺栓是機構連接的重要部分，螺栓組設計時，首先應確定螺栓數目及螺栓的布置形式，進而確定其尺寸和結構。在法蘭結構設計中，上法蘭盤片與螺栓墊片采用螺栓連接，由于法蘭片是重要部分，因此在設計時，除了在工藝上保證螺栓墊片平整外，結構上也要盡量保證載荷均勻[5-6]。因此本設計中法蘭墊片與螺栓墊片連接時的螺栓連接采用對稱均布設置，螺栓布置結構如圖2所示。

圖2 螺栓結構布置圖

本設計中，若法蘭結構水平布置，則螺栓組連類型為受傾覆力矩連接。工作時法蘭結構螺栓組受力圖如圖3所示。

圖3 螺栓受力圖

傾覆力矩M作用在螺栓墊片水平軸上，在法蘭墊片受傾覆力矩前，螺栓組受預緊力F0，各螺栓在F0作用下有均勻壓縮[7]。當法蘭結構水平放置時，螺栓組連接下底面受傾覆力矩后，其可繞O-O軸線傾轉，倘若接合面仍能夠保持為平面，則軸線O-O左側螺栓被拉伸，上部螺栓被放松，底部螺栓被壓縮。受傾覆力矩的螺栓組連接的受力如圖4所示。

圖4 螺栓受力圖

法蘭結構工作時，在總載荷Fm的作用下螺栓組受以下力及傾覆力矩的作用。

橫向力為Fm的水平分力Fm1：

軸向力為Fm的垂直分力Fm2：

傾覆力矩為

在軸向力F∑V的作用下，各螺栓所受的工作拉力為

在傾覆力矩M的作用下，上部單個螺栓受到拉伸，下部兩螺栓受到壓縮，將上部單個螺栓所受載荷代入數據計算得

式中：z為螺栓總個數；M為傾覆力矩；Lmax為Li中最大的值，mm；Li為螺栓軸線到O-O距離，mm。

故上部單個螺栓所受工作載荷為

根據接合面不產生滑移的條件，在橫向力Fm1的作用下，則

式中：Cb為連接件剛度系數；f為接合面防滑系數，由機械手冊查得；Ks為防滑系數，取Ks=1.2；Cm為被連接件剛度系數。

由式（18）和式（20）得每個螺栓所受的總拉力為

為防止螺栓墊片與法蘭接合面受壓最大處被壓碎、受壓最小處出現間隙，應校核受載后的接合面極限壓力允許值，為防止螺栓墊片底部與法蘭接合面壓碎[8]，底部接合面的擠壓應力應不超過許用值；同時螺栓墊片上部與法蘭接合面應保持殘余預緊力，防止螺栓墊片與法蘭面產生間隙，即σpmin＞0，則

式中：A為接合面有效面積；W為接合面有效抗彎截面系數；［σp］為接合面許用擠壓應力；σpmin為接合面上間隙時擠壓應力的最小值；σpmax為接合面上擠壓應力的最大值。

由式（22）代入數據計算得σpmax=0.813 MPa，σpmin=0.33 MPa，由表1查得［σp］=0.5σB，計算得［σp］=125 MPa＞＞0.813 MPa，因此螺栓墊片底部與法蘭接合面不會被壓碎；同理代入數據化簡計算得σpmin≈0.43 MPa＞0，故螺栓墊片與法蘭接合面上端受壓最小處不會產生間隙。

通常規定，螺栓擰緊后預緊應力不應超過屈服極限σs的80%。對于螺栓連接的預緊力F0，可由下式校核螺栓：

4 結語

在偏心輪式快速夾緊法蘭的設計研究中，對夾緊法蘭進行了密封性分析，利用PVRC墊片常數設計法蘭，實現較為理想的密封。密封性與螺栓連接有著直接關系，故本設計中確定了螺栓數目及螺栓的布置形式，進而確定其尺寸和結構，在本設計中通過對螺栓的受力分析，對螺栓進行必要的力學性能校核，符合預期要求。對偏心輪式快速夾緊法蘭進行裝配，設計整體效果圖，可以實現快速松弛和夾緊作用，快捷方便，達到減少泄漏的目的。