螺栓连接加筋平盖的优化设计探讨

沈 乐

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

化工设计

螺栓连接加筋平盖的优化设计探讨

沈 乐

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

对某台设备的螺栓连接平盖的在充氮保护工况下密封失效的问题进行分析，将其平盖进行优化为加筋平盖，以螺栓连接加筋平盖为讨论对象，在参考标准中和其它已投入的类似结构的基础上，从强度以及刚度两方面进行分析，对平盖以及加强筋的形式和尺寸进行优化设计，最终取得了较好的效果。

加筋平盖; 螺栓连接 ; 优化设计

平盖是压力容器中常用的一种封头形式。目前平盖厚度一般是根据标准[1]中的厚度公式进行计算得出的。经过前人的实验分析，结果证明按此公式计算出的平盖厚度具有很大的保守性[2]。在某些特定的工况下(如水压试验、充氮保护)，平盖存在以下特殊性：(1)平盖仅是短时间承载，无疲劳、蠕变等问题；(2)操作温度一般为常温，工作条件优越；(3)操作过程中为稳步加压后保压，无冲击、震荡载荷，工况稳定；(4)操作工况下平盖只要求保证密封不泄露，而允许出现局部塑性变形[3]。因此，当结果或者设备直径较大的时候，按标准[1]计算出的平盖厚度就显得保守且不经济，所以此时采用加强筋加固平盖不失为一个有效的办法。

1 问题分析

本公司设计某台的压力容器，出厂时要求进行充氮保护，充氮保护工况设计参数见表1，制造厂采用18mm的Q245R钢板制作密封平盖，在充氮后发现该法兰处发生泄露，无法保压。

表1 设计参数

经分析，发现导致该管口密封失效的因素由以下几点：

1.1 平盖刚度不足

在充氮保护工况下，根据标准[1]中的公式进行计算，满足设计条件的平盖厚度约为34mm，显然制造厂采用的18mm平盖不满足该工况下所需的强度及刚度。

平盖刚度不足会导致平盖在内压作用下产生过大的翘曲变形，从而无法将螺栓预紧力均匀地传递给垫片导致密封性能下降或失效。由于平盖产生过大变形导致密封失效往往发生在平盖强度破坏之前，因此平盖的刚度不足是导致密封失效的主要问题。

1.2 螺栓间距过大

标准[1]中对螺栓最大间距Lmax做出了规定

(1)

对螺栓间距做出限制的原因是，在法兰盖厚度确定时，当螺栓间距过大时，螺柱间易产生附加的法兰弯矩，导致预紧力分布不均，使靠近螺栓的垫片被压紧，远离螺栓的垫片预紧力又不足，使垫片承压不均而导致密封性下降。

本法兰螺栓孔间距约为144mm，而制造厂制作的平盖经计算其允许的最大螺栓间距约为90.5mm，远小于实际法兰螺栓间距，因此过大的螺栓间距也是导致此次法兰密封失效的原因之一。

综合以上两点原因，可以得出导致充氮密封失效的主要原因是平盖的刚度不足。

2 解决方法

有研究表明，平盖的刚度与平盖自身材料的物理性能(E、μ)、直径以及厚度有关。当平盖的尺寸与载荷确定时，提高材料等级(较高的E、μ)可以提高平盖的刚度，但实际上材料的E、μ变化范围较小，采用提高材料等级改善平盖刚度的往往达不到效果，所以更多时候是通过增加平盖厚度以及采用加强筋加固平盖等方法来提高平盖的刚度。

本文案例中，由于工期以及材料利用率等方面考虑，采取增加平盖厚度的方法并不经济，因此采用加强筋加固平盖不失为一个有效可行的办法。

2.1 加筋平盖的基本结构

加筋平盖的形式有很多，常见结构的有以下几种。

图1 加筋平盖

根据加筋结构不同，加筋平盖大致可分为：一字形(图1)，工字形(图2)，井字形(图3～图5)，辐射形(图6)。

文献[4]经过有限元分析对上述结构进行了对比，结果表明辐射形结构(图6)受力情况最好。因此本文采用辐射形加筋平盖进行设计。

2.2 设计方法

辐射形加筋平盖由加强筋和平盖两部分组成，平盖部分主要用于密封、连接紧固件并提供足够的强度，加强筋部分主要使平盖在承受压力时不至于因变形过大而导致密封不严，也就是提高整体的刚性，同时也一定程度上提高了整体强度[3]。因此加筋平盖的计算分为平盖厚度计算及加强筋刚度校核计算两部分。

图2 辐射形加筋平盖力学模型示意图

注：图中筋板数n≥6；d1≈d2；b取相邻径向筋板间的最小间距。

2.2.1 平盖部分计算参照文献[1]进行。

(2)

式中：δP——平盖计算厚度，mm;d——量直径，d1和d2中大者,mm；K——结构特征系数。

需要说明的是文献[1]中的计算模型中平盖与壳体为焊接连接，而案例中平盖为螺栓连接，螺栓垫片对于平盖施加弯矩在平盖内部产生处处均匀的弯曲应力，叠加内压引起的应力后得到一个组合应力，对该组合应力以1倍的许用应力进行限制，同时考虑平盖可能采用拼接而计及焊接接头系数，得到螺栓连接平盖的接头特征系数K：

(4)

(5)

式中：W——预紧或操作工况下螺栓设计载荷，N；LG——螺栓中心至垫片压紧力作用中心线的径向距离，mm；Dc——平盖的计算直径，mm。δp——取预紧和操作工况下计算值中较大者。

2.2.2 加筋平盖抗弯截面模量校核
2.2.2.1如图2所示，加筋平盖加强筋校核计算的模型是假设平盖所承受的压力以及由螺栓垫片施加在平盖上的弯曲应力由辐射状筋板和宽度为b的平板所组成的组合梁承担，每个组合梁承担的载荷为图2所示扇形面积上对应的压力以及弯曲应力；进一步将均布在扇形面积上的压力等效为作用在扇形形心C上的力F，该力由一端简支(B端)，一端固支(A端)的组合梁承担，固定端由F作用产生的弯矩为MA1，由螺栓垫片施加在固定端的弯矩为MA2，最终固定端承受的组合弯矩为MA。

(6)

(7)

(8)

式中：

W——预紧或操作工况下螺栓设计载荷，N。

操作工况下固定端组合弯矩：

MA操=MA1+MA2

预紧工况下固支端组合弯矩：

MA预=MA2

MA取操作或预紧工况下组合弯矩中较大值。
2.2.2.2 组合梁的抗弯截面模数WZ

(9)

式中：δe平盖的有效厚度，mm；b——平盖与筋板组合后承载的有效宽度，mm；y——组合梁截面总几何形心至平盖板面之距离，mm。

2.2.2 .3 抗弯截面模数校核

3 实例分析及验证

以本案例中的平盖进行验证设计，设计参数见表2.1。

假设平盖设置12块筋板，平盖及加强筋板采用制造厂现有的18mm Q245R钢板制作。

3.1 平盖部分计算

平盖设置12块筋板时，经计算：

当量直径：d= 420 mm，预紧工况平盖特征系数：K=0.37，作工况平盖特征系数：K=0.55，取K=0.55。

将以上数据代入公式(2)，经计算：

当量平盖计算厚度：δP=6.21mm，δn=18mm>δP+C=9.51mm，合格。

3.2 组合梁抗弯截面模数校核

3.2.1 组合梁截面抗弯模数WZ计算

经计算：

加强筋厚度δ1=18mm，加强筋宽高比一般为5～8，取加强筋高度h=140mm，平盖有效厚度：δe=14.7 mm，组合梁的有效宽度：b=110 mm，组合梁截面总几何形心至平盖板面之距离：y=39.77 mm，组合梁截面抗弯模数：WZ=100152.1 N。

3.2.2 组合梁弯矩MA计算

(1)操作工况，经计算：

内压作用等效作用在组合梁质心C点的力：F=12512.7 N，

y2=316.9 mm，y1=473.1 mm，F作用在固定端A点产生的弯矩：MA1=1663605.8 N，螺栓垫片载荷产生的弯矩：MA2=1392772.8 N，组合弯矩MA操=3056378.6 N。

(2)预紧工况，经计算

MA预=MA2=10286020.7 N

MA取MA操，MA预中较大值，MA=10286020.7 N

(3)抗弯截面模量校核

由计算结果可知，当采用Q245R钢板制作加筋平盖，设置12块径向筋板，平盖及筋板厚度为18mm，环向筋板外径为420mm，径向及环向筋板高度为140mm时，加筋平盖满足设计及操作工况下的强度及刚度要求。

4 加筋平盖设计时需注意问题

(1)为了改善加筋平盖受力的均衡性，同时也为防止径向筋板间的焊缝交叉，建议在平盖中心设置环向加强筋，并且要求该环向加强筋的抗弯截面模量不小于加强筋板的抗弯截面模量；

(2)为保证平盖的强度，筋板与平盖之间的焊缝应采用双面连续焊；

(3)本文中的案例只是一种常见的结构，对于大直径的加筋平盖，除在中心设置环向筋板外，还可以在径向筋板组成的扇形区域内再设置环向以及径向加强筋。

5 结论

由上述可知，在本案例中改进的加筋平盖满足设计及操作工况下的强度及刚度要求。采用加筋平盖时，平盖质量为860kg，而采用平盖时，平盖质量为1160kg，加筋平盖相比纯平盖节省了将近25%的材料，且采用了较薄的钢板，在材料选用及重量上有明显的优势。

经制造厂的验证，该加筋平盖在实际使用过程中具有较高的安全可靠性。

[1] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB150.1～150.4-2011,压力容器[S]. 北京：中国标准出版社，2012.

[2] 张红晨.试论传统高(中)压平端盖设计的保守性[C]. 全国化工机械及压力容器青年科技协会.第二届全国青年化工机械及压力容器青年学术研讨会论文集.南京:[出版社不祥],1989.

[3] 张 伟，曲玉禅.水压封盖设计新方法[J].锅炉制造,2012(1)：58-60.

[4] 帅勃列.基于ANSYS对异形封头进行强度分析及比较(学士学位论文)[D].南昌:南昌大学,2005.

[5] 寿比南.GB150-2011《压力容器》标准释义[M].北京：新华出版社，2012.

2017-05-07

沈 乐(1983—)，浙江宁波人，工程师，主要从事压力容器及工业炉的设计工作。

TH49

A

1008-021X(2017)18-0150-03

(本文文献格式沈乐.螺栓连接加筋平盖的优化设计探讨[J].山东化工，2017，46(18)：150-152.)