4.5 阀体和阀盖连接螺栓、中法兰计算

当阀门的公称压力或压力等级等于或大于2.5MPa时，推荐采用圆形法兰。

圆形中法兰的设计计算包括下列内容：

① 确定垫片材料、类型及尺寸；

② 确定螺栓材料、规格及数量；

③ 确定法兰材料、密封面类型及结构尺寸；

④ 进行应力校核、计算中所有尺寸均不包括腐蚀裕量。

4.5.1 垫片材料、型式及尺寸的确定

各种常用垫片的特性参数按表查取。由《阀门设计手册》中表4-17，选取垫片材料为缠绕式金属垫片内填石棉，垫片系数为3.0，尺寸为10mm。

选定垫片尺寸后，按《阀门设计手册》中表4-18确定垫片接触宽度N和基本密封宽度b0，然后按以下规定计算垫片有效密封宽度b：

当时，；

当时，。

则垫片有效密封宽度为：

　　（4-5）

式中 —垫片有效密封宽度，mm；

—垫片基本密封宽度，mm。

垫片压紧作用中心圆直径按下述规定计算：

当时，等于垫片接触面的平均直径；

当时，等于垫片接触外直径减。

则垫片压紧作用中心圆直径为：

垫片压紧力的计算：

（1）预紧状态下需要的最小垫片压紧力

预紧状态下需要的最小垫片压紧力按式（4-6）计算。

　　（4-6）

式中—法兰垫片压紧力，N；对预紧状态，；对操作状态，；

—垫片压紧力作用中心圆直径，mm；

—垫片有效密封宽度，mm。

则最小垫片的压紧力为：

（2）操作状态下需要的最小垫片压紧力

操作状态下需要的最小垫片压紧力按式（4-7）计算。

　　（4-7）

式中—操作状态下，需要的最小垫片压紧力，N；

—垫片压紧力作用中心圆直径，mm；

—垫片有效密封宽度，mm。

则最小垫片的压紧力为

垫片在预紧状态下受到最大螺栓载荷的作用，可能因压紧过度而失去密封性能，为此需有足够的宽度：

　　（4-8）

式中—实际使用的螺栓总截面积，以螺纹小径计算或以无螺纹部分的最小直径计算，取最小者，；

—垫片有效密封宽度，mm。

则

4.5.2 螺栓材料、规格及数量的确定

4.5.2.1 螺栓的间距

螺栓的最小间距应满足操作空间要求，推荐的螺栓最小间距和法兰的径向尺寸S、按《阀门设计手册》中表4-19确定。螺栓公称直径为为12mm，法兰的径向尺寸S为20mm，为12mm，螺栓最小间距为32mm。

推荐的螺栓最大间距按式（4-9）确定。

　　（4-9）

4.5.2.2 螺栓载荷计算

（1）预紧状态下需要的最小螺栓载荷

　　（4-10）

代入数据计算得

（2）操作状态下需要的最小螺栓载荷

　　（4-11）

代入数据计算得

4.5.2.3 螺栓面积计算

（1）预紧状态下需要的最小螺栓面积

　　（4-12）

代入数据得

（2）操作状态下需要的最小螺栓载荷

　　（4-13）

代入数据得

需要的螺栓面积取与中最大值。实际螺栓面积应不小于需要的螺栓面积。

4.5.2.4 螺栓设计载荷计算

（1）预紧状态下螺栓设计及载荷

　　（4-14）

代入数据得

（2）操作状态下螺栓设计载荷

　　（4-15）

即

4.5.3 法兰材料、密封面型式及结构尺寸的确定

4.5.3.1 法兰力矩计算

（1）法兰预紧力矩

　　（4-16）

代入数据得

（2）法兰操作力矩

　　（4-17）

式中 W —在设计温度下，法兰材料的弹性模量，MPa；

S —参数，查表计算；

—流体静压总轴向力，N。

　　（4-18）

　　（4-19）

　　（4-20）

4.5.3.2 法兰应力计算

（1）轴向应力

　　（4-21）

（2）环向应力

　　（4-22）

（3）径向应力

　　（4-23）

4.5.3.3 法兰厚度

　　（4-24）

式中—计算的法兰厚度，mm；

—螺栓的合力，N；

—螺栓中心到法兰根部的距离，mm；

—材料径向许用弯曲应力，MPa，可按取；

—垫片压紧力作用中心长轴半径，mm；

—垫片压紧力作用中心短轴半径，mm。

代入数据得：