法兰又叫法兰凸缘盘或突缘。法兰是轴与轴之间相互连接的零件,用于管端之间的连接;也有用在设备进出口上的法兰,用于两个设备之间的连接,法兰一般都是成对出现的,根据连接法兰的螺栓在管外或管内,可以分成外法兰和内法兰。 一般情况下我们见到的法兰都是外法兰,而在风电塔架上使用的法兰,一般都是内法兰,对于高耸塔架来说,采用内法兰更加方便安装维护

管道上的法兰的受力计算目的(外翻对连接强度的影响)(1)

塔架法兰(内法兰)

管道上的法兰的受力计算目的(外翻对连接强度的影响)(2)

外法兰

做法兰焊接或法兰连接安装施工的,都知道法兰的平面度是必须要控制的因素,尤其是法兰比较大时,并且控制的难度也比较大,尤其是法兰和钢筒焊接时,很容易造成法兰的内倾或外翻,这么难控制费财费力,我们为什么要控制呢?

我们以最常见的外法兰为例,分析一下法兰的外翻、内倾对连接结构的影响。分析结果与理想平面度的法兰进行对比。

管道上的法兰的受力计算目的(外翻对连接强度的影响)(3)

管道上的法兰的受力计算目的(外翻对连接强度的影响)(4)

法兰俯视图

三组法兰连接,基本尺寸几乎完全一致,仅有法兰的平面度不同,法兰组1为理想平整接触面;法兰组2为内倾,法兰组3为外翻。每组法兰都有8颗10.9级M16连接螺栓,连接螺栓初始预紧力定为98KN,当给法兰连接施加一个弯矩(20000Nm)时,观察每组法兰连接的应力状态。

管道上的法兰的受力计算目的(外翻对连接强度的影响)(5)

等效应力云图

应力云图中灰色部分是应力大于400MPa的位置,从应力云图中我们可以看出,平面度理想的法兰连接中,等效应力仅有螺母、螺栓头承压面处应力较大,法兰根部及其他位置,均未出现应力过大的情况。

从法兰外翻的连接结构的应力云图可以看到,在受到外部扭矩的情况下,整个法兰根部的等效应力分布够比较大,在法兰承受倾覆力矩的情况下,法兰颈部一面受拉应力,一面受压应力,从云图可以看出,法兰受拉一侧颈部内部应力更高,法兰接触面内沿压应力也较大。

法兰内倾的连接结构,仅受拉一面的法兰颈部应力较高,法兰接触面外沿也承受较大的应力。

再看看对连接螺栓拉力的影响,

管道上的法兰的受力计算目的(外翻对连接强度的影响)(6)

法兰组1-最大螺栓拉力和最小螺栓拉力

管道上的法兰的受力计算目的(外翻对连接强度的影响)(7)

法兰组2-最大螺栓拉力和最小螺栓拉力

管道上的法兰的受力计算目的(外翻对连接强度的影响)(8)

法兰组3-最大螺栓拉力和最小螺栓拉力

管道上的法兰的受力计算目的(外翻对连接强度的影响)(9)

由以上有限元分析结果我们可以看出,无论是法兰外翻或者内倾,都会对法兰及法兰连接螺栓造成较大的影响,导致应力明显提高,如果在交变载荷作用下,应力变化范围会明显提高,从而减低连接结构的疲劳寿命。

对外法兰来说内倾对螺栓及影响更为明显,极易导致螺栓连接的过早疲劳失效。

而内倾法兰连接,外翻对疲劳寿命的影响会更为明显。

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