轻质的滑动管法兰的制作方法

专利名称：轻质的滑动管法兰的制作方法
技术领域：
本发明涉及在管法兰设计方面的改进，并涉及应用应力分析辅助设计法兰连接的优化结构，如现有本人的1995年5月9日被授权的No.5,413,389题为“铸造回转式管法兰”的美国专利所述的法兰连接。在此参引的专利中，管法兰具有一个从法兰外缘到内缘的厚度过渡的回转设计。这个回转设计提供了为保证垫片或密封圈均匀变形的均匀联接面所需要的刚度，同时，通过削减不必要的材料，减少了法兰的重量。
这个参考专利的回转式法兰和法兰连接在达到所列的目的方面是成功的。此外，在设计管法兰方面使用计算机辅助应力分析的技术使得向管传递应力问题方面的法兰结构的进一步改进，以及使复合材料法兰的设计和结构方面得到改进。
关于后者，1984年7月10日授权的本人的题为“双金属法兰连接”的美国专利No.4,458,924，公开了一种利用结合到第二金属边缘的第一金属的毂的双金属法兰。两种材料的复合法兰和使用凹槽减少重量和优化应力分布的概念在这个双金属法兰专利中进行了说明。
本发明包括这些参引专利的装置的某些特征。计算机辅助应力分析的优点提供了充分考虑在向管传递应力时法兰结构的影响，以及在法兰本身内有效分布应力的法兰的实施例。
本发明的改进的管法兰包括优化由连接螺栓引起的应力分布的法兰结构，同时将法兰重量减到最小。
在一个实施例中，一种回转法兰的插入件被封在聚丙烯的套中，形成一种强度高、重量轻的法兰，它特别适用于腐蚀环境。聚丙烯套保护金属插入件免受碱性或酸性环境影响，并可连接塑料或涂层管，以及常规金属管。
在其他实施例中，回转法兰设计的优化主要是用作滑动焊接法兰，所述法兰的设计将法兰颈部的扭转应力通过焊缝向管的传递减到最小。为完成这个设计，螺栓的负荷和压力分布的最终位置从在常规的ASME法兰上的径向的位置，向在改进法兰上的集中朝内的位置改变。这改变了在法兰面上的到支点位置的力臂，从而，减小传递到颈部的杠杆力的大小，这最终减小了传递到焊接接头，进而到管上的力。
管壁中的应力由管中的流体压力产生。被颈部焊缝传递到管的螺栓负荷的应力积累到内部流体压力产生的应力上。如果不控制的话，这些应力易于达到管的破坏点。作为设计原则，管的法兰焊接应抵抗200％的工作压力，同时保持峰值应力在连接材料的屈服强度的40％上下。
除了性能规范，设计目的包括将法兰中的材料最少化，这改善操作，并节约材料成本和运费。应理解，制造成本会与节约材料的最优方案相冲突，这造成对于一种是费钱的情况对另一种情况不一定是费钱的该优选的实施例。滑动法兰分析设计的的结果可用到其他回转法兰设计，如希望使得法兰的材料进行优化减少的，或希望将螺栓负荷点从螺栓孔的中心线的位置改变到集中地靠近管的中心线的位置的焊接颈法兰或任何法兰。
本发明的其他特点将参照附图在实施例中进行详细说明，附图中

图1是改进的回转管法兰的第一实施例的底视图；图2是沿图1中2-2线所作的图1所示改进回转管法兰的部分剖面图；图3是沿图1中3-3线所作的图1所示改进回转管法兰的部分剖面图；图4是常规滑动焊接法兰的部分剖面图5是焊接到管子上的改进的回转滑动焊接法兰的部分剖面图；图6是图5的改进回转管法兰另一实施例的部分剖面图；图7是图4的改进回转管法兰另一实施例的部分剖面图；图8是图7所示管法兰的第二个部分剖面图。
本发明改进的管法兰有两类，并都涉及在参引本人的美国专利4,458,924和5,413,389中公开的回转管法兰。第一类包括一个回转法兰，它带有封装在聚合物套中的延性铁芯，如图1-3所示。第二类包括一个回转焊接法兰，它被设计成在法兰内进行再分布应力优化，减小在管焊缝上的应力。图5-8示出实施例另外的结构。
见图1-3，一个回转的聚合物和金属管法兰表示为10。图1的管法兰10是本发明的管法兰的典型结构，它们可以在结构尺寸上具有小的差别，并在次要的特征方面，如法兰螺栓孔数目，有所不同。
管法兰10是这样的一类，它与连接件(未示出)一起作用，如在管端部形成唇边的一个搭头，当用螺栓将法兰接到带有端搭头的相似的管上的相似法兰时，法兰10紧靠在该唇边上。
然而，图1-3的法兰10是双材料法兰，与专利4,458,924的双金属法兰相似。本发明的复合聚合物和金属法兰包括另外类型的法兰连接器，它包括一个整体的聚合物座，一个管或法兰类型的任何配件插入到其中，获益于高强度低重量的金属插入件。一般法兰的结构，取决于尺寸大小和法兰额定压力，带有4,8或12个螺栓。
本发明的管法兰10具有一个金属插入件12，和一个聚合物套14。金属插入件12最好是冲压或锻造成形的延性钢。法兰插入件也可由其他金属或合金制造，并可以由铸造或其他金属成形方法成形。
相似地，聚合物套14最好是聚丙烯的，但也可以是对管件适宜的任何聚合物，只要它能够模制，插入件被封闭在聚合物的孔模内，对复合法兰10提供强度和刚度。法兰10具有一个螺栓固定平面16，它带有一系列间隔均匀的螺栓孔18，在法兰10连接到相似的法兰或带法兰的管件时，孔18与螺母，螺栓和垫圈(未示出)组装。参见图1的底视图，法兰10具有一个外边缘部分20，一个厚度减小的中心环部分22和一个内毂部分24。金属插入件12和复合法兰10的结构是回转的，插入件带有由较薄的外部20向较厚的内部24的锥度，而法兰套14的整个厚度基本相同。这结构有助于将夹紧力引向内根部26，内根部包括一个内面28和一个凸起台阶30，台阶30部分地接触卷起的管的端部的搭头。
在图3的剖面上法兰插入件12的内圈部分32，在螺栓孔18间具有一系列的流通孔34，允许聚合物通过插入件12流动，用液体聚合物在一个模中铸造法兰时，使套14更好地与插入件结合。整个插入件被封闭，金属插入件没有任何部分露出，造成一个强度高的聚合物法兰，以适合腐蚀环境。对于增大法兰的尺寸和/或额定压力，元件的尺寸和比例可以不同。
见图5-8，在部分剖视图中示出一个滑动焊接法兰50的实施例。在图5中示出的焊接法兰50被焊接到管52上，它帮助概念性地理解在使用中螺栓带负荷时的受力情况。在图4示出一个带负荷的ASME B16.5的普通现有法兰54，负荷传递到管56，法兰通过焊缝58和60固定到管56。两个法兰50和54都分别具有螺栓面60和62，螺栓孔的中心线分别用C和C’表示。应理解，该法兰与图1的法兰10相似，其中，螺栓孔在法兰上围绕圆环均匀间隔开，标出的数目会有所不同。
将法兰作为一个承载的结构件处理，以完成基本应力分析。分析中需要一个以切除面积与实体面积的比例，通过减小在螺栓固定面积处的模量，计算螺栓孔。其他的进一步工作是计算向不对称的内壁以及向法兰底部施加的管内压力，根据ASME压力容器标准Ⅷ章第一部分的规定，在法兰底部，垫圈接触面积会减小。另外，根据ASME压力容器标准Ⅷ章部分1的规定，螺栓负荷设定为端部静水压力加垫圈压力的两倍。
作为安全设计规范，采用的法兰螺栓安全负荷原则是法兰必须抵抗200％的工作压力，同时保持峰值应力在法兰材料屈服强度的40％左右。最后，法兰的设计必须将焊接法兰的管中的应力保持在ASME允许的最大应力以下。
为了最佳的应力分析，必须考虑的各因素包括在焊角处的应力集中，局部的螺栓负荷对法兰变形的影响，源于螺栓孔的材料削弱，螺栓头与法兰的接触应力分布，在法兰界面的垫圈压力分布，以及管和法兰的焊接接头尺寸的影响。
虽然在负荷下内应力的计算机分析提供进一步的减少法兰材料的优化设计，参考图4和5说明的基本原理达到了减少法兰重量的目标，所述法兰既有优化的内部应力分布，避免过大的局部应力，更重要的是减少了焊接法兰的管的峰值应力。为了减少法兰和管中的峰值应力，本发明将螺栓有效的负荷从图4的常规法兰中的靠近螺栓的中心，移向较靠近管的位置，而没有改变螺栓的位置。
参见图4，在法兰54由螺栓(未示出)施加负荷时，该螺栓具有C表示的中心线位置，如图倾斜的负荷线所示，负荷压力跨螺栓固定面62径向分布。造成的螺栓有效负荷由R表示，它接近螺栓的中心线C。法兰54具有一个垫圈面66，在法兰连接一个相对的法兰时，紧靠垫圈面66的垫圈(未示出)被压缩。
因为螺栓固定面伸到垫圈面的外边，螺栓力扭转地作用在垫圈面66上，垫圈面的外边起支点F的作用。由螺栓负荷产生的负荷L传递到法兰的焊接颈部68上的焊缝58上，并传递到管56，在此与管内工作压力上累积。负荷L取决于螺栓负荷R和力矩臂A的大小。
尽管将其理想化为刚体，在螺栓固定面62上的图示的负荷分布还是较准确的，在法兰厚度h保持不变情况下，随半径增加，负荷向着它的外边减少。
在图5中，法兰50具有一个螺栓固定平面60，但具有从支点(支点位置)F’起的一个中空的下侧。
一个外边缘70保持法兰50的外圆盘轮廓。螺栓孔从中心线的位置C’到外边缘70，法兰厚度减到最小，不仅提供一个足够的保护壳，而且提供一个倾斜的负荷表面。从中心线位置C’到在垫圈面72的边上的支点F’，计算限定径向厚度的弯曲，优化螺栓负荷压力分布，而不超过上述的安全公式的内应力分布限制。
因此，在由厚度梯度控制应力分布中，使用弯曲惯量优化扭转力矩位置。如图5的负荷图所示，压力分布取一个较极端的形态，造成的有效负荷位于位置R’。该位置基本靠近管52，减小力臂A’，因此，造成的负荷L’值，通过在法兰焊接的颈部76的顶边的焊角75上的上焊缝74传递到管52。
在图5中，弯曲惯性矩沿线X-X’平均，线X-X’比图4所示的线升高。在法兰扭转力矩臂减小到满足下列方程式时，达到最佳的设计σ=(MA′2h)/2I′x在此σ是法兰弯曲应力M是从端部静水压力和螺栓负荷到法兰的弯矩A′是从螺栓作用负荷到垫圈反负荷的扭转力矩臂h是法兰的整个高度
I′x是法兰弯曲惯性距IPP最佳设计的概念要求设计的法兰的值(A′2/I′x)小于值A2/Ix。
在此A是常规的设计从螺栓作用负荷到垫圈反作用负荷的法兰螺栓对垫圈的扭转力矩臂Ix是常规的设计的没有材料切除的法兰弯曲惯性距图5示出的法兰剖面结构在经济地减少法兰重量中是有效的，同时转变最终的螺栓负荷，显著减少在环状焊缝74面积上的管的应力。在计算法兰内应力中，材料可以象焊接颈部76那样从明显区域经济地除去，图5的法兰设计反映出这个减少。
然而，内应力计算揭示出，材料可以从法兰的其他区域除去，而不影响法兰结构的完整性。例如，见图6，一个相似于图5法兰50的法兰80具有一个螺栓固定面82，一个垫圈面84和一个外边缘86，它带有一个凹槽88在螺栓固定面82下。除了凹槽88外，毂90的内夹套面89在垫圈面84上的焊缝94和在锥度焊接颈部98上的角97上的焊缝96间具有一个环形槽92。在法兰焊接时内毂的这个槽92由管100封闭。
在图6中，由螺栓孔的中心线处C开始的弯曲102不象图5那样逐渐变化，而将最终的负荷变到更靠近管100。
在图7和8中，焊接法兰110的部分剖面表示一种法兰设计，使材料的除去最大，但依然能补偿螺栓孔结构的薄弱。
图7的剖面图示出在螺栓孔间的中间除去材料。图8的剖面图示出在同一法兰中在螺栓孔处除去的材料。设计复杂的结构，使得围绕法兰110的径向弯曲惯量一致。
法兰110具有带有螺栓孔114(示出一个)的一个螺栓面112，一个垫圈面116，一个外边缘118和带有焊接颈部122的一个内毂120。如图8所示，一个中心环部124具有中空的槽126，它在螺栓孔间较深较宽。在螺栓孔114的区域中的环部分124加厚来补偿由螺栓孔114引起的结构削弱。
相似地，螺栓加负荷之下的法兰的材料应力分析揭示出，在垫圈面116相对的邻近焊接颈部122的毂120的区域，应力较低。一个第二毂槽128使得法兰110能够进一步减轻。另外，为了提供围绕法兰的较均匀的弯曲惯性距，槽128在每个螺栓孔114处最浅，在相邻螺栓孔间的中间最深。
应理解，不能因为在法兰中完全的优化应力分布取得了附加重量节省，就认为制造图7和8的较复杂的结构所用去的耗费是有理由的，只是这种复杂结构达到了在焊接颈部的焊缝处减小传递到管上的螺栓固定力的目的。
在一定环境中可能由槽引起其他缺点，如存住雨水造成腐蚀的可能性，可以通过使用重量轻的填料，最好是聚合物，加以消除，将其填满本发明优化法兰的一个或两个凹槽。
因此，上述焊接法兰的实施例和各结构说明了以减小焊接颈部焊缝处的管的应力为初始设计目的的、法兰重量的不同的优化方式。
所述的优化法兰设计可应用于其他的需要减少材料和改善应力分布的回转法兰。
为了完全公开本发明在上述已对本发明的实施例进行了详细说明，显然，在不离开本发明的原理和精神的情况下可进行种种修改。
权利要求
1．一种改进的回转的焊接到管上的法兰，包括一个可焊材料的圆形的整体法兰件，带有顶侧和底侧，具有a．一个内毂部分，具有带焊接角的焊接颈部，焊接颈部从顶侧凸起，和底侧上的带有一个外边的一个垫圈平面；b．一个中心环部分，具有带中心线的一系列间隔螺栓孔，在螺栓孔中心线的圆位置上，中心环部分具有在顶侧上的一个平的螺栓固定面，和在底侧上的成形凹槽，它经济地减少法兰件的材料；一个外边缘部分，其中中心环部分连接内毂部分和外边缘部分，在螺栓孔中心线位置和外边缘间的凹槽的轮廓被计算，使得法兰件的中心环部分的外部中的弯曲惯性距最小，在螺栓孔中心线位置和外边缘部分间的中心环部分具有一个厚度，在法兰件处于负荷下，并被焊接到一个管上时，它形成一个倾斜的负荷表面，其中，在螺栓孔中心线位置和垫圈面外边间的槽的轮廓计算，使得基本将弯曲惯性距优化，并将在法兰件中心环部分的内部中的材料减到最少，致使法兰件在螺栓负荷下，并焊接到一个管上时，将在毂中分布的应力减低，特别是在焊接角上的应力减低，其中，槽轮廓垂直垫圈面的外边缘上的平垫圈面，并具有一个向着螺栓孔中心线的位置的弯曲，其中，法兰件的圈部分的内部的厚度减小到在螺栓孔中心线的位置上的法兰件的圈部分外部的厚度。
2．根据权利要求1所述的改进法兰，其特征为，法兰件具有在法兰件的毂部分中的附加槽装置，用于减少法兰件的材料。
3．根据权利要求2所述的改进法兰，其特征为，在法兰件毂部分的槽装置设在螺栓固定面和焊接颈部之间的法兰件的顶侧。
4．根据权利要求2所述的改进法兰，其特征为，毂具有一个夹套面，并且在法兰件毂部分中的槽装置设在法兰件的毂部分的夹套面中。
5．一种改进的回转，复合材料法兰包括一个回转法兰件，它具有带回转结构的金属插入件，和一个聚合物套，其特征为，套主要固定金属插入件的回转结构，并完全封闭金属插入件。
6．根据权利要求5所述的改进法兰，其中金属插入件具有带一系列流动孔的一个圈部分，其中套是由填满流动孔的聚合物制造。
7．一种改进的回转滑动的焊接到管上的焊接法兰，包括一个可焊材料的整体圆形法兰件，它带有顶侧和底侧；一个内毂部分，具有一个焊接颈，由顶侧突出，和一个垫圈平面，它带有一个在底侧上的外边；一个中心环部分，具有一系列带中心线的间隔开螺栓孔，在螺栓孔中心线的圆位置上，该中心环部分具有在顶侧上的一个螺栓固定平面；一个外边缘部分，其中中心环部分连接内毂部分和外边缘部分；槽装置，位于毂部分中的垫圈面的外边和外边缘部分之间的法兰件的下侧中，用于将螺栓负荷压力分布的最终位置，从在标准的ASME法兰上的近似于螺栓孔中心线的圆位置的径向分布，改变到在改进的回转法兰上的集中向内分布，使得法兰件焊接到管时，并在螺栓负荷下，在法兰件焊接颈上的可传递到管上的扭转应力变到最小。
8．根据权利要求7所述的改进法兰，其特征为，槽装置还用于使得法兰件中的材料达到最少。
9．根据权利要求8所述的改进法兰，其特征为，中心环部分具有在螺栓孔中心线圆位置和外边缘部分之间的一个部分，它具有形成倾斜负荷表面的厚度。
10．根据权利要求9所述的改进法兰，其中中心环部分具有在螺栓孔中心线圆位置和垫圈面的外边缘部分之间的一个部分，其特征为，槽装置具有一个带有弯曲的轮廓，这个轮廓开始与垫圈面垂直，并且，对于形成偏斜的负荷表面的中心环的部分，从垫圈面的外边上的最大厚度，向在螺栓孔中心线园位置上的圈部分的厚度，减小法兰件圈部分的厚度。
11．根据权利要求8所述的改进法兰，其特征为，槽装置是围绕法兰件均匀一致的。
12．根据权利要求8所述的改进法兰，其特征为，槽装置包括一个环槽，它在螺栓孔间比较深宽，其中，径向的弯曲惯性距围绕法兰件基本上是均匀的。
13．根据权利要求8所述的改进法兰，其特征为，法兰件包括在毂部分中的附加槽装置，用于减少法兰材料。
全文摘要
改进的回转法兰,包括一个实施例,它具有在聚合物套中的金属插入件,其中,插入件具有与套的外回转结构相似的回转结构,另一个回转滑动焊接到管上的法兰实施例,具有一个回转的剖面轮廓,它是由应力分析构成的结构,从法兰中的连接螺栓孔中心线向靠近法兰焊接的管的方向改变连接螺栓的有效负荷的位置。
文档编号F16L23/026GK1225434SQ99100068
公开日1999年8月11日 申请日期1999年1月6日 优先权日1998年1月6日
发明者冈特·施利希特 申请人:冈特·施利希特