轻质的滑动管法兰
专利汇可以提供轻质的滑动管法兰专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且改进的回转 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 。，下面是轻质的滑动管法兰专利的具体信息内容。
1.一种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，中心环部分具有一个外部分，一个内部分，一个 在顶侧上的平的螺栓固定面，和一个在底侧上的成形凹槽，用以减少法 兰件的用料；
c.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矩最小，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，该厚度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，使得将弯曲惯性矩优化，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，将在内毂部分中分布的应力和在焊接角上的应力 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，中心环部分的厚度从外部分增加 到内部分。
2.根据权利要求1所述的法兰，其特征为，法兰件具有在法兰件 的内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所述的法兰，其特征为，在法兰件内毂部分的 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所述的法兰，其特征为，内毂部分具有一个夹 套面，并且在法兰件内毂部分中的槽装置设在法兰件的内毂部分的夹套 面中。
5.一种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，该法兰件带有顶侧和底侧；
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， 该垫圈平面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，该中心环部分具有一个外部分、一个内部分和一个 在顶侧上的螺栓固定平面；
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，位于内毂部分中的垫圈面的外边和外边缘部分之间的法兰 件的底侧中，用于将螺栓负荷压力分布的合力位置，从接近于螺栓孔中 心线的圆位置的径向位置，改变到在回转法兰上的集中向内分 布，使得法兰件中的材料达到最少，使得法兰件焊接到管上时并在螺栓 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；而且 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外部 分，该外部分具有形成倾斜负荷表面的厚度；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内部分，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，中心环的 厚度从外部分增加到内部分。
6.根据权利要求5所述的法兰，其特征为，槽装置是围绕法兰件 均匀一致的。
7.根据权利要求5所述的法兰，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，径向的弯曲惯性矩围绕法兰件是均匀的。 均匀的。
8.根据权利要求5所述的法兰，其特征为，法兰件包括在内毂部 分中的附加槽装置，用于减少法兰材料。
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。
背景技术
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 金属的内毂部分的双金属法兰。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。
发明内容
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。
附图说明
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；
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。
具体实施方式
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’起的一个中空的底侧。
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是法兰弯曲惯性矩
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矩
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，内毂部分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。在法兰焊接时内毂部分的这个槽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的一个内毂部分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的内毂部分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矩槽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。
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