[설계] ASME Section Ⅷ Appendix 2 Girth Flange 설계

 

1.  Flange Design 순서

가.  Design Condition 확인, 적정 Gasket 선정

나.  Flange 응력계산

1)      Bolt 하중을 구한다.

2)      계산상 필요한 Bolt 하중

3)      Bolt 소요 총 단면적 계산

4)      Flange 에 작용하는 Moment 계산

5)      Bolt 체결 Flange 강도계산

6)      Flange 각 부분의 허용응력을 검토

다.  Stress Check
계산된 실제 Stress와 Allowable Stress 비교

라.  Flange Rigidity Check
ASME Section Ⅷ Appendix S에 따라 산정된 Rigidity Indix가 허용수치 이상이 되어야함. ASME Sec.Ⅷ Div.1의 Appendix-2에 따라 설계할 경우 Flange Ring의 Rigid가 충분하지 않아 Bolting시 Flange Ring이 회전하여 Gasket Seating면에 영향을 미쳐 Leak가 일어날 수도 있다.

 

 2. Bolt하중 계산

l  사용상태의 Bolt하중

       Wm1 = H +Hp = π/4*G2P + 2πbGmP

      - P : 설계압력

      - H : Flange에 가해지는 내압의 전하중

      - Hp :기밀을 유지하기 위해 Gasket 또는 이음 접촉면에서의
          압축력

      - G : Gasket 접촉면 평균지름

      - b : Gasket 유효 폭

      - m : Gasket factor

 

l  Gasket 체결시 Bolt하중

         Wm2 = πbGy

       - Wm2 : Gasket 체결시 필요한 최소 하중

     - y  : Gasket 또는 이음 접촉면의 최소 설계압력 (표 1 참조)

     

l  열교환기 Tubesheet를 끼는 한 쌍의 Flange 처럼 Flange 또는 Gasket이 같지 않을 경우에는 각각에 대해  계산한 Wm1, Wm2 값중 큰 값을 취하여 사용한다.

 

3. Bolt의 소요 총단면적 및 실제의 총단면적

l 사용상태 및 Gasket 체결시의 양쪽에 대해 필요한 Bolt의 총단면적은 Am은 다음 값 중 큰 값을 취한다.

       Am1 = Wm1 / σb

       Am2 = Wm2 / σa

      - σb : 설계온도에서의 Bolt의 허용인장 응력 (kg/mm2)

      - σa : 상온에서의 Bolt의 허용인장 응력 (kg/mm2)

 

4. Flange 계산에 사용하는 Bolt하중

l  Flange 계산에 사용하는 Bolt하중은 다음에 의한다.

      1)사용상태에서의 Bolt하중 

          Wo  = Wm1

      2) Gasket 체결시 Bolt하중

         Wg  =  (Am + Ab)/2 × σa

      

      - Wo: 사용상태에서의 Bolt하중

      - Wg : Gasket 체결시의 Bolt하중

 

5. Flange에 작용하는 Moment

1)    사용상태에서 Flange에 작용하는 전 Moment

 Mo = Md + Mg + Mt

Mo : 사용상태에서 Flange에 작용하는 전 Moment

Md : Flange 안지름면에 가해지는 하중에 의한 Moment

      (= Hd×hd = π/4 B2P×hd ) 

Mg: Gasket 하중에 의한 Moment 즉, Flange Bolt 하중과 Flange의 안지름면에 가해지는 하중과의 차로 인한 Moment

     (= Hg×hg = (Wo- H)×(C-G)/2)

     

Mt : Flange에 가해지는 내압에 의한 전하중과 Flange 안지름면에 가해지는 하중과의 차로 인한 Moment

      (= Ht×ht = (H- Hd)×ht)

 

   각종 Flange 형태에 따른 Moment Arm

C : Bolt 중심원의 지름

   G : Gasket 접촉면 평균 지름

1)    Gasket 체결시 Flange에 작용하는 Moment

 Mg = Wg ×(C-G)/2

Wg : Gasket 체결시 Bolt 하중

C : Bolt 중심원의 지름

G : Gasket 접촉면 평균 지름

 

6. Bolt 체결 Flange 강도

1)  Integral Type

가) Longitudinal hub stress

 

    Sh  =    f * Mo 

            L*g1^2 *B

 

나) Radial flange stress

   Sr  =     (1.33 te +1) Mo 

               L*t^2* B

 

다) Tangental flange stress

    St  =     Y Mo    - ZSr

              t^2* B

 

2)  Loose type

  St  =    Y Mo    

           t^2* B

 

        Sr = 0,  Sh = 0

        f : hub 응력계수 (Figure2-7.6참조)

        L :  te + 1  +  t^3

              T       d

 g1 : Flange 뒷면의 hub 두께

 go : Flange 허브끝의 두께

 T : 계수 (Figure 2-7.1 참조)

 U : 계수 (Figure 2-7.1 참조)

        Z : 계수 (Figure 2-7.1 참조)

        V: 일체형 Flange 계수 (Figure 2-7.3 참조)

        e : F/ho(일체형),  F1/ho(Loose형)

        ho : SQRT (B*go)

        d : U/V * ho*go^2(일체형),  U/V1 * ho*go^2(Loose형)

 

7. Flange 각부분의 허용응력  

1)  Sh 는 1.5 бf 또는 1.5бn보다 크지 않아야 한다.

-          бf  : Flange 설계온도에서의 허용응력

-         бn  : Nozzle 설계온도에서의 허용응력

2)  Sr 는 бf 보다 크지 않아야 한다.

3)  St 는 бf 보다 크지 않아야 한다.

4)  Sh + Sr ,   Sh + St   는 бf 보다 크지 않아야 한다.