《过程设备设计基础》35(1)法兰联接35

1第五节法兰联接概述为了满足生产工艺要求，或为制造、运输、安装、检修方便，常采用可拆卸的联接结构。可拆卸联接应确保接口密封的可靠性。常见的可拆卸结构：概述概述2法兰联接有较好强度和紧密性，适用尺寸范围宽，设备和管道应用最普遍。法兰联接不能很快装配与拆卸，制造成本较高。设备法兰与管法兰均已制定出标准。（根据公称直径和公称压力，可以从标准中查到，少量超出标准规定范围法兰，才需进行设计）3组合件：一对法兰，若干螺栓、螺母和一个垫片。一、法兰联接结构与密封原理4法兰联接结构①被联接件-----法兰②联接-----螺栓③密封件------垫片a.密封可靠；b.结构简单；c.装拆方便注意：在实际应用中，压力容器由于联接件或被联接件的强度破坏所引起法兰密封失效是很少见，较多的是因为密封不好而泄漏。故法兰联接的设计中主要解决的问题是防止介质泄漏。5法兰联接的基本要求：防止流体泄漏的基本原理：在连接处增加流体流动的阻力,当压力介质通过密封口的阻力降密封口两侧的介质压力差；阻力的增加是靠密封面上的密封比压来实现的。拧紧螺栓,使其在法兰上产生压紧力,通过法兰的密封面挤压垫片,垫片变形填满密封面间凹凸不平的空隙达到密封。垫片在螺栓的压紧作用下发生变形，填满法兰密封面间的缝隙而密封。从而使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的介质压差，即达到密封的目的。法兰密封的原理6密封过程(1)没上紧螺栓时,将上、下法兰压紧面和垫片的接触处的微观尺寸放大，可以看到其表面是凹凸不平的，这些凹凸不平处就是流体泄露的通道。(2)上紧螺栓时，为预紧工况，由于预紧力W，使垫片填满法兰面间隙,从而形成初始的密封条件。(3)当操作工况时，由于工作压力使垫片回弹，但当泄漏力小于介质通过密封面的阻力时，不会发生泄漏。①尚未预紧工况②为预紧工况③为操作工况7•设备操作时，由于介质压力的作用，在垫片上有三个主要的作用力：•一个是由于介质压力而产生的轴向力；•一个是螺栓力；•一个是内压作用在垫片上的横向.注意：在操作时不发生泄漏的条件：垫片上压紧力设备内的操作压力8介质泄漏的形式(1)界面泄漏：即介质沿法兰密封面与密封垫片之间的界面上产生的泄漏，法兰连接产生的泄漏大部分属于这一类型，要占全部泄漏的80%—90%以上。(2)渗透泄漏：即垫片本身的泄漏，除了受介质压力、温度、粘度、分子结构等流体状态性质影响外，主要与垫片的结构与材料性质有关，可通过对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成型来避免“渗透泄漏”。9概述二、法兰的分类10（一）整体法兰１.平焊法兰:制造容易，应用广泛，但刚性较差.11适用范围：法兰附近筒壁的截面上，将产生附加的弯曲应力。适用于压力范围较低PN4.0MPa。２．对焊法兰:高颈法兰或长颈法兰颈提高刚性，厚度比筒体厚，降低根部弯曲应力。对接焊缝，比平焊法兰的角焊缝强度好，适用于压力、温度较高或设备直径较大的场合。12（二）松式法兰法兰与容器或管道不连接，比整体式连接强度差.13法兰盘可用不同材料，用于铜制、铝制、陶瓷、石墨及其非金属材料的设备或管道上。受力后无附加弯曲应力，只适用于压力较低场合.（三）任意式法兰常见螺纹法*法兰与管壁是通过螺纹连接。*二者之间既有一定连接,又不完全形成一个整体。*法兰对管壁产生的附加应力较小,其整体性介于整体法兰和松式法兰之间。*常用于高压管上.14（四）法兰形状圆形法兰最常见，方形法兰利于管子排列紧凑，椭圆形法兰常用于阀门和小直径的高压管子上。15窄面法兰:法兰与垫片的整个接触面积都位于螺栓孔包围的圆周范围内.宽面法兰:法兰与垫片接触面积位于法兰螺柱中心圆的内外两侧.16法兰按接触面分类窄面法兰宽面法兰概述三、影响法兰密封的因素17影响法兰密封的因素螺栓预紧力密封面型式垫片性能法兰刚度操作条件（1）螺栓预紧力螺栓预紧力是影响密封一个重要因素。预紧力使垫片压紧并实现初始密封。预紧力过大则垫片被压坏或挤出。预紧力通过法兰密封面传递给垫片，良好的密封，必须使预紧力均匀地作用于垫片。当需要预紧力一定时，采取增加螺栓个数、减小螺栓直径对密封有利.18（2）密封面（压紧面）法兰联接密封性能与密封面形式有关，保证垫片均匀压紧的。前提：压紧面的平直度和压紧面与法兰中心轴线垂直、同心。密封面型式选择：垫片的形状及材料、压力、温度和介质。、压力容器和管道中常用的法兰密封面型式和特点1、突面（RF）：光滑平面，可车制密纹水线。结构简单，加工方便，便于进行防腐衬里。接触面积大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压紧。192、凹凸面（MFM）：凸面和凹面相配合，凹面上放置垫片，防止垫片被挤出，适用于压力较高。3、榫槽面(TG)槽中垫片不被挤动；螺栓力较小，获得良好的密封效果。结构较复杂，更换垫片较困难；榫面容易损坏。适于易燃、易爆、有毒介质及较高压力。压力不大时，即使直径较大，也能很好密封。204、全平面（FF）与环连接面（RJ）全平面密封适合于压力较小的场合（PN≤1.6MPa）环连接面主要用在带颈对焊法兰与整体法兰上，适用压力范围为（6.3MPa≤PN≤25.0MPa）5、其他类型密封面高压容器和高压管道用需要尺寸精度高，不易加工.球面（透镜）和椭圆或八角形截面金属垫片.21（3）垫片性能垫片适当变形和回弹能力是形成密封的必要条件。最常用垫片分类：非金属、金属、非金属与金属混合制的垫片。221）非金属垫片：橡胶石棉板、聚四氟乙烯等。柔软、耐腐蚀耐温度和压力性能较金属垫片差。适用于常、中温和中、低压设备和管道的法兰密封。2）金属垫片：材料一般并不要求强度高，而是要求软韧。常用是软铝、紫铜、铁(软钢)、蒙耐尔合金(含Ni67％，Cu30％，Cr4～5％)钢等。主要用于中、高温和中、高压法兰联接密封。3）金属与非金属混合制垫片：金属包垫片及缠绕垫片等。金属包垫片用薄金属板（镀锌薄钢板、0Cr18Ni9等）将非金属包起来；金属缠绕垫片是薄低碳钢带(或合金钢带)与石棉带一起绕制而成。不带定位圈和带定位圈。23垫片材料的选择根据温度、压力以及介质腐蚀决定，同时考虑密封面形式、螺栓力的大小以及装卸要求等。查表3-19。2425足够的法兰刚度是保证密封可靠的重要条件。刚性越大密封越好，但不可过大，如过大法兰厚度会增加，造价高，不经济。法兰刚度不足，会引起轴向翅曲变形，导致密封失效。在螺栓数目较小的情况下，法兰刚度不足，还会使两螺栓之间的法兰密封面呈波浪形变形，不能保证密封。但过分提高法兰刚度，将使螺栓力增大，法兰也将变得笨重，增加了法兰造价。所以进行密封设计时，要计算法兰刚度和螺栓直径及个数。（4）法兰刚度（5）操作条件的影响主要指联接系统的压力、温度和介质的物理、化学性质。单纯的压力或介质因素对密封的影响并不是主要的，只有在与温度联合作用时，尤其是在波动的高温作用下，将会严重影响密封性能。26在高温下，介质对垫片的溶解和腐蚀作用加剧，增加了泄漏的可能性，法兰、螺栓、垫片可能产生蠕变和应变松弛，使密封比压下降。一些非金属垫片在高温下会加速老化或变质，甚至烧毁。此外，在高温作用下，密封组合件各自膨胀量不一致，对密封不利。如果温度和压力联合作用，又有波动时，垫片将会疲劳,使密封失效。在低温下操作的密封，由于法兰和螺栓冷却的速度不一样，垫片的预紧力会不均匀的降低，加之垫片的低温下的收缩和弹性降低，以及管道的冷却收缩都会加速管道泄漏的产生。综上分析：影响密封的因素很多，为了使密封可靠，只有在密封组合件设计时，认真考虑各种影响因素，在结构和造材上加以解决。石油、化工上用的法兰标准有两类：一类是压力容器法兰标准；一类是管法兰标准。四、法兰标准及选用27（1）压力容器法兰标准1．平焊法兰28名称压力等级PN（MPa）直径范围DN（mm）温度范围备注平焊法兰甲型0.25，0.6，l.0，1.6300～2000-20℃～300℃乙型0.25～1.6压力等级中较大直径范围还可用于2.5和4.0两个压力等级中较小直径范围300～3000-20℃～350℃表中给出了甲型、乙型平焊法兰及对焊法兰适用的公称压力和公称直径的对应关系和范围。乙型法兰有一个壁厚不小于16mm圆筒形短节，因而使其刚性比甲型平焊法兰好；甲型的焊缝开V型坡口，乙型的焊缝开U型坡口，所以乙型也比甲型具有较高的强度和刚度。2．对焊法兰长颈对焊法兰有厚度更大的颈，刚性大。更高压力(PN0.6～6.4MPa)和直径(DN300～2000mm)，适用-0℃～450℃。29乙型平焊法兰中DN2000mm以下规格包括在长颈对焊法兰的规定范围之内。两者联接尺寸和法兰厚度一样。DN2000mm以下的乙型平焊法兰可用轧制长颈对焊法兰代替，以降低成本。平焊与对焊法兰都有带衬环的与不带衬环的两种。当设备是由不锈钢制作时，采用碳钢法兰加不锈钢衬环，可以节省不锈钢。303、公称直径与公称压力根据公称直径与公称压力由法兰标准确定法兰尺寸。压力容器法兰公称直径同压力容器.例如：DN1000mm的压力容器，应当配用DN1000mm的压力容器法兰。31法兰公称压力：与最大操作压力、操作温度以及材料有关。定义：以16MnR在200℃时的机械性能为基准确定法兰尺寸，在200℃时，它的最大允许操作压力就认为是具有该尺寸法兰的公称压力。公称压力PNO.6MPa法兰，用16MnR制造的，在200℃时，最大允许操作压力0.6MPa。高于200℃的最大操作压力将低于它的公称压力0.6MPa。低于200℃仍按200℃确定其最高工作压力。材料改为Q235-A，机械性能比16MnR差，公称压力PN0.6MPa的法兰，200℃操作，最大允许操作压力也低于公称压力。材料由16MnR改为15MnVR，机械性能优于16MnR，公称压力PN0.6MPa的法兰，在200℃操作时，最大允许操作压力将高于它的公称压力。只要法兰的公称直径、公称压力确定，法兰的尺寸也就确定。最大允许工作压力的确定32表3-21甲型、乙型平焊法兰的最大允许工作压力例题：为操作温度300℃，设计压力0.6MPa的容器选配法兰。1）材料15MnVR按公称压力0.6MPa查取。2）材料20R按公称压力1.0MPa查取尺寸。33（2）管法兰标准同样公称直径的容器法兰和管法兰的尺寸不相同，不能互相代用。管法兰的型式除平焊、对焊法兰外，还有铸钢法兰、铸铁法兰、活套法兰、螺纹法兰等。管法兰标准查选方法、步骤与压力容器法兰相同。34常用标准：1）化工部标准（分为欧洲体系、美洲体系等，我国常用的为欧洲体系）HG20592～HG20602-97；2）GB9119.7-88；3）中石化标准SH3406-96。压力容器法兰标记方法：35管法兰标记方法：a.标准号:各类法兰均标注HG20592b.法兰类型代号，按表3-23所列c.法兰公称通径DN(mm)与适用钢管外径系列d.法兰公称压力PN，Mpae.密封面形式代号，见表3-24f.应由用户提供钢管壁厚：带颈对焊法兰、对焊环松套法兰应标注钢管壁厚。g.材料牌号。,h.其他。采用与标准不一致的要求,如密封面的表面粗糙度等。