法兰设计

第四节法兰一、引言1、法兰联接生产工艺要求，或为制造、运输、安装、检修方便，大多数化工设备采用可拆卸的联接结构。常见的可拆卸结构有：法兰联接（应用最为广泛）螺纹联接承插式联接法兰联接由法兰对、螺垫片组成；法兰通过紧固螺栓压紧垫片实现密封。因此法兰连接不是独立的承载部件，而是一个“法兰螺栓垫片系统”（或者称为“螺栓法兰联接系统”）法兰结构的完整性问题；法兰接头紧密性问题；（紧密不漏）从设计角度，把法兰连接作为一个系统考虑，且着眼把“泄漏”失效作为设计准则之一；关键是建立垫片特性参数的数据库，以及能测试这些参数的标准方法。至今大多数规范中仍采用传统方法；在不是十分苛刻的操作条件下这一设计方法能满足使用要求。2、设计分析3、法兰设计计算包括的基本问题（1）法兰选用法兰标准及其应用；法兰、垫片和螺栓的选用。（2）法兰设计：密封设计；强度计算。（1）公称通径、公称压力、法兰标准及其应用大多数法兰已经标准化，以适应大量制造，便于互换。可以直接查标准使用。下面先介绍一下公称直径、公称压力公称（直径）通径出于标准化的需要，法兰规格有了公称通径、公称压力的规定；公称通径由字母DN后面跟无因次的整数；英制单位是NPS。表2-9为它们之间对应关系。容器的公称通径是容器的内径，管子则不然。即不等于内径也不等于外径，而是和它们接近的一个整数。法兰的公称通径与其相联接的容器或者管子的公称通径相一致。例如：DN1000mm的压力容器，应当配用DN1000mm的压力容器法兰。DN80的管子应当配DN80的管法兰公称压力按照容器或管子所受的压力分为若干等级，由字母pN后面跟无因次的整数组成；对于英制单位的标准，以字母CLASS后面跟无因次的整数组成，见表2-10。法兰公称压力的定义与最大操作压力、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、公称压力确定了，法兰的尺寸也就确定了。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（设备法兰）一类是管法兰标准㈠压力容器法兰标准《压力容器法兰》JB4700－47031．平焊法兰：2．对焊法兰长颈对焊法兰有厚度更大的颈，刚性大。更高压力范围(PN0.6MPa～6.4MPa)和直径范围(DN300mm～2000mm)，适用温度范围为-20℃～450℃。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。最大允许工作压力的确定：为操作温度300℃，设计压力0.6MPa的容器选配法兰。材料15MnVR按公称压力0.6MPa查取。材料20R按公称压力1.0MPa查取。㈡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同。GB/T9112-9131外，常用标准还有：化工部标准HG20592～HG20602-97；中石化标准SH3406-96等。其中化工部标准中分为欧洲体系、美洲体系等，我国常用的为欧洲体系。设备法兰与管法兰均已制定出标准。在实际的工程应用中，可以根据公称直径和公称压力，从相应的标准中查到，少量超出标准规定范围法兰，才需进行设计。本课程介绍法兰设计过程中相关的概念。（1）密封设计按照工作条件，选取法兰类型、压紧面形状和垫片型式，确定在安装工况和操作工况下，螺栓必需的载荷和尺寸，以达到设计的密封要求。（2）强度计算即初定法兰的结构尺寸，根据(1)计算得到螺栓载荷，对法兰进行上述两种工况的受力分析和应力校核，以确定法兰的厚度。二、法兰设计两种泄漏形式:•渗透泄漏•界面泄漏二、法兰垫片密封和密封设计二、法兰垫片密封和密封设计渗透泄漏是流体通过垫片材料本体毛细管的泄漏，故除了介质压力、温度、粘度、分子结构等流体状态性质外，主要与垫片的结构与材质有关；界面泄漏是流体从垫片与法兰接触界面泄漏，泄漏大小主要与界面间隙尺寸有关。加工时的机械变形与振动造成法兰压紧而总会存在凹凸不平的间隙，如果压紧力不够，界面泄漏即是法兰连接的主要泄漏来源。法兰密封的原理预紧力压紧垫片。压紧应力（垫片密封比压力）到一定数值使垫片变形，密封面上微隙被填满，形成初始密封条件。密封比压力主要决定于垫片材质。垫片材质确定后，垫片越宽，为保证比压力，预紧力越大，螺栓和法兰尺寸也越大，所以垫片不应过宽，更不应该把整个法兰面都铺满垫片。工作状态内压轴向力拉伸，降低了压紧应力。垫片有足够回弹，补偿变形，预紧密封比压值不小于某一值(工作密封比压)，保持良好密封。反之，回弹不足，则此密封失效。密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧力。螺栓和法兰须有足够大的强度和刚度，不发生过大的变形。基于法兰密封原理，在确立法兰设计方法时，把预紧工况和操作工况分开处理，从而大大简化了法兰设计；对两个不同的工况分别引进两个垫片性能参数，即“最小压紧应力”或“比压力”y以及“垫片系数”m。定义预紧比压y：预紧(无内压)时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件，此时垫片所必需的最小压紧载荷，因以单位接触面积上的压紧载荷计，故也称“最小压紧应力”，单位为MPa。垫片系数m：指操作(有内压)时，达到紧密不漏，垫片上所必须维持的比压与介质压力的比值。其值仅与垫片材料、结构与厚度有关，见表2-9。保证法兰紧密不漏的条件(1)必须在预紧时，使螺栓力在压紧面与垫片之间建立起不低于y值的比压力；(2)当设备工作时，螺栓力应能够抵抗内压的作用，并且在垫片表面上维持m倍内压的比压力。尽管y和m在相当程度上掩盖了垫片材料的复杂行为，但一方面它们极大地简化了法兰设计;另一方面按目前的m和y值在实际使用中一般认为是满意的。（二）垫片的选择法兰密封效果的好坏主要取决于垫片的密封性能；垫片适当变形和回弹能力是形成密封的必要条件。垫片按材质分为三类：（1）非金属垫片；（2）金属垫片；（3）金属－非金属组合垫片；非金属垫片：橡胶石棉板、聚四氟乙烯等。柔软耐温度和压力性能较金属垫片差。只适用于常、中温和中、低压设备和管道的法兰密封。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。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。金属包垫片及缠绕垫片较单纯的金属垫片有较好的性能，适应的温度与压力范围较高一些。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。查下表垫片标准压力容器用垫片标准有：JB4704-4706；管道用垫片标准有：HGJ69-74，GB4622等；（三）压紧面的选择要保证法兰连接的紧密性，必须合适地选择压紧面的形状。常用的压紧面形状有突面、凹凸面、榫槽面和梯形槽等几种，如图所示。对于压力不高的场合(不大于2.5MPa)，常用突台面形压紧面。为了使垫片容易变形和防止挤出，其突台面上常刻有2-4条同心的三角形沟槽，但对膨胀石墨垫片或缠绕式垫片无须此槽。凹凸型压紧面分别由一个凸面和凹面配合而成，其优点是垫片便于对中，并不易被内压吹出，但宽度仍较大，故需较大的螺栓预紧力，法兰尺寸也要大一些。榫槽型压紧面由一对榫面和槽面配合而成。这种密封面较窄，用于压力更高、密封要求严的场合。这种压紧面不与介质接触，垫片不会挤入设备或管道内，但其拆卸比较困难，因垫片被挤压在槽内不易清除。梯形槽压紧面与椭圆垫圈和八角垫圈配用。其槽的锥面与垫圈形成线(或窄面)接触密封，因此用于较高压力场合。梯型槽材料的硬度值宜比垫圈材料硬度(HB)高30－40。（四）螺栓设计螺栓设计包括螺栓材料选择、螺栓尺寸和个数确定等；1、螺栓载荷计算：分为预紧和操作两种工况；预紧工况螺栓拉力应等于压紧垫片所需的最小压紧载荷；密封基本宽度有效密封宽度，两者的关系如下：确定了有效宽度，则可以得到相应的用于计算的垫片平均直径：操作工况螺栓载荷应等于抵抗内压产生的轴向使法兰连接分开的载荷和维持密封垫片表面必需的压紧载荷之和，即螺栓尺寸与数目确定螺栓尺寸就是确定螺栓截面的尺寸；也应该分别按照两种工况来计算，然后选择大的作为所需要的螺栓总截面积，从而确定实际选用螺栓直径与个数。螺栓设计载荷在预紧工况下，由于实际的螺栓尺寸可能大于计算值，在拧紧螺栓的时候可能造成实际螺栓载荷超出计算数值，所以确定预紧工况螺栓设计载荷时，螺栓总截面积取平均值。三、法兰类型与标准1、法兰的分类（一）整体法兰１．平焊法兰：制造容易，应用广泛，但刚性较差。法兰附近筒壁的截面上，将产生附加的弯曲应力。所以平焊法兰适用的压力范围较低（PN4.0MPa）。平焊法兰的适用范围：２．对焊法兰又称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，对焊法兰适用于压力、温度较高或设备直径较大的场合。（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）任意式法兰整体性介于整体法兰和松式法兰之间，包括未焊透的焊接法兰。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。小结1、正确理解法兰连接的密封原理，了解影响密封的因素；2、掌握垫片材料类型和垫片的选择，理解垫片性能参数的物理意义；3、掌握螺栓载荷的计算及螺栓的设计问题4、了解法兰的结构及其特点，能使用法兰标准正确选用法兰；1、法兰连接通过紧固螺栓压紧垫片，是垫片发生变形，并提供垫片与密封面的压紧力，以形成压力介质通过密封面的阻力，当这种阻力大于密封元件两侧的介质压力差时，介质即被密封住。垫片的性能、螺栓力的大小、密封面形式以及尺寸精度、法兰刚度及操作条件等均影响密封的可靠性。2、3、螺栓力既要保证两种工况下密封不漏，又不至于把垫片压坏。计算两种工况下所需的最小载荷和螺栓最小截面积，在设计时取两种工况下所需螺栓面积的最大值进行螺栓根径的计算。为了满足法兰环刚度和安装等要求，设计时必须合理调配螺栓的大小和数量，并要求实际螺栓面积大于计算时的螺栓面积。4、法兰按法兰环、锥颈和筒体的整体程度分为松式法兰、整体法兰和任意式法兰。松式法兰被认为法兰未能有效地与筒体连接成一个整体，筒体不与法兰共同承受法兰力矩的作用；如果法兰环、颈部和筒体三者能有效地连成一整体，共同承受法兰力矩的作用，则为整体式法兰。其受力的整体程度介于以上两者间的法兰为任意式法兰。作业1.法兰垫片密封的原理是什么？影响密封的因素有哪些？2.法兰的型式有哪些？各有什么特点？3.法兰密封面型式有哪些？各适用什么场合？4.常用的垫片材料有哪些？各有何特点？5.法兰标准化有何意义？标准化的基本参数有哪些？例4-6：