法兰的设计和选用

经验交流2017年第5期（第30卷，总第151期）•机械研究与应用•doi：10.16576/j.cnki.1007-4414.2017.05.056法兰的设计和选用#罗永智，王治刚，杨斌，李永红(兰州兰石重型装备股份有限公司，甘肃兰州730314)摘要：法兰的正确设计和选用是保证压力容器和管道安全运行的关键。介绍了法兰的类型和密封面型式，以及法兰密封的工作原理，并对法兰的设计和选用进行了概括总结，给技术人员的设计工作提供了参考和帮助。关键词：法兰；密封；设计；选用中图分类号：TH49;TQ055.8文献标志码：A文章编号：1007-4414(2017)05-0174-03DesignandSelectionofFlangeLUOYong-zhi，WANGZhi-gang，YANGBin，LIYong-hong(LanzhouLSHeavyEquipmentCo.，Ltd，LanzhouGansu730314,China)Abstract:Correctdesignandcorrectselectionarethekeypointsforthesafeoperationofpressurevesselandpipeline.Inthisarticle，thetypeofflange，sealingsurfacepatternofflangeandtheprincipleofflangesealingareintroduced.Inaddition，de­signandselectionoftheflangearesummarized.Thusitwouldwork.Keywords:flange;sealing;design;selection0引言法兰[1]在压力容器和管道上被广泛应用，主要用于设备与设备之间、管道与管道之间、设备与管道之间的连接，具有较好的强度，拆卸方便，密封性能可靠。法兰作为压力容器和管道的重要元件之一，在设计和选用时保证法兰能够安全使用是前提条件，由于其结构类型多样，涉及到的参数和外部因素又较多，所以具体实施过程还比较复杂。文中结合工作当中的实践经验，对法兰的设计和选用做了分析总结。1法兰的类型和密封面型式[2]1.1法兰的类型从计算角度出发，法兰按其连接在容器或管道上的整体性程度分为如图1所示的三种型式。图1法兰型式(1)松式法兰:法兰没有固定在容器或接管上或是虽有固定但未能有效连成整体，法兰与容器或接管不能一'起承受施加于法兰上的载荷。如活套法兰、一-般角焊缝连接的平焊法兰、螺纹法兰等。除螺纹法兰被应用于高压容器和管道外，松式法兰常用于压力较providehelpandsupportfortechnicianswiththedesigning低（不大于1MPa)且介质是非易燃易爆无毒的工况。(2)整体法兰:法兰完全固定在容器或接管上且形成一个整体结构，能够共同承受施加于法兰上的载荷，固定的方式包括法兰与容器或接管锻造加工成一个整体，或者采用焊接连接，保证全截面焊透。如带颈对焊法兰、长高颈法兰、全焊透的平焊法兰等。整体法兰能够用于高温、高压、存在疲劳或冲击载荷、极度高度危害介质，强渗透性介质的场合。(3)任意式法兰:该种法兰介于上述两种法兰之间，从结构上看，法兰与容器或接管存在关联，但又未完全形成整体结构，最常见的就是未全截面焊透的平焊法兰。这种法兰通常按照整体法兰进行强度计算，但为了简便，当满足如下条件时可按照活套法兰进行强度计算:筒体或接管的壁厚不大于15mm;筒体或接管的内径与壁厚的比值不大于300;设计压力不大于2MPa;设计温度不大于370丈。任意式法兰常用于中低压且介质特性一般的场合，不宜使用在高温或低温工况。1.2密封面型式要保证法兰连接密封的可靠性，设计时必须选择合理的密封面型式，常用的密封面型式有突面、凹凸面、榫槽面、和环面四种，如图2所示。(1)突型密封面：由一对突出的加工平面组成，易于加工,垫片拆卸方便。采用非金属垫片时，垫片容易变形向两侧伸展，密封性能相对较差，常用于压*收稿日期:2017-08-12作者简介:罗永智（1985-)，男，甘肃武威人，工程师，主要从事压力容器设计和制造技术方面的工作。•174••机械研究与应用•2017年第5期（第30卷，总第151期）经验交流力和温度不高、密封性能要求不严的场合。当采用金属+非金属组合垫片时，垫片整体结构增强，增加了回弹性能，提高了密封性能，适用于压力、温度较高或密封要求严的场合。(2)凹凸型密封面：由一个凸面和一个凹面组成，在凹面上放置垫片，垫片便于对中，易被压紧，且压紧时垫片受到凹面挡圈的限制不会被挤出来，密封性能和适用范围在同等条件下都要优于突型密封面,就是加工稍有难度,垫片拆卸不太方便。(3)榫槽型密封面：由一个榫面和一个槽面组成，垫片宽度窄，被按放在槽内，通常采用缠绕式或金属包垫片,螺栓预紧时垫片不会被挤出，容易获得良好的密封效果。适用于压力高、温度高、密封要求严格的重要场合。其主要缺点就是结构复杂，加工有难度，装配时容易损坏密封面,垫片不易清除，更换垫片不便。(4)环型密封面：由一对环状的梯形槽面组成，通常与椭圆垫或者八角垫配合使用，槽面的硬度要比垫片硬度至少高30HB。环型槽的锥面与金属环垫通过线接触达到密封，具有一定的径向自紧作用，密封可靠，适用于高温、高压、存在压力波动和冲击、介质危害程度高的场合。其主要缺点是密封面加工要求比较严，垫片的比压力较高，需要较大的螺栓压紧力，制造成本较高。2法兰密封的工作原理法兰密封结构由螺栓、垫片、法兰共同构成，是一种可以多次拆装的密封结构，通过拧紧螺栓把容器或管道连接在一起，同时对安装在密封面处的垫片进行压紧，垫片在压紧力的作用下被弹性压缩并产生部分塑性变形，法兰密封面之间的间隙被垫片充分填塞，达到阻止介质泄漏的目的。3法兰的设计和选用3.1法兰的设计法兰的设计内容包括垫片设计、螺栓设计和法兰本身结构设计三部分[3]，由于影响因素较多，正确合理地优化设计是一项非常复杂的工作。目前国内外法兰的设计方法在不断更新发展，力学计算模型被不断优化改进，其中著名的Waters法就被大多数法兰设计标准所采用，包括国内常用标准GB/T150.3-2011，具体设计要点如下：(1)根据容器或管道的设计压力、设计温度，并考虑介质的毒性、腐蚀性及法兰密封面的型式，确定垫片的材料、结构形式及尺寸,并计算垫片需要的最小压紧力,结果为预紧状态和操作状态下两者的较大值。垫片设计的基本要求是保证密封安全可靠，同时节约成本、加工制作和拆装方便。(2)根据垫片需要的最小压紧力，结合设计工况,选用合理的螺栓材料，计算出所需的螺栓面积，确定合适的螺栓规格和数量。实际确定的螺栓面积应大于所需计算面积,但也不宜过大，否则会导致法兰刚度不足变形或垫片整体屈服失效甚至被挤出。(3)依据设计参数和介质特性,确定法兰材料，选用合理的法兰类型和密封面型式，初步拟定各结构的尺寸，然后进行反复试算，不断调整法兰结构尺寸,直至各结构尺寸均能满足相应的强度校核条件。需要指出的是:在满足环向螺栓间最小间距、扳手径向操作空间及密封面结构尺寸的前提下,螺栓中心圆直径要尽量小，这样可以缩短力臂，减小法兰力矩;还要合理调整法兰环和锥颈的结构尺寸，使法兰趋于满应力状态[4]，即法兰各部分充分发挥强度性能并保证足够的轻度。简言之，法兰的设计就是选择合适垫片、设置适宜的螺栓、确定合理的法兰材料和结构尺寸，保证法兰的结构紧凑、受力合理、重量轻、耗材少。虽然法兰结构简单，但设计时涉及因素较多，受力复杂,计算繁琐，例如:垫片材料及结构、垫片宽度及直径、螺栓材料、规格及中心圆直径，法兰材料、密封面型式、厚度、锥颈厚度及高度等，所以在实际工程设计时很难做到法兰的设计完全最佳化,设计者只能借助设计经验并通过反复试算来确定相对合理、经济的法兰结构。3.2法兰的选用法兰是压力容器和管道的重要元件，为了方便使用、节省经济成本,增加通用性和互换性，国内外早已制订了一系列包括法兰、垫片、紧固件的标准规范，例如国内常用的管法兰标准HG/T20592〜20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》[5]，在具体设计时，应尽可能按标准选用法兰。在选用标准法兰时，首先确定法兰材料;然后根据法兰材料确定合适的公称压力等级,保证设计压力和设计温度在标准法兰允许的范围之内;最后根据法兰的公称压力、公称直径、类型及密封面型式在标准中查取详细的结构尺寸。对于标准法兰,在选用时不需要更多考虑垫片螺栓、法兰自身结构的要求，因为这些标准都取自相关工业的经验、试验和计算，已经考虑了经济、安全和标准化的要•175•经验交流2017年第5期（第30卷，总第151期)•机械研究与应用•求[6]。当法兰的设计工况、公称直径等设计条件超出标准规定时,采用非标法兰，需要进行详细的设计和计算，以满足安全使用的要求。对于非标法兰,在工程设计时,为了便于设计,通常是先确定法兰的类型及密封面型式、垫片的材料及结构;然后参考法兰标准中相近的法兰初步拟定法兰尺寸;最后进行强度计算和参数调整,直至各部分尺寸均能满足校核条件。目前，国内法兰的设计大多按照GB/T150.3-2011标准的规定进行，为了提高工作效率,便于优化设计，我们需要借助SW6等计算软件进行辅助计算。4结语法兰的设计是“垫片-螺栓-法兰”设计的总称,是压力容器和管道设计中至关重要的部分，法兰是否安全关系到环境、人身及财产的安全,设计时必须足够重视。理解和掌握法兰设计的过程及要点,能够正(上接第171页）属无腐蚀性场所的工业与民用建筑和高层建筑电气及竖井内安装。随着工业现代化的发展，特殊要求的母线槽应用而生,如防火母线槽，防水母线槽,防腐蚀母线槽已被广泛应用，对于此类有特殊要求的母线槽产品，在遵循上述安装要求的前提下还应根据用户的实际需求特殊安装。总之，只有熟练掌握母线槽产品安装要求和注意事项，科学规范安装使用，才能保证输配电线路的可靠运行。另外,为了保证人民生命与(上接第173页）加工高硬度轧辊/辊环可以达到以车代磨的效果。由于加工难度的克服和效率的提高，我公司已具备大规模承接外部市场产品的能力。为下一步高速钢轧辊的加工打下坚实的基础。确、合理的设计和选用法兰是对安全的重要保障。笔者对于法兰设计和选用方面的概括总结，能够帮助技术人员对法兰设计有更全面的认识，有利于改进设计流程，优化法兰结构。参考文献：[1]GB/T150.1〜150.4-2011,压力容器[S].2011.[2]郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计[M].北京:化学工业出版社,2008.[3]全国锅炉压力容器标准化技术委员会设计计算方法专业文员会,戚国胜，段瑞.压力容器工程师设计指南[M].北京：中国石化出版社,2013.[4]桑如苞.压力容器设计工程师培训教程[M].北京:新华出版社,2005.[5]HG/T20592〜20635-2009.钢制管法兰、垫片、紧固件[S].2009.[6]王志文，蔡仁良.化工容器设计[M].北京：化学工业出版社，2005............................................................................................................................................................................................................ini'财产更加安全，随着智能化的应用，可远程监测的智能型母线槽系统安装也是我们需开发研究的方向。参考文献：[1]GB7251.2-2006/lEC60439-2:2000.低压成套开关设备和控制设备第一部分:型式试验和部分型式试验成套设备[S].[2]GB50149-2010.电气装置安装工程母线装置施工及验收规范[S].[3]李正正.低压成套开关设备的结构设计[J].机械研究与应用，2002(4)：56-57.参考文献：