法兰、垫片基础知识

法兰、垫片基础知识曲政明第一章法兰化工装置中大量采用法兰连接，分为设备法兰与管法兰两大系列。设备法兰维修中很少需要更换；检修中常常在更换阀门、液位计、等零部件时，管法兰需同步更换。1、法兰的分类按化工(HG)行业标准分：整体法兰(IF)、螺纹法兰(Th)、板式平焊法兰(PL)、带颈对焊法兰(WN)、带颈平焊法兰(SO)、承插焊法兰(SW)、对焊环松套法兰(PJ/SE)、平焊环松套法兰(PJ/RJ)、衬里法兰盖(BL(S))、法兰盖(BL)。2、法兰的结构形式整体法兰系指泵、阀、机等机械设备与管道连接的进出口法兰，通常和这些管道设备制成一体，作为设备的一部分。按法兰结构及其管子的连接方式分为：整体法兰螺纹法兰对焊法兰平焊法兰松套法兰法兰盖等螺纹法兰是将法兰的内孔加工成管螺纹，并和带螺纹的管子配合实现连接，是一种非焊接法兰。与焊接法兰相比，它具有安装、维修方便的特点，可在一些现场不允许焊接的场合使用。但在管道温度变化急剧或温度高于20℃低于-45℃的条件下，建议不使用螺纹法兰，以免发生泄漏。2、法兰的结构形式对焊法兰又称高颈法兰，它与其他法兰不同之处在于从法兰与管子焊接处到法兰盘有一段长而倾斜的高颈，此段高颈的壁厚沿高度方向逐渐过渡到管壁厚度，改善了应力的不连续性，因而增加了法兰强度。对焊法兰主要用于工况比较苛刻的场合，如管道热膨胀或其他载荷而使法兰处受的应力较大，或应力变化反复的场合；压力、温度大幅度波动的管道和高温、高压及零下低温的管道。2、法兰的结构形式2、法兰的结构形式平焊法兰又称搭焊法兰。平焊法兰与管子的连接是将管子插入法兰内孔至适当位置，然后在搭焊，其优点在于焊接装配时较易对中，且价格便宜，因而得到了广泛的应用。按内压计算，平焊法兰的强度约为相应对焊法兰的三分之二，疲劳寿命约为对焊法兰的三分之一。所以，平焊法兰只适用于压力等级比较低，压力波动、振动及震荡均不严重的管道系统中。2、法兰的结构形式2、法兰的结构形式松套法兰的连接实际也是通过焊接实现的，只是这种法兰是松套在已与管子焊接在一起的附属元件上，然后通过连接螺栓将附属元件和垫片压紧以实现密封，法兰（即松套）本身则不接触介质。这种法兰连接的优点是法兰可以旋转，易于对中螺栓孔，使用在大口径管道上易于安装，也适用于管道需要频繁拆卸以供清洗和检查的地方。其法兰附属元件材料与管子材料一致，而法兰材料可与管子材料不同，因此比较适合于输送腐蚀性介质的管道。2、法兰的结构形式2、法兰的结构形式法兰盖也称盲板法兰，是中间不带孔的法兰，供封住管道堵头用。2、法兰的结构形式法兰密封面型式和代号（GB/T9112-2000）密封面型式代号平面FF突面RF凹凸面凸面MFM凹面F榫槽面榫面TGT槽面G环连接面RJ3、法兰的密封面形式3、法兰的密封面形式全平面（FF）：全平面密封适合于压力较小的场合（PN≤1.6MPa）；3、法兰的密封面形式平面密封面主要用于宽面法兰及低压管道系统中，与相配密封垫片接触面分布于法兰螺栓中心圆的内外两侧。对应的垫片材质多为石棉橡胶等非金属软质材料，垫片预紧比压较低，无论是平焊法兰还是对焊法兰或者是承插法兰都有用到。3、法兰的密封面形式突面（RF）：表面是一个光滑的平面，也可车制密纹水线。密封面结构简单，加工方便，且便于进行防腐衬里。但是，这种密封面垫片接触面积较大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压紧。突面密封面主要用于窄面法兰，即垫片的接触面位于螺栓孔所包围的区域范围内，也就是突面密封面对的垫片外径正好与法兰连接螺栓内切圆直径相当，安装时可借助螺栓使垫片位置固定在法兰面中央。这种密封面在法兰上应用最为广泛。3、法兰的密封面形式3、法兰的密封面形式凹凸面（MFM）密封面是由一个凸面和一个凹面相配合组成，在凹面上放置垫片，能够防止垫片被挤出，故可适用于压力较高的场合。凹凸面密封面的特点是垫片嵌在凹面的凹槽中，减少垫片被压力冲击的可能性，装配时便于对中，和突面密封面法兰相比，这种密封面常常可以用在密封要求较严的场合，其缺点是一对法兰两种密封面，密封面加工较突面法兰复杂，因此不像突面法兰那样应用广泛。和榫槽面法兰相比，它还有不能保护垫片不被挤入管道内的缺点。3、法兰的密封面形式3、法兰的密封面形式3、法兰的密封面形式榫槽面(TG)密封面是由榫和槽所组成的，垫片置于槽中，不会被挤动。垫片可以较窄，因而压紧垫片所需的螺栓力也就相应较小。即使用于压力较高之处，螺栓尺寸也不致过大。因而，它比以上两种密封面均易获得良好的密封效果。密封面的缺点是结构与制造比较复杂，更换挤在槽中的垫片比较困难。此外，榫面部分容易损坏，在拆装或运输过程中应加以注意。榫槽密封面适于易燃、易爆、有毒的介质以及较高压力的场合。当压力不大时，即使直径较大，也能很好地密封。3、法兰的密封面形式环连接面（RJ）：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）。环连接面密封的法兰，也属于窄面法兰，井在法兰的突面上开出一环状梯形槽作为法兰密封面，和榫槽面法兰一样，这种法兰在安装和拆卸时必须在轴向将法兰分开，因此，在管线设计时要考虑到将法兰在轴向分开的可能。3、法兰的密封面形式3、法兰的密封面形式4、法兰的压力等级法兰标准：HG20592-2009(PN系列）\HG20615-2009（Calss系列）欧洲体系分为0.25MPa、0.6MPa、1.0MPa、1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa、10.0MPa、16.0MPa、25.0MPa共10个压力等级，适用公称直径DN=10～2000mm。美洲体系分6个压力等级，适用于DN=15～1500mm。Class（磅级）150、300、600、900、1500、2500公称压力/MPa2.0、5.0、11.0、15.0、26.0、42.04、法兰的压力等级4、法兰的压力等级4、法兰的压力等级5、法兰的材质WCB（碳钢）、LCB（低温碳钢）、LC3（3.5%镍钢）、WC5(1.25%铬0.5%钼钢）、WC9（2.25%铬）、C5（5%铬0.5%钼）、C12（9%铬1%钼）、CA6NM(4）（12%铬钢）、CA15(4)（12%铬）、CF8M（316不锈钢）、CF8C（347不锈钢）、CF8（304不锈钢）、CF3（304L不锈钢）、CF3M（316L不锈钢）、CN7M（合金钢）、M35-1（蒙乃尔）、N7M（哈斯特镍合金B）、CW6M（哈斯塔镍合金C）、CY40（因科镍合金）等。碳钢20#3040Cr18Ni9304L00Cr17Ni103160Cr18Ni12Mo2Ti316L00Cr17Ni14Mo23210Cr18Ni9Ti第二章垫片工业上使用的平垫片一般由密封元件及内、外加强环组成，密封元件或称垫片本体是阻止泄漏的关键部分。其常用的材料有非金属材料，如柔性石墨、聚四氟乙烯、纤维增强橡胶基复合板等。此外，密封元件材料也可以是刚性或柔性的金属，通常用于压力和温度较高的场合。对于非金属材料的密封元件，通常插入金属材料予以增强，同时也方便了如石墨等易破碎材料密封元件的制造加工。增强材料可以是金属薄板或丝网,金属薄板常常采用冲刺孔的方式以提高增强效果和增加弹性，并通过粘结剂和辊压将它们贴合在一起。密封元件也可以可设一表面层或抗粘结处理层来增加密封效果和防止法兰密封面粘结。1、垫片的结构形式1、垫片的结构形式外加强环或外环材料均为实体金属，其作用是：帮助密封元件安装时对中；防止密封元件过份压缩而破坏；防止垫片吹出和减少法兰转动等。外加强环不与密封介质接触，因此不要求耐介质腐蚀，故常常由碳钢材料制成。外加强环还可以与密封元件制成一体，例如金属齿形垫片、波齿复合垫片。内加强环或内环接触流体，其材料应能抵御密封介质的腐蚀。内加强环的作用是：防止密封元件与容器或管道法兰之间的空隙，以避免此空隙干扰流体的流动以及由此引起的流体对垫片的冲蚀。1、垫片的结构形式金属垫片金属复合垫片非金属软垫片法兰用密封垫片非金属软垫片聚四氟乙烯垫片聚四氟乙烯包覆垫片橡胶垫片石棉橡胶垫片非石棉纤维橡胶垫片金属缠绕式垫片金属冲齿板柔性石墨复合垫片金属波齿复合垫片金属齿型复合垫片金属包履垫片金属平垫片金属波纹形垫片金属齿形垫片金属环形垫片金属透镜垫片八角形环垫椭圆形环垫RX型及BX型自紧密封环垫2、垫片的种类及应用1、非金属平垫片非金属平垫片。标准：HG20606公制（欧洲体系）系列、HG20627英制（美洲体系）系列。材料通常包括：天然橡胶及合成橡胶；石棉板橡胶板和耐油石棉橡胶板;合成纤维橡胶压制板（有机、无机）；改性或填充的聚四氟乙烯板。非金属平垫片的选用垫片型式垫片材料使用条件适用密封面型式用途PN/MPat/℃非金属垫片石棉橡胶板XB200≤1.5≤200全平面突面凹凸面榫槽面用于水、蒸汽、空气、氨（气态或液态）及惰性气体XB350≤4.0≤350XB450≤6.0≤450耐油石棉橡胶垫片NY150≤1.5≤150全平面突面凹凸面榫槽面用于油品、液化石油气、溶剂、石油化工、原料等介质。对于汽油及航空汽油不适用。NY250≤2.5≤250NY400≤4.5≤400垫片型式垫片材料使用条件适用密封面型式用途PN/MPat/℃非金属平垫片非石棉纤维橡胶板有机纤维增强≤14370（连续205）全平面突面凹凸面榫槽面视粘结剂（SBR、NBR、CR及EPDM等）而定无机纤维增强≤14425（连续290）聚四氟乙烯包履垫包履层：聚四氟乙烯嵌入层：石棉橡胶板≤5.0≤150全平面突面用于各种腐蚀性介质及有清洁要求的介质非金属平垫片的选用2、聚四氟乙烯包履垫片聚四氟乙烯包履垫片。标准：HG20607公制（欧洲体系）系列、HG20628英制（美洲体系）系列。聚四氟乙烯包履垫片是一种非金属复合型软垫片，一般由包封皮及嵌入物两部分组成。包封皮主要起抗腐蚀作用，通常由聚四氟乙烯材料制成，嵌入物（填料）为带或不带金属加强筋的非金属材料，通常由石棉橡胶板制成。包履层（聚四氟乙烯）夹镶层（石棉橡胶板或其它复合材料）聚四氟乙烯包履垫片的选用聚四氟乙烯包履垫片主要适用于全平面型及突面型钢制管法兰连接，适用公称压力PN为0.6～5.0MPa、工作温度为0～150℃的腐蚀介质或对清洁度有较高要求的介质。3、金属冲齿柔性石墨复合垫片金属冲齿柔性石墨复合垫片。标准：HG20608公制（欧洲体系）系列、HG20629英制（美洲体系）系列。金属冲齿柔性石墨复合垫片，它是由冲齿或冲孔金属芯板与膨胀石墨粒子复合而成。适用范围：HG20608，PN=1.0～6.3MPa；HG20629，PN=2.0（Class150）～11.0MPa(Class600)。金属冲齿柔性石墨复合垫片型式分为RF型、MFM型和TG型，分别适用于突面、凹凸面和榫槽面法兰。根据需要，RF型垫片可带不锈钢或碳钢内包边，即为RF－E型。金属冲齿柔性石墨垫片的选用垫片型式垫片材料使用条件适用密封面型式用途PN/MPat/℃金属冲齿柔性石墨垫片芯板材料低碳钢（St）≤6.3≤450突面凹凸面榫槽面用于蒸汽及各种腐蚀性介质。0Cr18Ni9(304)≤650标记：XX（标准号）XX（名称）XX（垫片形式）XX（规格）XX（芯板材料）例如，公称直径为200mm、PN=5.0MPa(Class300)、芯板材料0Cr18Ni9的突面法兰用柔性石墨复合垫片，其标记为：HG20629石墨复合垫RF－E200-5.03044、金属包覆垫片金属包覆垫片。标准：HG20609公制（欧洲体系）系列、HG20630英制（美洲体系）系列。适用范围：HG20609，PN=2.5～10.0MPa；HG20630，PN=5.0（Class300）～15.0MPa(Class900)。金属包履垫片是以非金属材料为芯材，切成所需形状，外面包以厚度为0.25～0.5mm的金属薄板组成的一种复合垫片。根据包履状态，一般分为平面型和波纹型两种。垫片