化工机械设备法兰设计

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1、一、一、概述概述1.1 法兰简介法兰简介法兰（Flange）又叫法兰盘或凸缘盘。法兰是使管子与管子相互连接的零件，连接于管端。法兰连接或法兰接头，是指由法兰、垫片及螺栓三者相互连接作为一组组合密封结构的可拆连接，管道法兰系指管道装置中配管用的法兰，用在设备上系指设备的进出口法兰。法兰上有孔眼，螺栓使两法兰紧连。法兰间用衬垫密封。法兰分螺纹连接（丝接）法兰和焊接法兰。1.2 法兰的材质法兰的材质按制作材质可分为：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%钼） 、C12（9%铬 1%钼） 、CA6

2、NM(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）1.3 法兰连接法兰连接法兰连接(flange，joint)由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺母组成。垫片放在两法兰密封面之间，拧紧螺母后，垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使连接严密不漏。法兰连接是一种可拆连接。按所连接的部件可分为

3、容器法兰及管法；按结构型式分，有整体法兰、活套法兰和螺纹法兰。常见的整体法兰有平焊法兰及对焊法兰。平焊法兰的刚性较差，适用于压力 p4MPa 的场合；对焊法兰又称高颈法兰，刚性较大，适用于压力温度较高的场合。法兰密封面的型式有三种：平面型密封面，适用于压力不高、介质无毒的场合；凹凸密封面，适用于压力稍高的场合；榫槽密封面，适用于易燃、易爆、有毒介质及压力较高的场合。垫片是一种能产生塑性变形、并具有一定强度的材料制成的圆环。大多数垫片是从非金属板裁下来的，或由专业工厂按规定尺寸制作，其材料为石棉橡胶板、石棉板、四氟板、聚乙烯板等；也有用薄金属板(白铁皮、不锈钢)将石棉等非金属材料包裹起来制成的金

4、属包垫片；还有一种用薄钢带与石棉带一起绕制而成的缠绕式垫片。普通橡胶垫片适用于温度低于 120的场合；石棉橡胶垫片适用于对水蒸气温度低于 450，对油类温度低于 350，压力低于5MPa 的场合，对于一般的腐蚀性介质，最常用的是耐酸石棉板。在高压设备及管道中，采用铜、铝、10 号钢、不锈钢制成的透镜型或其他形状的金属垫片。高压垫片与密封面的接触宽度非常窄(线接触)，密封面与垫片的加工光洁度较高。低压小直径有丝接法兰，高压和低压大直径都是使用焊接法兰，不同压力的法兰盘的厚度和连接螺栓直径和数量是不同的。1.4 法兰分类法兰分类1.4.1 平焊钢法兰平焊钢法兰平焊钢法兰适用于公称压力不超过 2.5

5、MPa 的碳素钢管道连接，平焊法兰的密封面可以制成光滑式、凹凸式和榫槽式三种。光滑式平焊法兰的应用量最大，多用于介质条件比较缓和的情况下，如低压非净化压缩空气、低压循环水，它的优点是价格比较便宜。1.4.2 对焊钢法兰对焊钢法兰对焊钢法兰用于法兰与管子的对口焊接，其结构合理，强度与刚度较大，经得起高温高压及反复弯曲和温度波动，密封性可靠，公称压力为0.252.5MPa 的对焊法兰采用凹凸式密封面。1.4.3 承插焊法兰承插焊法兰承插焊法兰常用于 PN10.0MPa，DN40 的管道中。1.4.4 松套法兰松套法兰松套法兰俗称活套法兰，分焊环活套法兰、翻边活套法兰和对焊活套法兰。常用于介质温度和

6、压力都不高而介质腐蚀性较强的情况。当介质腐蚀性较强时，法兰接触介质的部分(翻边短节)为耐腐蚀的高等级材料如不锈钢等材料，而外部则利用低等级材料如碳钢材料的法兰环夹紧它以实现密封。1.4.5 整体法兰整体法兰整体法兰常常是将法兰与设备、管子、管件、阀门等做成一体，这种型式在设备和阀门上常用。1.5 法兰代号法兰代号不同的标准其法兰的密封面及型式的名称、代号略有区别。见表 1、表 2。表表 1 1 密封面名称及代号对照表密封面名称及代号对照表序号序号SHSH 340634069696 HG20592HG2059220635206359797JB/T74JB/T7490909494GB9112GB9

7、112200020001 1全平面（全平面（FFFF）全平面（全平面（FFFF）平面（平面（FFFF）2 2凸台面（RFRF）突面（突面（RFRF）凸面面突面（突面（RFRF）3 3凹凸面（MFMF）凹凸面（MFMMFM）凹凸面凹凸面（MFMF）4 4榫槽面（TG）榫槽面（TG）榫槽面榫槽面（TG）5 5榫槽面（TG）环连接面（环连接面（RJRJ）环连接面环连接面环连接面（环连接面（RJRJ）表表 6 62 2 结构型式代号对照表结构型式代号对照表序号序号SHSH 340634069696HG20592HG2059220635206359797JB/T74JB/T7490909494GB911

8、2GB9112200020001 1对焊（对焊（WNWN）对焊（对焊（WNWN）对焊（）对焊（）对焊（）对焊（）2 2承插焊（SWSW）承插焊（SWSW）承插焊（）（）3 3平焊（SOSO）平焊（SOSO）平焊（）（）平焊（）（）4 4螺纹（PT）螺纹（Th）螺纹（）5 5松套（LJ）松套（PJ/LF）松套（）松套（）6 6法兰盖（）法兰盖（BL）法兰盖（）法兰盖（）7 7 整体法兰（IFIF）整体法兰（）（） 整体法兰（）（）二、二、工艺设计工艺设计2.1 结构设计结构设计法兰设计时, 我们可先假设一法兰尺寸, 然后对其应力进行校核。我们知道, 法兰主要是受弯曲载荷, 该载荷是由法兰力矩产生

9、的, 并由此产生 3 个应力: 法兰锥颈端部轴向应力H,法兰环的径向应力R 和法兰环的环向应力T。GB150- 1998钢制压力容器中规定, 这 3 个应力应分别计算, 且应力校核应控制在: H 15 t, R, T t 的范围内。是整体式长颈对焊法兰, 图 2 是任意式平焊法兰。平焊法兰按整体法兰计算时, 法兰与对接筒体或短节间的焊缝被视作锥颈进行处理。 当法兰结构尺寸确定后, 法兰锥颈段大端厚度1、法兰锥颈段小端厚度和法兰厚度f 的不同, 对应力值H, R, T 有直接的影响, 因此1、和f 的合理取值, 就成了法兰设计的关键, 并且使得H,R, T 的值, 尽可能地接近 t, 以达到法兰

10、的满应力设计, 降低制造成本。当所计算的应力不能很好的与其相应的许用值相接近, 就需要调整法兰的尺寸来解决。由于锥颈尺寸和法兰环厚度对 3 个应力的影响关系是互相牵连的, 应根据不同的情况进行调节。图 3、4 为1, f 与H, R, T 的关系。可以看出: 当锥颈尺寸1 增加时, H、T 下降,R 上升; 当法兰环厚度f 增加时, H、R 下降, T 增加或下降。法兰结构尺寸1, f 的调节要领:当H 15 t )时, 锥颈尺寸1 是敏感因素, 调整1 即能取得明显的效果调整1 = 1(原来)H15 t 当R 05 t )时, 法兰环厚度f 是敏感因素, 调整f 即能取得明显的效果，调整f=

11、 f(原来)H05 t 当T 05 t )时, 锥颈尺寸1 是敏感因素, 调整(增大或减小) 1 即能取得明显的效果。2.2 垫片设计的要点垫片设计的要点常用的法兰密封面型式有突面(平面)、凹凸面、榫槽面和环面等, 常用的垫片种类有非金属平垫、金属包复垫、缠绕垫和实心金属垫等, 我们只要根据压力高低、介质毒性程度和操作温度等条件合理选择即可。HG20583- 1998钢制化工容器结构设计规定中, 对垫片类型及选用有较详细的规定,一些相关的设计手册上都有这方面的介绍。GB150- 1998钢制压力容器中, 给出了垫片有效密封宽度的计算。预紧状态下垫片需要的最小压紧力 F a 和操作状态下垫片需要

12、的最小压紧力F p, 与垫片有效密封宽度、所选择的垫片比压力 y 和垫片系数 m 有关。垫片所需的最小宽度可按经验确定。垫片设计的要点, 是选择合适的垫片, 尽可能的减小垫片压紧的载荷, 不使垫片发生压缩塑性变形, 而丧失回弹能力, 同时降低法兰力矩, 降低 3 个法兰应力指标。F a 和 F p 的调整方法: 当选择较软的垫片时, 比压力 y 减小, F a 也减小, F p 则增大; 当选择较硬的垫片时, 比压力 y 增大, F a 也增大, F p 则减小。2.3 螺栓设计的要点螺栓设计的要点法兰力矩的力臂都为载荷至螺栓中心的距离,螺栓中心圆直径 D b 的大小, 直接影响到法兰力矩的大

13、小, 因此尽量紧缩螺栓中心圆的直径 D b, 对法兰设计十分有利。螺栓的布置, 可按 GB150- 1998钢制压力容器中表 9- 3 来确定。GB150- 1998钢制压力容器中还给出了螺栓在预紧状态下和操作状态下需要的最小螺栓载荷的计算公式, 由此我们可以算出螺栓在预紧状态下和操作状态下需要的最小螺栓面积 A a 和 A p, 计算需要的螺栓面积 Am 取 A a 与 A p 之大值, 设计中实际配置的螺栓面积 A b 应不小于 Am, 并应留有一定的裕量。螺栓设计的要点, 是控制尽可能小的螺栓中心圆直径 D b, 同时螺栓规格和数量的选择要合适, 螺栓规格选用的过大或过小, 对法兰力矩都

14、是不利的。三、三、机械设计机械设计3.1 尺寸设计尺寸设计1）出气口法兰：圆形法兰外圆轮廓为 300mm，表面粗糙度为 12.5，法兰孔的直径为 50mm，表面粗糙度为 3.2，尺寸上偏差为+0.054,下偏差为 0 。2）进气口法兰：矩形法兰轮廓为 300mm*250mm，表面粗糙度为 12.5，法兰孔的直径为 50mm，表面粗糙度为 3.2，尺寸上偏差为+0.054,下偏差为 0。3）灰斗处法兰：圆形法兰外圆轮廓为 250mm，表面粗糙度为 12.5，法兰孔的直径为 50mm，表面粗糙度为 3.2，尺寸上偏差为+0.054,下偏差为 0 。3.2 材料设计材料设计法兰材料为 45 钢，锻造，考虑到法兰盘在连接两管的工作过程中，要承受螺钉连紧时的压力，要有一定的韧性，因此选用锻件，尽可能使金属纤维不被切断，保证零件工作可靠。