过程设备设计基础--法兰联接

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1、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：,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。,4,法兰联接结构 被联接件-法兰 联接 -螺栓 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

2、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

3、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。,尚未预紧工况 为预紧工况 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：

4、 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”。,9,10,（一）整体法兰,.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。,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

5、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

6、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.,16,17,（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

7、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。,19,2、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。,20,4、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（PN1.6MPa） 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（

8、6.3MPaPN25.0MPa）,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。,22,1）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，Cr45)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

9、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。,24,25,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

10、，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,

11、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。,27,（1） 压力容器法兰标准,1平焊法兰,28,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

12、厚度更大的颈，刚性大。更高压力 (PN 0.66.4MPa)和直径(DN3002000mm)，适用-0450。,29,乙型平焊法兰中DN 2000mm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。,30,3、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：DN 1000mm的压力容器，应当配用DN 1000mm的压力容器法兰。

13、,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，

14、 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）HG20592HG20602-97； 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HG20592 b.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，Mpa e.密封面形式代号，见表3-24 f.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。,