法蘭

1、1,法 蘭,2,,本節(jié)主要內(nèi)容,法蘭組成、分類標(biāo)準(zhǔn)法蘭的選擇法蘭聯(lián)結(jié)的泄漏方式法蘭的選擇法蘭的設(shè)計(jì)法蘭的設(shè)計(jì)舉例習(xí)題,3,,1、法 蘭,,2、法蘭分類,,1、螺栓法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu),由法蘭盤、 螺栓、螺母、墊片組成 可拆的密封結(jié)構(gòu) 較好強(qiáng)度、密封性、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可多次重復(fù)拆卸,按連接部位分：管法蘭（管道連接）容器法蘭（用于殼體、封頭的連接）,按法蘭接觸面的寬窄分：窄面法蘭（墊片接觸面位于螺栓孔包圍的圓周范圍內(nèi)）寬面

2、法蘭（墊片接觸面位于法蘭螺栓中心圓的內(nèi)外兩側(cè)）適用于厚度較薄或鑄鐵等脆性材料的法蘭，并只適用于低壓或墊片較軟的場合,4,,1、法 蘭,,2、法蘭分類---按整體性程度來分類,松式法蘭- 法蘭不直接固定在殼體上或者雖固定而不能保證法蘭與殼體作為—個(gè)整體承受螺栓載荷。,（a）、（b）、（c）松式法蘭；（d）、（e）、（f）整體法蘭； （g）、（h）、（i）任意法蘭（不保證全焊透的平焊法蘭）。圖1 法蘭形式,活套法蘭,螺紋法蘭,搭接法

3、蘭,整體法蘭-- 將法蘭與殼體鍛或鑄成—體或經(jīng)全焊透法蘭。結(jié)構(gòu)能保證殼體與法蘭同時(shí)受力，使法蘭厚度可適當(dāng)減薄，但會(huì)在殼體上產(chǎn)生較大附加應(yīng)力。帶頸法蘭可以提高法蘭與殼體的連接剛度,任意式法蘭- 從結(jié)構(gòu)來看，這種法蘭與殼體連成一體，剛性比整體法蘭差,5,,2、法蘭標(biāo)準(zhǔn),,2、《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》（HG20592～20635－97）， 容器法蘭采用《壓力容器法蘭》(JB 4700～4707-2000)。,法蘭的公稱壓力是按容

4、器或管道所受的壓力分為若干標(biāo)準(zhǔn)等級而設(shè)定的。每個(gè)公稱壓力等級表示一定材料和工作溫度的法蘭的最高工作壓力。如容器法蘭的公稱壓力等級是以16MnR為容器法蘭材料在200℃時(shí)的最高工作壓力為依據(jù)制訂的，因此當(dāng)法蘭材料和工作溫度不同時(shí)，最大工作壓力將降低或升高。,管法蘭公稱直徑是管子的名義直徑，是接近管子內(nèi)、外徑的某一整數(shù)。例如DNl00無縫鋼管的外徑為108mm，而內(nèi)徑視管壁厚度不同。容器法蘭的公稱直徑與容器內(nèi)徑取值相同。,增加互換性、降低

5、成本,標(biāo)準(zhǔn)法蘭系根據(jù)不同公稱直徑（DN）和公稱壓力（PN）選擇。,6,,甲型、乙型法蘭適用材料及最大允許工作壓力,,,用于350℃，它的最大允許工作壓力降為0.82Mpa；,PN1.0的甲型、乙型平焊法蘭,若改用20號鋼，則在20～200℃時(shí)的最大允許工作壓力為0.74MPa，如溫度升為350℃，最大允許工作壓力降低為0.56MPa。,法蘭材料為16MnR時(shí)，在20～200℃時(shí)的最大允許工作壓力為1.00MPa,7,,2、選擇并確定容

6、器法蘭的公稱壓力等級,,（1）選用的容器法蘭公稱壓力等級在相應(yīng)法蘭材料和相應(yīng)工作溫度下的最大允許工作壓力必須大于等于最大工作壓力；（2）真空系統(tǒng)的容器法蘭的公稱壓力等級一般不應(yīng)小于0.6MPa；（3）當(dāng)操作介質(zhì)為易燃、易爆或有毒時(shí)應(yīng)盡可能采用高一個(gè)等級的法蘭。（4）管法蘭與容器法蘭兩類法蘭標(biāo)淮的連接尺寸是不同的，因此一對法蘭必須選用同一標(biāo)準(zhǔn)，選用時(shí)不能混淆。,8,,3、法蘭聯(lián)結(jié)的泄漏方式,,2、從壓緊面的界面泄漏

7、密封失效的主要途徑,,1、從墊圈滲透泄漏,通過墊片材料本體毛細(xì)管的滲透泄漏,主要與墊片的結(jié)構(gòu)、材料有關(guān),沿墊片與壓緊面之間的泄漏，泄漏量大小與界面間隙尺寸有關(guān)。加工時(shí)，壓緊面上凹凸不平及壓緊面不足是造成界面泄漏 的直接原因。,,壓緊面,9,,3、影響法蘭聯(lián)結(jié)密封因素,,2、壓緊面的作用,,1、墊片性能,適宜的墊片變形和回彈能力是形成密封的必要條件。墊片的變形和回彈性能與墊片材料、形狀、結(jié)構(gòu)、螺栓預(yù)緊力、壓緊面提供的表面約束、操作條件(壓

8、力、溫度、介質(zhì))等有關(guān)。,壓緊面又稱密封面，直接與墊片接觸，是傳遞螺栓力使墊片變形的表面約束。為了達(dá)到預(yù)期密封效果，壓緊面的型式和表面粗糙度應(yīng)與選用的墊片相適應(yīng),,壓緊面,3、螺栓預(yù)緊力,預(yù)緊力必須使聯(lián)接處實(shí)現(xiàn)初始密封條件，并保證墊片不被壓壞或擠出,10,,影響法蘭聯(lián)結(jié)密封因素,,5、操作條件的影響,,4、法蘭剛度,法蘭剛度不足，會(huì)引起軸向翹曲變形，特別是當(dāng)螺栓數(shù)目較少時(shí)，螺栓間的法蘭密封面會(huì)因剛度不足產(chǎn)生波浪形變形，使密封失效,操作條

9、件是指聯(lián)接系統(tǒng)的壓力、溫度及介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)。單純的壓力或介質(zhì)因素對密封的影響并不是苛刻的，只有在與溫度聯(lián)合作用時(shí)，尤其是在波動(dòng)的高溫作用下，將會(huì)嚴(yán)重影響密封性能。,,壓緊面,11,,法蘭壓緊面的型式與選擇,,凹凸型密封面,平面型密封面,壓緊面與墊片接觸面積較大，預(yù)緊時(shí)，墊片容易被擠到壓緊面兩側(cè)，不易壓緊，故所需壓緊力較大，密封性能較差。一般適用于壓力不高．介質(zhì)無毒、非易燃易爆場合。平面型壓緊面一般與平墊片或纏繞式墊片配合使用,便于

10、對中，能防止軟質(zhì)墊片被擠出，而且壓緊面比平面型密封面窄，較易密封。適用于公稱直徑Di≤800mm、 公稱壓力PN≤1.6～6.4MPa的法蘭聯(lián)接。,榫槽型密封面,易獲得良好密封效果。而且，可以少受介質(zhì)的沖刷和腐蝕，安裝時(shí)又便于對中而使墊片受力均勻。結(jié)構(gòu)與制造都比較復(fù)雜，更換墊片也較費(fèi)事。凸面部分容易碰壞，拆裝時(shí)要十分小心。,12,,法蘭聯(lián)結(jié)的密封設(shè)計(jì),,,壓緊面形式主要應(yīng)根據(jù)工藝條件、密封口徑以及準(zhǔn)備采用的墊片等進(jìn)行選擇。壓緊面的幾何

11、尺寸和表面加工的質(zhì)量要求，必須與相應(yīng)的墊片相配合 甲型法蘭與石棉橡膠板、耐油石棉橡膠板的配合,,壓緊面,13,,墊片材料及類型,增加了回彈性，提高了耐蝕性、耐熱性和密封性能，適用于較高壓力和溫度的場合。常用的組合墊片有金屬包墊片、金屬纏繞墊片和帶骨架的非金屬墊片。,,2、金屬墊片,,3、組合墊片,1、非金屬墊片,橡膠墊、石棉橡膠墊、聚四氟乙烯墊和膨脹 (或柔性)石墨墊 柔軟，耐腐蝕，價(jià)格便宜，但耐溫度和壓力的性能較差；多用于常溫

12、、中溫和中、低壓容器或管道的法蘭密封,金屬墊片具有耐高溫、耐高壓、耐油、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)壓力（p≥6.4MPa）、溫度（t≥350℃）較高時(shí)，都采用金屬墊片或墊圈。金屬墊片材料一般并不要求強(qiáng)度高，而是要求韌性好。常用的金屬墊材料有軟鋁、鋼、純鐵、軟鋼（08、l0號鋼）、鉻鋼（0Crl3）和不銹鋼(0Crl8Ni9、00Crl7Nil4Mo2）,14,,墊片的選擇,,,1、非金屬墊片,墊片選擇應(yīng)根據(jù)溫度、壓力、介質(zhì)的腐蝕性來確定，同時(shí)應(yīng)考

13、慮兼顧價(jià)格低廉，制造容易，安裝更換方便等條件。,對于結(jié)構(gòu)不十分致密的非金屬墊片在較高密封壓力時(shí)，如果壓緊面表面質(zhì)量較好，也宜用較薄墊片。在達(dá)到要求的密封壓力的場合，在墊片不致被壓潰的前提下，宜選用較窄墊片。,15,,5、螺栓設(shè)計(jì),,,保證法蘭連接緊密不漏的兩個(gè)條件,預(yù)緊時(shí)，使預(yù)緊面與墊片之間建立起不低于y值的比壓力,工作時(shí)，螺栓力能夠抵抗內(nèi)壓的作用，并且在墊片表面維持高于 值的比壓力,,,16,,5、螺栓設(shè)計(jì),,,預(yù)緊密封比壓力y

14、 MPa,為達(dá)到初始密封面必須在墊片上施加的壓應(yīng)力。,工作密封比壓力,為保證工作時(shí)緊密而不漏而必須施加（殘余）在墊片上的壓應(yīng)力。,墊片系數(shù)m,在操作時(shí)，為保證法蘭壓緊面緊密不漏，墊片上所必須維持的工作密封比壓力 與介質(zhì)壓力p的比值,物理意義：表示墊片在操作狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)密封的難易程度。M值小，表示操作所需要的壓緊力也小。M只與墊片的材料和幾何形狀有關(guān)。,,,17,,螺栓載荷計(jì)算,①在預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷,,,,,—預(yù)緊狀態(tài)下

15、需要的最小螺栓載荷，N；,—墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm；,—墊片的有效密封寬度，mm；,—墊片的比壓力，MPa，由表3-12查得,當(dāng)b0≤6.4mm時(shí)，b=b0 ；,當(dāng)b0＞6.4mm時(shí)，,,當(dāng)b0≤6.4mm時(shí)，,＝墊片接觸面的平均直徑,當(dāng)b0＞6.4mm時(shí)，,＝墊片接觸面外徑－2b,,密封面基本寬度,18,,螺栓載荷計(jì)算,②在操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷,,,,,抵抗內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向使法蘭連接分開的載荷,,,維持密封墊片表面必需的

16、壓緊載荷之和,,由于m是實(shí)驗(yàn)測定的，測試時(shí)，墊片面積只取其中一面故計(jì)算時(shí)m需乘以2。取2倍墊片有效接觸面積上的壓緊載荷等于操作壓力m倍，,,19,,螺栓載荷計(jì)算,螺栓尺寸與數(shù)目,,,,,,確定螺栓截面尺寸時(shí)應(yīng)分別求出兩種工況下螺栓的總面積，擇其大者為所需螺栓總截面積，從而確定實(shí)際選用螺栓直徑與個(gè)數(shù)。,,,,在選定螺栓數(shù)目n后，即可按式（3-76）得到螺栓根徑,,,確定螺栓數(shù)目n時(shí)，螺栓數(shù)目 一般為偶數(shù)，且最好為4的倍數(shù)不僅要考慮法蘭

17、連接的密封性，還要考慮安裝的方便。螺栓數(shù)多了，墊片受力均勻，密封性好,但螺栓數(shù)目太多，螺栓間距就小，可能放不下扳手，同時(shí)螺栓直徑相應(yīng)減小，小直徑螺栓擰緊時(shí)容易折斷,所以一般≥12mm。,20,,螺栓載荷計(jì)算,螺栓材料,,,,,,對螺栓材料的一般要求是強(qiáng)度高，韌性好，耐介質(zhì)腐蝕。,但螺栓強(qiáng)度強(qiáng)，螺栓直徑就小，導(dǎo)致螺栓過分伸長和松弛,為避免螺栓與螺母咬死，螺母的硬度—般比螺栓的硬度低HB30，這可通過選用不同強(qiáng)度級別的材料或采用不同熱處理

18、來實(shí)現(xiàn),21,,法蘭的設(shè)計(jì),,,,,,標(biāo)準(zhǔn)法蘭按相關(guān)法蘭標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。,非標(biāo)準(zhǔn)法蘭設(shè)計(jì)時(shí)，采用試算法。一般以直徑和壓力等級相近的標(biāo)準(zhǔn)法蘭尺寸為基礎(chǔ)，擬定非標(biāo)準(zhǔn)法蘭的結(jié)構(gòu)和尺寸。最后做強(qiáng)度校核。 法蘭強(qiáng)度計(jì)算的華特斯（Waters）法 是彈性理論分析為基礎(chǔ),22,,華特斯（Waters）法,,,,,,圓筒體,錐頸,法蘭環(huán),螺栓載荷W,軸向力P1,軸向力P2,墊片反力P3,當(dāng)量力偶W1,,,不連續(xù)處,剪力和彎矩,,內(nèi)壓在各構(gòu)件中引起

19、的縱向薄膜 應(yīng)力和邊緣應(yīng)力)遠(yuǎn)小于螺栓緊固力(用上述力偶替換）產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力故可忽略不計(jì)。此外也不計(jì)及螺栓孔的影響。,兩個(gè)假設(shè),23,,華特斯（Waters）法,,,,,,圓筒體,錐頸,法蘭環(huán),剪力和彎矩,,在力學(xué)分析上把圓筒體視作一端受邊緣力和力矩的半無限長圓柱薄殼，將錐頸作為兩端分別受邊緣力和力矩作用的線性變厚度圓柱殼，而法蘭環(huán)則視為環(huán)形薄板受力矩彎曲作用。然后與解不連續(xù)應(yīng)力的方法相同，由各連接處內(nèi)力平衡條件和變形

20、協(xié)調(diào)條件，求出各邊緣力和邊緣力矩，最終求出各部分上的應(yīng)力 。,確定校核法蘭強(qiáng)度的三個(gè)主要應(yīng)力為法蘭環(huán)內(nèi)圓柱面上與錐頸連接處的最大徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力，以及錐頸兩端外表面的軸向彎曲應(yīng)力，視頸部斜度或大端、小端而定，當(dāng)斜度較大時(shí)，出現(xiàn)在小端，反之位于大端,24,,法蘭設(shè)計(jì)方法,,,,,,,（1）法蘭力矩的計(jì)算,,作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力,流體壓力引起的總軸向力與作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力之差,,

21、,,,窄面法蘭墊片壓緊力,包括 、 、 （預(yù)緊）三種情況,,,,25,,法蘭設(shè)計(jì)方法,,,,,,,（1）法蘭力矩的計(jì)算,,預(yù)緊時(shí)，因Pc=0 ,總力矩為,操作時(shí)，總力矩 為,,,,,,,,,,，,按式（3-85）確定。對于整體法蘭或按整體法蘭計(jì)算的任意式法蘭,,,法蘭設(shè)計(jì)力矩 取下述兩者中較大值,26,,法蘭設(shè)計(jì)方法,,,,,,,法蘭應(yīng)力的計(jì)算,,錐頸上與法蘭連接處的軸向彎曲應(yīng)力,法蘭環(huán)上的徑向應(yīng)力,,,,,,,,,,，,法蘭環(huán)上

22、的切向應(yīng)力,,,f―整體法蘭頸部應(yīng)力校正系數(shù),,,,,和,,,查表,ｆ,27,,法蘭應(yīng)力的計(jì)算,,,,,,,,法蘭的最大軸向應(yīng)力 位于錐頸的大端或小端，一方面它是沿截面線性分布的純彎曲應(yīng)力，另一方面具有局部的性質(zhì)，小量屈服不會(huì)對法蘭環(huán)密封部位的變形產(chǎn)生較大影響而導(dǎo)致泄漏，所以采用極限載荷設(shè)計(jì)法，取1.5倍材料許用應(yīng)力作為它的最大允許應(yīng)力,,,,,,,,,,，,法蘭的最大徑向應(yīng)力 位于環(huán)板內(nèi)邊緣與錐頸的連接處，為彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)

23、力,,,,,,,,,法蘭的最大環(huán)向應(yīng)力 位于環(huán)板內(nèi)邊緣靠密封面處，亦為彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力但如果允許頸部有較高的應(yīng)力（超過材料屈服極限），則頸部的載荷因應(yīng)力重新分配會(huì)傳遞到法蘭環(huán)，而導(dǎo)致法蘭環(huán)材料部分屈服，故對錐頸和法蘭環(huán)的應(yīng)力平均值也須加以限制。例如若 達(dá)到1.5倍許用應(yīng)力， 或 只允許0.5倍許用應(yīng)力,28,,例題,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,29,,例題,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,

24、,,,,30,,例題,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,31,,例題,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,32,,例題,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,33,,例題,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,34,,例題,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,1、法蘭按其整體性程度，分為松式法蘭、整體法蘭、 任意式法蘭三種 型式。 2、法蘭計(jì)算中

25、，實(shí)際使用的螺栓總截面積，以螺紋小徑計(jì)算或以無螺 紋部分的最小徑計(jì)算，取最小值。3、操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力與墊片的（ a ）有關(guān)。 難 a) m; b) y 4、密封面標(biāo)記RF的含義是（ c ） 易 a) 全平面; b) 凸面; c) 實(shí)面; d) 凹面5．“WN”表示（ b ）類型的法蘭。 易 a) 帶頸下焊法蘭; b) 帶頸

26、對焊法蘭; c) 整體法蘭; d) 承插焊法蘭6．墊片愈硬，比壓力y越（ a ） 易 a) 大; b) 小7．當(dāng)螺栓材料為35CrMoA時(shí)，螺母材料可選擇（ b ,c ,d ） 難 a) 35#; b) 30 CrMoA; c)45#; d) 35 CrMoA8、某盛裝液化石油氣臥式儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，出口管直徑為DN150mm，其連接面法蘭、墊片和螺栓應(yīng)

27、如何選??？中 答：應(yīng)參照HG20592~20635的規(guī)定，法蘭選用高頸對焊法蘭，壓力等級≥2.0MPa，墊片為：帶外環(huán)的金屬纏繞墊片，螺栓：專用級高強(qiáng)度螺栓,35,,例題,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,1、若選用HG20592~20635標(biāo)準(zhǔn)中美洲體系管法蘭，公稱壓力 PN≥11.0MPa的法蘭鍛件一定要采用Ⅲ級鍛件。難2．螺栓的公稱直徑不小于M12，當(dāng)公稱直徑大于M48時(shí)，應(yīng)采 用細(xì)牙

28、螺紋。中3．螺栓的硬度（布氏硬度，HB）應(yīng)比螺母高20~30HB。4、選用JB/T4700中的乙型法蘭。當(dāng)腐蝕裕量為3mm時(shí)，應(yīng)加 厚短節(jié)厚度（ b ）mm。 難 a) 1; b) 2; c) 不增加5、HG20634《鋼制管法蘭用緊固件》中規(guī)定，（ a, c ）場 合應(yīng)選用全螺紋螺柱。 a) 高溫、劇烈循環(huán)場合; b) PN≥11.0MPa; 難 c) P