法蘭

1、1,法 蘭,2,,本節(jié)主要內容,法蘭組成、分類標準法蘭的選擇法蘭聯(lián)結的泄漏方式法蘭的選擇法蘭的設計法蘭的設計舉例習題,3,,1、法 蘭,,2、法蘭分類,,1、螺栓法蘭聯(lián)接結構,由法蘭盤、 螺栓、螺母、墊片組成 可拆的密封結構 較好強度、密封性、結構簡單、成本低廉、可多次重復拆卸,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）寬面

2、法蘭（墊片接觸面位于法蘭螺栓中心圓的內外兩側）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。結構能保證殼體與法蘭同時受力，使法蘭厚度可適當減薄，但會在殼體上產(chǎn)生較大附加應力。帶頸法蘭可以提高法蘭與殼體的連接剛度,任意式法蘭- 從結構來看，這種法蘭與殼體連成一體，剛性比整體法蘭差,5,,2、法蘭標準,,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準等級而設定的。每個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℃時的最高工作壓力為依據(jù)制訂的，因此當法蘭材料和工作溫度不同時，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、外徑的某一整數(shù)。例如DNl00無縫鋼管的外徑為108mm，而內徑視管壁厚度不同。容器法蘭的公稱直徑與容器內徑取值相同。,增加互換性、降低

5、成本,標準法蘭系根據(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，在20～200℃時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法蘭材料和相應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小于0.6MPa；（3）當操作介質為易燃、易爆或有毒時應盡可能采用高一個等級的法蘭。（4）管法蘭與容器法蘭兩類法蘭標淮的連接尺寸是不同的，因此一對法蘭必須選用同一標準，選用時不能混淆。,8,,3、法蘭聯(lián)結的泄漏方式,,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管的滲透泄漏,主要與墊片的結構、材料有關,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。加工時，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、結構、螺栓預緊力、壓緊面提供的表面約束、操作條件(壓

8、力、溫度、介質)等有關。,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。為了達到預期密封效果，壓緊面的型式和表面粗糙度應與選用的墊片相適應,,壓緊面,3、螺栓預緊力,預緊力必須使聯(lián)接處實現(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)結密封因素,,5、操作條件的影響,,4、法蘭剛度,法蘭剛度不足，會引起軸向翹曲變形，特別是當螺栓數(shù)目較少時，螺栓間的法蘭密封面會因剛度不足產(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、溫度及介質的物理、化學性質。單純的壓力或介質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，尤其是在波動的高溫作用下，將會嚴重影響密封性能。,,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，預緊時，墊片容易被擠到壓緊面兩側，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，可以少受介質的沖刷和腐蝕，安裝時又便于對中而使墊片受力均勻。結構與制造都比較復雜，更換墊片也較費事。凸面部分容易碰壞，拆裝時要十分小心。,12,,法蘭聯(lián)結的密封設計,,,壓緊面形式主要應根據(jù)工藝條件、密封口徑以及準備采用的墊片等進行選擇。壓緊面的幾何

11、尺寸和表面加工的質量要求，必須與相應的墊片相配合 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。當壓力（p≥6.4MPa）、溫度（t≥350℃）較高時，都采用金屬墊片或墊圈。金屬墊片材料一般并不要求強度高，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,墊片選擇應根據(jù)溫度、壓力、介質的腐蝕性來確定，同時應考

13、慮兼顧價格低廉，制造容易，安裝更換方便等條件。,對于結構不十分致密的非金屬墊片在較高密封壓力時，如果壓緊面表面質量較好，也宜用較薄墊片。在達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、螺栓設計,,,保證法蘭連接緊密不漏的兩個條件,預緊時，使預緊面與墊片之間建立起不低于y值的比壓力,工作時，螺栓力能夠抵抗內壓的作用，并且在墊片表面維持高于 值的比壓力,,,16,,5、螺栓設計,,,預緊密封比壓力y

14、 MPa,為達到初始密封面必須在墊片上施加的壓應力。,工作密封比壓力,為保證工作時緊密而不漏而必須施加（殘余）在墊片上的壓應力。,墊片系數(shù)m,在操作時，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 與介質壓力p的比值,物理意義：表示墊片在操作狀態(tài)下，實現(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。,,,17,,螺栓載荷計算,①在預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷,,,,,—預緊狀態(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b0≤6.4mm時，b=b0 ；,當b0＞6.4mm時，,,當b0≤6.4mm時，,＝墊片接觸面的平均直徑,當b0＞6.4mm時，,＝墊片接觸面外徑－2b,,密封面基本寬度,18,,螺栓載荷計算,②在操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷,,,,,抵抗內壓產(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是實驗測定的，測試時，墊片面積只取其中一面故計算時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,,螺栓載荷計算,螺栓尺寸與數(shù)目,,,,,,確定螺栓截面尺寸時應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，從而確定實際選用螺栓直徑與個數(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，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，同時螺栓直徑相應減小，小直徑螺栓擰緊時容易折斷,所以一般≥12mm。,20,,螺栓載荷計算,螺栓材料,,,,,,對螺栓材料的一般要求是強度高，韌性好，耐介質腐蝕。,但螺栓強度強，螺栓直徑就小，導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度級別的材料或采用不同熱處理

18、來實現(xiàn),21,,法蘭的設計,,,,,,標準法蘭按相關法蘭標準進行選擇。,非標準法蘭設計時，采用試算法。一般以直徑和壓力等級相近的標準法蘭尺寸為基礎，擬定非標準法蘭的結構和尺寸。最后做強度校核。 法蘭強度計算的華特斯（Waters）法 是彈性理論分析為基礎,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,當量力偶W1,,,不連續(xù)處,剪力和彎矩,,內壓在各構件中引起

19、的縱向薄膜 應力和邊緣應力)遠小于螺栓緊固力(用上述力偶替換）產(chǎn)生的彎曲應力故可忽略不計。此外也不計及螺栓孔的影響。,兩個假設,23,,華特斯（Waters）法,,,,,,圓筒體,錐頸,法蘭環(huán),剪力和彎矩,,在力學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)應力的方法相同，由各連接處內力平衡條件和變形

20、協(xié)調條件，求出各邊緣力和邊緣力矩，最終求出各部分上的應力 。,確定校核法蘭強度的三個主要應力為法蘭環(huán)內圓柱面上與錐頸連接處的最大徑向應力、切向應力，以及錐頸兩端外表面的軸向彎曲應力，視頸部斜度或大端、小端而定，當斜度較大時，出現(xiàn)在小端，反之位于大端,24,,法蘭設計方法,,,,,,,（1）法蘭力矩的計算,,作用于法蘭內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 、 、 （預緊）三種情況,,,,25,,法蘭設計方法,,,,,,,（1）法蘭力矩的計算,,預緊時，因Pc=0 ,總力矩為,操作時，總力矩 為,,,,,,,,,,，,按式（3-85）確定。對于整體法蘭或按整體法蘭計算的任意式法蘭,,,法蘭設計力矩 取下述兩者中較大值,26,,法蘭設計方法,,,,,,,法蘭應力的計算,,錐頸上與法蘭連接處的軸向彎曲應力,法蘭環(huán)上的徑向應力,,,,,,,,,,，,法蘭環(huán)上

22、的切向應力,,,f―整體法蘭頸部應力校正系數(shù),,,,,和,,,查表,ｆ,27,,法蘭應力的計算,,,,,,,,法蘭的最大軸向應力 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力，另一方面具有局部的性質，小量屈服不會對法蘭環(huán)密封部位的變形產(chǎn)生較大影響而導致泄漏，所以采用極限載荷設計法，取1.5倍材料許用應力作為它的最大允許應力,,,,,,,,,,，,法蘭的最大徑向應力 位于環(huán)板內邊緣與錐頸的連接處，為彎曲應力和拉伸應

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

25、，實際使用的螺栓總截面積，以螺紋小徑計算或以無螺 紋部分的最小徑計算，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。 難 a) m; b) y 4、密封面標記RF的含義是（ c ） 易 a) 全平面; b) 凸面; c) 實面; 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．當螺栓材料為35CrMoA時，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罐，設計壓力為1.6MPa，出口管直徑為DN150mm，其連接面法蘭、墊片和螺栓應

27、如何選?。恐?答：應參照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：專用級高強度螺栓,35,,例題,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,1、若選用HG20592~20635標準中美洲體系管法蘭，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，當公稱直徑大于M48時，應采 用細牙

28、螺紋。中3．螺栓的硬度（布氏硬度，HB）應比螺母高20~30HB。4、選用JB/T4700中的乙型法蘭。當腐蝕裕量為3mm時，應加 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 合應選用全螺紋螺柱。 a) 高溫、劇烈循環(huán)場合; b) PN≥11.0MPa; 難 c) P