10_法兰连接解析

第10章法兰连接内容概要§1、压力容器法兰连接§2管法兰连接返回在各种容器和管道中,由于生产操作和测量的需要以及制造、运输、安装和检修的方便,常采用可拆结构。常见的有法兰联接、螺纹联接和插套联接。法兰联接应用最为普遍。它有其优、缺点。§1、压力容器法兰连接可拆结构:法兰联接、螺纹联接、插套联接。不可拆结构:铆接、焊接、粘接。连接结构一、法兰联接的密封原理：法兰联接是由一对法兰、数个螺栓螺母和一个垫片（圈）所组成。把处于法兰压紧面之间的垫圈压紧，当垫圈单位面积上所受的压紧力达到某一值时，借助于垫圈的变形，把法兰密封表面上的凹凸不平处填满，就形成了为防止介质泄露形成了初始密封条件。为保证法兰密封，就必须使法兰密封面上实际存在的比压，预紧时不低于垫圈的预紧密封比压，工作时不低于工作密封比压。预紧密封比压：为防止介质泄露而形成初始密封条件时垫圈单位面积上的压紧力称为垫圈的预紧密封比压。1.密封原理：在连接口增加流体流动的阻力。当压力介质通过密封口的阻力降大于密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封住了。图给出了强制密封中垫圈变形过程示意图。工作密封比压：一个已形成了初始密封条件的法兰连接（即垫圈已被压缩到预紧密封比压)在通入介质后，为不使介质泄露，在密封面与垫圈之间所保留下来的最低比压。要保证法兰密封，就必须使法兰密封面上实际存在的比压，预紧时不低于垫圈的预紧密封比压，工作时不低于工作密封比压。2.影响密封的主要因素螺栓预紧力；垫圈性能；密封面的型式；法兰刚度等均影响密封。二、法兰连接受力分析法兰受力分析过程参见教材P247~P248。影响法兰受力的因素有密封垫圈性质、与法兰联结处的器壁壁厚、螺栓孔中心与密封垫圈的距离等。所受应力为三个弯曲应力。轴向弯曲应力σx环向应力σθ径向应力σr结论：1.密封垫圈是整个法兰的基础，是影响螺栓力和法兰力矩大小的主要因素之一。2.增加与法兰盘接连处器壁（或管壁）的壁厚，可增加法兰的刚度并可减小法兰加给器壁的弯曲应力。3.决定法兰强度大小的关键尺寸是法兰盘的厚度。4.法兰螺孔中心圆直径应尽量小，盲目增大法兰外径没有意义。三、容器法兰标准标准号为JB/T4700～4707—2000。⒈压力容器法兰类型与结构长颈对焊法兰乙型平焊法兰甲型平焊法兰压力容器法兰从整体看有三种形式：①甲型平焊法兰:°有平面密封面和凹凸密封面两种密封面型式。②乙型平焊法兰:③长颈对焊法兰:若容器是用不锈钢制作的，则需采用带不锈钢衬环的法兰。2、法兰密封面的型式法兰联接的密封性能与法兰压紧垫圈的密封面型式有直接关系，所以要合理选择密封面形状。常见的密封面型式有：平面型密封面凹凸型密封面榫槽型密封面三种密封面比较:平面型密封面：常用于所需压紧力不高且介质无毒的场合。凹凸型密封面：用于PN6.4Mpa、DN≤800㎜的场合。榫槽型密封面：使用于密封面易燃、易爆、有毒物质。此外，还有锥形密封面和梯形槽密封面。由于垫圈和密封面间的接触带宽度很窄，故不需很大的螺栓力就可使接触带上产生很大比压。3.压力容器法兰的尺寸系列：⑴两个基本参数法兰的尺寸是由法兰的公称压力PN和公称直径DN两个参数唯一确定的。①法兰的公称直径：指与法兰相配的筒体或封头的公称直径。②法兰的公称压力：指的是在规定的设计条件下，在确定法兰结构尺寸时所采用的设计压力。法兰的公称压力并不代表它的允许工作压力。压力容器法兰的公称压力分七个等级，即0.25、0.60、1.00、1.60、2.50、4.00、6.40Mpa。表10-1中给出了三种不同型式法兰所适用的与范围，也就是制定有标准尺寸的法兰范围。⑵压力容器法兰尺寸系列表简介：表10-2～10-8中给出了全部压力等级的压力容器法兰部分尺寸系列。⑶确定法兰尺寸的计算基础法兰系列表中的法兰尺寸在规定设计温度是200℃、法兰材料是16MnR或16Mn锻件；根据不同型式的法兰，规定了垫片⒊压力容器法兰的最大允许工作压力的形式、材质、尺寸和螺柱材料的基础上，按照不同的容器直径和设计压力，通过多种方案的比较计算和尺寸圆整得到的。所以法兰的尺寸是由法兰的公称压力和公称直径唯一确定的。附表10-10、10-11给出了法兰最大允许工作压力。随着材料强度高于16MnR或低于16MnR，其允许工作压力上升或下降；随着温度高于200℃，其允许工作压力下降。低于-20℃需采用低温用钢。⒋容器法兰尺寸的确定为容器筒体或封头选配法兰的步骤如下：①根据容器的公称直径（内径）DN和设计压力P，参照表10-1初步确定法兰的结构类型。②根据容器的设计压力P，设计温度t及准备采用的法兰材料，按照表10-10、10-11确定所选法兰的公称压力PN。③根据所确定的法兰的PN和DN回查表10-1，验定原定的法兰类型是否包含已确定的PN和DN。④根据PN和DN，由表10-2～10-8中选出相应的尺寸表，确定所选法兰的尺寸。⑤由表10-15确定匹配的垫圈种类、材料和螺柱、螺母材料。参照所查尺寸绘出法兰草图。例题1为一台精馏塔塔节选配法兰。该塔内径Di=1000mm,δn=4mm,操作温度280℃,设计压力p=0.2MPa,法兰材料可用20R,也可用16MnR,试分别确定使用这两种材料时,法兰的类型和尺寸。解:(1)确定法兰类型根据DN=1000mm,p=0.2MPa按表10-1可知应选甲型平焊法兰。(2)确定法兰公称压力根据p=0.2MPa,t=280℃,查表10-10得:材料初设PN温度[p]条件P=0.2MPa重设PN20R0.25MPa300℃0.15MPa不满足0.6MPa16MnR0.25MnR300℃0.21MPa满足0.25MPa(3)确定法兰结构尺寸根据上述计算结果查附表10-2或10-3,并将尺寸注于图中。××°°°°例2为一精馏塔选择塔节与封头的连接法兰。已知塔体内径为800mm，工作温度为360℃，工作压力为0.25MPa，材料为16MnR，试确定标准法兰的各部尺寸并绘制法兰工作图压力容器法兰所用密封垫片有三种：⒌压力容器法兰用密封垫片与缠绕式垫片相同。可用于三种密封面。(1)非金属软垫片(JB4704-92):材料是耐油石棉橡胶板和石棉橡胶板。可用于甲型、乙型和长颈对焊三种法兰上。但在榫槽型密封面及最高压力级别（6.4MPa）的法兰上不用。选用时，可根据所选法兰，按标准确定相应垫片尺寸。(2)金属包垫片（JB4706-92):是由石棉橡胶板作内芯，外包厚度为0.2～0.5㎜厚的薄金属板构成,它只用于乙型平焊和长颈对焊法兰上，其规格尺寸(2)缠绕式垫片（JB4705-92）:用Ocr13或Ocr18Ni9或08F等钢带与石棉或聚四氟乙烯或柔性石墨等填充带相间缠绕而成。为增大垫片弹性和回弹性，金属带与非金属带均轧成波形，波的形状有V、W形。右图所示的V形有四种结构型式：A型—又称基本型，不带加强环，用于榫槽密封面。B型—带内加强环，用于凹凸密封面。C型—带外加强环，用于平面密封面。D型—内外均有加强环，用于光滑密封面。缠绕式垫片可用于三种密封面，但不用于甲型平焊法兰上。它的外径与非金属软垫片相同，但宽度略窄。⒍压力容器法兰所用螺柱和螺母螺纹采用粗牙普通螺纹。螺柱两端螺纹长度约为直径的2.5倍。中部无螺纹处螺柱的直径可取等于螺纹外径（A型，满足优先选用滚制螺柱的需要），也可取小于螺柱外直径（B型，减小热应力，用于温度较高的场合）法兰、垫片与螺柱、螺母材料的匹配见表10-15。例题3为一盛装有毒介质的容器选配法兰联接,容器的设计压力为0.6MPa,工作温度为300℃,容器内径为2m。解:(1)确定法兰类型由题中条件对照表10-1查看可知:可用的法兰有乙型平焊和长颈对焊两种类型。(2)选定法兰材料、确定法兰的公称压力和法兰尺寸如果选用乙型平焊法兰,可查附表10-10,由已知条件得法兰的材料只能用15MnVR板材或20MnMo锻件。法兰尺寸可从表中按PN=0.6MPa,DN=2000mm查得。选用长颈对焊法兰,可查表10-11。右图尺寸是按PN=0.6MPa,DN=2000mm从表中查得。(3)确定密封面型式、垫片种类和尺寸选用榫槽密封面,垫片用A型缠绕式。内外径尺寸可从标准（JB/T4704～4707）查得。查表10-15确定螺柱材料2MoVA,螺母材料30CrMoA。查标准确定螺柱规格为M24,数量60个。(4)确定螺柱、螺母材料、规格、数量⒎压力容器法兰标记例:公称压力1.6MPa,公称直径800mm衬环榫槽面乙型平焊法兰中的榫面法兰,标记为:法兰C－T800－1.6JB/T4702-2000⑴法兰标记：由五部分组成。见教材264页。例：解释法兰-PI1.6-1000JB/T4701-2000的含义？(2)垫片的标记①非金属软垫片例:公称直径1000mm,公称压力2.5MPa容器法兰用非金属软垫片,标记为:垫片1000－2.5JB/T4704-2000②缠绕式垫片例:公称直径1000mm,公称压力2.5MPa法兰使用的,用0Cr18Ni9钢带和石棉填充带制成的,带内加强环的缠绕垫片,标记为:垫片B21－1000－2.5JB/T4705-2000③金属包垫片例:公称直径1000mm,公称压力2.5MPa法兰用的。用0Cr19Ni9薄板包层的金属包垫片,标记为:垫片G－1000－2.5JB/T4706-2000(3)螺柱的标注例:直径为24mm,长度为160mm,未车螺纹部分螺柱的直径等于螺纹外径的压力容器用等长双头螺柱,标记为:螺柱M24×160－AJB/T4707-2000返回§2管法兰连接管法兰标准有国家标准(GB/T9112～9124-2000),还有原化工部1997年颁布的HG20592～20635-97钢制管法兰标准。两个标准的制定依据均为ISO7005-1-1992。一、管法兰的类型和密封面型式:HG管法兰标准规定了八种不同类型的管法兰和两种法兰盖，见表10-17。管法兰有五种密封面型式:全平面(FF)、突面(RF)、榫槽面(TG)、凹凸面(MFM)、环连接面(RJ)。见图10-16。在这几种类型法兰中、各有哪几种密封面型式及各种类型法兰规定适用的公称压力等级和公称直径范围可查有关标准。⒈板式平焊法兰:仅用于PN≤1.0MPa,且仅有突面密封一种密封面型式。不得用于有毒、易燃、易爆和有较高真空度要求的化工工艺配管系统。⒉带颈平焊法兰:有四种密封面型式,只缺少环连接密封面。它与钢管之间的焊接,需要根据公称压力等级的不同,采用开坡口和不开坡口的角接接头和添角焊缝。⒊带颈对焊法兰:是承载能力最好的法兰型式。有突面、凹凸面、榫槽面及环连接面四种密封面型式。⒋承插焊法兰:仅用于DN≤50mm、PN≤10MPa的小口径管道上。因为法兰与钢管之间仅有单面填角焊。⒌松套法兰:适用的公称压力较低,但比板式平焊法兰高一个等级。平焊环松套法兰有突面、榫槽面、凹凸面三种密封面。翻边松套法兰仅有突面一种密封面型式松套法兰主要适用于具有腐蚀性介质或有色金属管道系统,法兰和其附属元件可采用不同材料,节省不锈钢或有色金属。⒍法兰盖:主要用于管道端部或作封头(人孔、手孔)用。二、管法兰的结构尺寸1、连接尺寸主要指：螺栓孔中心圆尺寸k,螺栓个数n，螺纹尺寸Th,螺孔直径L,法兰外径D。如右图:2、密封面尺寸：可查有关标准。上图所示板式平焊法兰中的特征尺寸:B(法兰内径),b(坡口宽度)及坡口角度(50°)等。3、结构特征尺寸：反映法兰的结构特点。如图所示：b4、法兰厚度：法兰的厚度系列有三组，每一组厚度系列都是按公称压力排列的，其中：(1)平板类法兰，包括板式平焊法兰，板式松套法兰。(2)带颈类：包括带颈平焊法兰，带颈对焊法兰和承插焊法兰。(3)法兰盖同一组内的法兰，不论其类型、密封面型式如何，只要在表标准所规定的范围内，相同公称压力的法兰均有相厚度。法兰的尺寸是由PN和DN确定的，所以法兰材料不同时，其允许承受的最高无冲击压力也将不同。可从标准中查到（表10-29）。管法兰的最高无冲击工作压力，无论使用什麽材料均不会超过法兰的公称压力。这一点与容器法兰不同