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第十章 法兰连接

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第十章 法兰连接

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  1. 第十章 法兰连接 • 了解法兰连接工作原理和垫片的种类; • 熟悉压力容器法兰和管法兰的类型; • 掌握三种密封面的结构特点和应用范围。

  2. 第十章 法兰连接 • 第一节 压力容器法兰 • 一、法兰联接结构与密封原理 二、法兰的结构与分类 • 三、法兰连接受力分析及其实用结论 • 四、法兰标准及选用

  3. 第十章 法兰连接 • 常见的可拆卸结构有法兰联接、螺纹联接和承插式联接。

  4. 法兰连接优缺点 法兰联接有较好的强度和紧密性,适用尺寸范围宽,在设备和管道上都能应用,所以应用最普遍。 但法兰联接时,不能很快地装配与拆卸,制造成本较高。

  5. 第一节 压力容器法兰 一、法兰连接组成与密封原理 1、法兰连接组成: 一对法兰,若干螺栓、螺母和一个垫片组成。 容器法兰与管法兰均已有标准。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。  故法兰连接的设计中主要解决的问题是防止介质泄漏。

  6. 第一节 压力容器法兰 一、法兰连接组成与密封原理 沿垫片与压紧面之间的泄漏,泄漏量大小主要与界面间隙尺寸有关。是法兰密封失效的主要途径。 通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏。可通过对渗透性垫片材料添加某些填弃剂进行改良,或与不透性材料组合成型来避免渗漏。

  7. 一、法兰连接组成与密封原理 2、法兰密封原理 法兰在螺栓预紧力的作用下,把处于密封面之间的垫片压紧,当垫片单位面积上所受到的压紧力达到一定的数值会使垫片变形而被压实,把密封面上的凹凸不平处填满,这样就为阻止介质泄漏形成初始密封条件。 所需的这个压紧力叫垫 片的预紧密封比压y,单位为MPa。预紧密封比压主要决定于垫片材质、结构与厚度。

  8. 工作状态内压轴向力拉伸,降低了压紧力。垫片有足够回弹能力,补偿变形,预紧密封比压y值不小于某一值(工作密封比压:-使介质不泄漏,在密封面与垫片之间所必须保留下来的最低比压,是设计压力的m倍,m垫片系数),保持良好密封。工作状态内压轴向力拉伸,降低了压紧力。垫片有足够回弹能力,补偿变形,预紧密封比压y值不小于某一值(工作密封比压:-使介质不泄漏,在密封面与垫片之间所必须保留下来的最低比压,是设计压力的m倍,m垫片系数),保持良好密封。  反之,回弹不足,预紧密封比压下降到工作密封比压以下,甚至密封处重新出现缝隙,则此密封失效!!

  9. 一、法兰连接组成与密封原理 2、法兰密封原理 保证螺栓法兰连接紧密不漏的条件 要保证法兰密封,就必须使法兰密封面上实际存在的比压,预紧时不低于垫片的预紧密封比压,工作时应高于工作密封比压。

  10. 二、法兰的分类 (一)整体法兰-指法兰盘、颈部与容器(或接管)三者有效地连接成一整体结构的法兰。

  11. 二、法兰的分类 1.平焊法兰-法兰盘焊接在设备筒体或管道上,制造容易,应用广泛,但刚性较差。 法兰受力后,法兰盘的矩形截面发生微小转动,与法兰相联的筒壁或管壁随着发生弯曲变形。于是在法兰附近筒壁的截面上,将产生附加的弯曲应力。所以平焊法兰适用的压力范围较低(PN<4.0MPa)。

  12. 二、法兰的分类 2.对焊法兰 对焊法兰又称高颈法兰或长颈法兰。颈的存在提高了法兰的刚性,同时由于颈的根部厚度比筒体厚,所以降低了根部的弯曲应力。此外,法兰与筒体(或管壁)的联接是对接焊缝,比平焊法兰的角焊缝强度好,故对焊法兰适用于压力、温度较高或设备直径较大的场合,价格较高。

  13. 二、法兰的分类 (二)松式法兰-法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证法兰与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构,均划为松式法兰,如活套法兰、螺纹法兰、搭接法兰。

  14. 二、法兰的分类 (二)松式法兰 活套法兰的法兰盘可以采用与设备或管道不同的材料制造,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 螺纹法兰广泛用于高压管道上,法兰对管壁产生的附加应力较小。但这种法兰刚度小,它的厚度较厚,一般只适用于压力较低的容器上。

  15. 二、法兰的分类 (三)任意式法兰 任意式法兰与壳体连成一体,刚性比整体法兰差,如未焊透的焊接法兰。

  16. 法兰刚度 在实际生产中,由于法兰刚度不足而产生过大的翘曲变形,往往是导致密封失效的原因。刚性大的法兰变形小,并可使分散分布的螺栓力均匀地传递给垫片,可提高密封性能。 提高法兰刚度的途径: a.增加法兰的厚度;b.减小螺栓力作用的力臂(即缩小螺栓中心圆直径);c.增大法兰盘外径等都能提高法兰的抗弯刚度; 对于带长颈的整体和活套法兰,增大长颈部分的尺寸,将能显著提高法兰抗弯变形能力。但是过度提高法兰的刚度,将使法兰笨重,提高整个法兰联接的造价。

  17. 操作条件对法兰密封的影响 操作条件即压力、温度和介质的物理、化学性质。单纯的压力或介质因素对泄漏的影响并不是主要的,只有和温度联合作用时,问题才显得严重。 温度对密封性能的影响: (1)高温介质粘度小,渗透性大,容易泄漏; (2)介质在高温下对垫片和法兰的溶解与腐蚀作用将加剧; (3)高温下,法兰、螺拴、垫片可能发生蠕变,致使压紧面松弛,密封比压下降; (4)非金属垫片,在高温下还将加速老化或变质,甚至被烧毁; (5)高温作用下,由于密封组合件各部分的温度不同,发生热膨胀不均匀,增加了泄漏的可能; (6)如果温度和压力联合作用时,又有反复的激烈变化,则密封垫片会发生疲劳,使密封完全失效。

  18. 二、法兰的分类 按形状: 圆形法兰是最常见的,方形法兰有利于把管子排列紧凑,椭圆形法兰通常用于阀门和小直径的高压管子上,如填料压盖。

  19. 二、法兰的分类 按法兰接触面分类 (1)窄面法兰 法兰与垫片的整个接触面积都位于螺栓孔包围的圆周范围内,图 (a) 。 (2)宽面法兰 法兰与垫片接触面积位于法兰螺栓中心圆的内外两侧,垫片上有螺栓孔图 (b)

  20. 三、法兰连接受力分析及其实用结论 (一)影响法兰密封的因素 1、螺栓预紧力

  21. 三、法兰连接受力分析及其实用结论 (一)影响法兰密封的因素 1、螺栓预紧力 预紧力不能过小,必须使垫片压紧并实现初始密封条件; 预紧力也不能过大,否则将会使垫片被压坏或挤出。 提高螺栓预紧力,可以增加垫片的密封能力:加大预紧力不仅可使渗透性垫片材料的毛细管缩小,且可提高工作密封比压。由于预紧力是通过法兰压紧面传递给垫片的,要达到良好的密封,必须使预紧力均匀地作用于垫片。使预紧力分布均匀的方法是在满足紧固和拆拆卸螺栓所需空间的情况下,增加螺栓个数。因此,当密封所需要的预紧力一定时,采取减小螺栓直径、增加螺栓个数的办法对密封是有利的。

  22. 三、法兰连接受力分析及其实用结论 (一)影响法兰密封的因素 2、密封面(压紧面)形式 对压紧面的质量要求

  23. 三、法兰连接受力分析及其实用结论 (一)影响法兰密封的因素 2、密封面(压紧面)形式 平面型密封面 凹凸型密封面 密封面形式 榫槽型密封面 锥型密封面 梯形槽密封面

  24. 三、法兰连接受力分析及其实用结论 (二)压力容器法兰的结构 1.平面型密封面(RF) 密封表面是一个突出的光滑平面,也可车制三角形沟槽。 优点:密封面结构简单,加工方便且便于进行防腐衬里。 缺点:垫片接触面积大,所需预紧力大,螺栓承载大,笨重。垫片容易挤出,不易压紧,密封性能差。 用于所需压紧力不高且介质无毒的场合。p≤2.5MPa

  25. 三、法兰连接受力分析及其实用结论 (二)压力容器法兰的结构 2. 凹凸型密封面(MFM) 密封面是由一个凸面和一个 凹面相配合组成,在凹面上 放置垫片,由于凹面的外侧 有挡台,能够防止垫片压紧 时被挤出,便于对中。 可适用于压力较高的场合。 P≤6.4MPa,DN≤800mm

  26. 三、法兰连接受力分析及其实用结论 (二)压力容器法兰的结构 3. 榫槽型密封面(TG) 密封面是由榫面和槽面配合而成。密封面较窄。垫片置于槽中,不会被挤动。因而比以前两种密封面密封效果好。缺点是结构与制造比较复杂,更换挤在槽中的垫片比较困难。 榫槽密封面规定不用非金属软垫片 榫槽密封面适于易燃、易爆、有 毒的介质以及较高压力的场合。

  27. 三、法兰连接受力分析及其实用结论 (二)压力容器法兰的结构 3. 榫槽型密封面(TG) 采用凹凸型或榫槽型密封面时,位置怎样考虑? 立式容器法兰密封面的槽面或凹面应向上; 卧式容器法兰密封面的槽面或凹面应位于筒体上。 即:不易拆的部分与槽相连。

  28. 三、法兰连接受力分析及其实用结论 (二)压力容器法兰的结构 4. 锥型密封面 通常用于高压密封,其缺点是需要的尺寸精度和表面粗糙度要求高。须与透镜垫片配合,常用于高压管道。

  29. 三、法兰连接受力分析及其实用结论 (二)压力容器法兰的结构 5. 梯形槽密封面(RJ) • 槽底不起密封作用,是槽的内外锥面与垫片接触成梯形,形成线密封,与椭圆或八角形截面的金属垫圈配合。 • 适用于温度、压力有波动,介质渗透性大的高压容器

  30. 四、压力容器法兰标准及选用 石油、化工上用的法兰标准有两类: 压力容器法兰标准;管法兰标准 (一)压力容器法兰类型与结构

  31. 四、压力容器法兰标准及选用 (一)压力容器法兰类型与结构 1、甲型平焊法兰(JB/T 4701-2000) 法兰直接与容器的筒体或封头焊接。在上紧和工作时均会作用给容器器壁一定的附加弯矩, 且法兰盘自身的刚度也较小, 所以适用于压力等级较低和筒 体直径较小的范围内。

  32. 四、压力容器法兰标准及选用 (一)压力容器法兰类型与结构 2、乙型平焊法兰(JB/T 4702-2000) 乙型法兰有一个壁厚不小于16mm的圆筒形短节,短节,既可增大整个法兰的刚度,又可使容器器壁避免承受附加弯矩。因而适用于较大直径和较高压力的条件下。 用于PN0.25~1.6压力等级中较大直径范围还可用于2.5 和4.0两个压力等级中较小直径范围。适用的全部直径范围为300~3000mm,温度范围为20℃~350℃。

  33. 四、压力容器法兰标准及选用 (一)压力容器法兰类型与结构 3、长颈对焊法兰(JB/T 4703-2000) 长颈对焊法兰是用根部增厚的颈取代了乙型平焊法兰中的短节,从而更有效地增大了法兰的整体刚度,同时法兰与设备采用对接焊连接。 因此用于更高的压力范围(PN 0.6MPa~6.4MPa)和直径范围(DN300mm~2000mm),适用温度范围为-20℃~450℃。

  34. 四、压力容器法兰标准及选用 (一)压力容器法兰类型与结构 特别说明 由表10-1中可看出,乙型平焊法兰中DN 2000mm以下的规格均已包括在长颈对焊法兰的规定范围之内。这两种法兰的联接尺寸和法兰厚度完全一样。所以DN2000mm以下的乙型平焊法兰,可以用轧制的长颈对焊法兰代替,以降低法兰的生产成本。

  35. 四、压力容器法兰标准及选用 (一)压力容器法兰类型与结构 • 甲型平焊法兰的密封面只有平面型与凹凸型两种。 • 乙型与长颈法兰则三种密封面形式均有。 • 平焊与对焊法兰都有带衬环(C)的与不带衬环的两种。 设备是由不锈钢制作时,采用碳钢(或低合金钢)法兰加不锈钢衬环,可以节省不锈钢。

  36. 四、压力容器法兰标准及选用 (二)压力容器法兰的尺寸系列 ①法兰的公称直径-指的是与法兰相配的筒体或封头的公称直径。 ②法兰的公称压力-指在规定的设计条件下,在确定法兰结构尺寸时所采用的压力。 分成七个等级,即0.25、0.60、1.00、1.60、2.50、4.00、6.40MPa。 法兰的公称压力并不一定等于法兰的操作压力。

  37. 四、压力容器法兰标准及选用 (二)压力容器法兰的尺寸系列 法兰公称压力的确定与法兰的最大操作压力、操作温度以及法兰材料有关。因为在制定法兰尺寸系列、计算法兰厚度时,是以16MnR在200℃时的机械性能为基准制定的。 例如:DN=1000mm,PN=0.6MPa的甲型平焊法兰, 其尺寸是根据以下条件通过计算确定:法兰材料是16MnR,许用应力按200℃取,法兰内径为1000mm,最大操作压力是0.6MPa等。这个尺寸一经确定,就称它是公称压力PN=0.6MPa,公称直径DN=1000mm的甲型平焊法兰。

  38. 四、压力容器法兰标准及选用 (二)压力容器法兰的尺寸系列 以此基准所确定的法兰尺寸,若是用16MnR在200℃时操作,它允许的最大操作压力就是该尺寸法兰的公称压力。  例如,所谓公称压力PNO.6MPa的法兰,就是指具有这样一种具体尺寸的法兰,该法兰是用16MnR制造的,在200℃时,它的最大允许操作压力是0.6MPa。 以16MnR在200℃时的力学性能为基础,其最大操作压力即为具有该尺寸法兰的公称压力。 但如果把这个PN0.6MPa的法兰用在高于200℃的条件下,那么它的最大操作压力将低于它的公称压力0.6MPa。

  39. 四、压力容器法兰标准及选用 (二)压力容器法兰的尺寸系列 另外,法兰制造采用的材料不同,其同一几何尺寸规格的法兰,允许承受的最大工作压力也不同。 总之,只要法兰的公称直径、公称压力确定了,法兰的尺寸也就确定了。至于这个法兰允许的最大操作压力是多少,那就要看法兰的操作温度和用什么材料制造的。  为了解决设计条件的特定性(16MnR与200℃) 与使用情况的多样性之间的矛盾,法兰标准专门编制了两张反映因法兰所用材料和法兰工作温度与设计条件不同时,法兰的最大允许工作压力与其公称压力之间关系的表,即表10-10和表10-11。

  40. 四、压力容器法兰标准及选用 (三)容器法兰尺寸的查取方法及标记 (1)根据容器的公称直径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,按表10-10或表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返回查看表10-1,以便验证原来根据设计压力p所初步确定的法兰类型是否包含有已确定的PN和DN。 (4)根据所确定的PN和DN,从表10-2至表10-8中选用相应的尺寸表,即可确定选法兰尺寸。

  41. 四、压力容器法兰标准及选用 (三)容器法兰尺寸的查取方法及标记 例:塔身与封头的法兰。塔内径1000mm,操作温度280℃,设计压力0.2MPa。Q235-B。 根据操作温度、设计压力和所用材料,应按公称压力为0.6MPa查选尺寸。

  42. 四、压力容器法兰标准及选用 (三)容器法兰尺寸的查取方法及标记 容器法兰标记

  43. 四、压力容器法兰标准及选用 (三)容器法兰尺寸的查取方法及标记 容器法兰标记 如:法兰C-T 800-1.6 JB/T 4702-2000  法兰-RF 1000-2.5/78-155 JB/T 4702-2000

  44. 四、压力容器法兰标准及选用 (四) 压力容器法兰用密封垫片 垫片是构成密封的重要元件,适当的垫片变形和回弹能力是形成密封的必要条件。 最常用的垫片可分为非金属、金属、非金属与金属混合制的垫片。 一般中低压场合应用的垫片材料有 普通橡胶垫片;石棉橡胶垫片 ;耐酸石棉板和四氟乙烯——非金属 高压情况多采用金属垫片

  45. 四、压力容器法兰标准及选用 (四) 压力容器法兰用密封垫片 1.非金属垫片(JB/T 4704-2000) 非金属垫片材料有橡胶石棉板、聚四氟乙烯,耐酸石棉板和聚四氟乙烯等。耐温度和压力的性能较金属垫片差,通常只适用于常、中温和中、低压设备和管道的法兰密封。 非金属垫片用于平面密封面与凹凸密封面 非金属垫片标记

  46. 四、压力容器法兰标准及选用 (四) 压力容器法兰用密封垫片 2.金属与非金属混合制垫片 a.缠绕式垫片(JB/T 4705-2000) 金属缠绕垫片是薄低碳钢带(或合金钢带)与石棉带一起相间绕制而成。为增大垫片的弹性和回弹性,金属带与非金属带均轧制成波形,有 四种结构型式: 基本型(A型) 带内加强环(B型) 带外加强环(C型) 带内外加强环(D型) 用于乙型平焊和长颈对焊两类法兰上。

  47. 2.金属与非金属混合制垫片 a.缠绕式垫片(JB/T 4705-2000)

  48. 四、压力容器法兰标准及选用 (四) 压力容器法兰用密封垫片 2.金属与非金属混合制垫片 b.金属包垫片(JB/T 4706-2000) 金属包垫片是由石棉橡胶板作内芯,外包厚度为0.2~0.5mm厚的薄金属板构成。这类垫片也只用于乙型平焊和长颈对焊两类法兰上。