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1、第 10章 法蘭連接 內(nèi) 容 概 要 1、壓力容器法蘭連接 2 管法蘭連接 返回 在各種容器和管道中 ,由于生產(chǎn)操作和測量的需要 以及 制造、運(yùn)輸、安裝和檢修的方便 ,常采用可拆結(jié) 構(gòu)。常見的有法蘭聯(lián)接、螺紋聯(lián)接和插套聯(lián)接。 法蘭聯(lián)接應(yīng)用最為普遍。它有其優(yōu)、缺點(diǎn)。 1、壓力容器法蘭連接 可拆結(jié)構(gòu) :法蘭聯(lián)接、螺紋聯(lián)接、插套聯(lián)接。 不可拆 結(jié)構(gòu) :鉚接、焊接、粘接。 連接結(jié)構(gòu) 一、法蘭聯(lián)接的密封原理： 法蘭聯(lián)接是由一對法蘭、數(shù)個(gè)螺栓螺母和一個(gè)墊片（圈） 所組成。把處于法蘭壓緊面之間的墊圈壓緊，當(dāng)墊圈單位面積 上所受的壓緊力達(dá)到某一值時(shí)，借助于墊圈的變形，把
2、法蘭密 封表面上的凹凸不平處填滿，就形成了為防止介質(zhì)泄露形成了 初始密封條件。為保證法蘭密封，就必須使法蘭密封面上實(shí)際 存在的比壓，預(yù)緊時(shí)不低于墊圈的 預(yù)緊密封比壓 ，工作時(shí)不低 于 工作密封比壓。 預(yù)緊密封比壓： 為防止介質(zhì)泄露而形成初始密封條件時(shí) 墊圈 單位面積上的壓緊力 稱為墊圈的預(yù)緊密封比壓。 1.密封原理 ：在連接口增加流體流動的阻力。當(dāng)壓力介質(zhì)通 過密封口的阻力降大于密封口兩側(cè)的介質(zhì)壓力差時(shí)，介質(zhì)就 被密封住了。圖給出了強(qiáng)制密封中墊圈變形過程示意圖 。 工作密封比壓： 一個(gè)已形成了初始密封條件的法蘭連接（即墊 圈已被壓縮到預(yù)緊密封比壓 )在通入介質(zhì)后，為不使介質(zhì)泄露
3、， 在密封面與墊圈之間所保留下來的最低比壓。 要保證法蘭密封，就必須使法蘭密封面上實(shí)際存在的比壓，預(yù) 緊時(shí)不低于墊圈的預(yù)緊密封比壓，工作時(shí)不低于工作密封比壓。 2.影響密封的主要因素 螺栓預(yù)緊力；墊圈性能；密封面的型式；法蘭剛度 等均影響密封。 二、法蘭連接受力分析 法蘭受力分析過程參見教材 P247P248。影響法蘭受力 的因素有密封墊圈性質(zhì)、與法蘭聯(lián)結(jié)處的器壁壁厚、螺栓孔 中心與密封墊圈的距離等。所受應(yīng)力為三個(gè)彎曲應(yīng)力。
4、 軸向彎曲應(yīng)力 x 環(huán)向應(yīng)力 徑向應(yīng)力 r 結(jié)論 ： 1.密封墊圈是整個(gè)法蘭的基礎(chǔ)，是影響螺栓力和法蘭力 矩大小的主要因素之一。 2.增加與法蘭盤接連處器壁（或管壁）的壁厚，可增加法蘭的 剛度并可減小法蘭加給器壁的彎曲應(yīng)力。 3.決定法蘭強(qiáng)度大小的關(guān)鍵尺寸是法蘭盤的厚度。 4.法蘭螺孔中心圓直徑應(yīng)盡量小，盲目增大法蘭外徑?jīng)]有 意義。 三、容器法蘭標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)號為 JB/T4700 4707 2000。 壓力容器法蘭類型與結(jié)構(gòu) 長頸對焊法蘭 乙型平焊法蘭 甲型平焊法蘭 壓力容器法蘭從整體看有三種形式： 甲型平
5、焊法蘭 : 有平面密封面和凹凸密封面兩種密封面型式。 乙型平焊法蘭 : 長頸對焊法蘭 : 若容器是用不銹鋼制作的，則需采用帶不銹鋼 襯環(huán)的法蘭。 2、法蘭密封面的型式 法蘭聯(lián)接的密封性能與法蘭壓緊墊圈的密封面型 式有直接關(guān)系，所以要合理選擇密封面形狀。 常見的密封面型式有： 平面型密封面 凹凸型密封面 榫槽型密封面 三種密封面比較 : 平面型密封面：常用于所需壓緊力不高且介質(zhì)無毒的場合。 凹凸型密封面：用于 PN<6.4Mpa、 DN800 的場合。 榫槽型密封面：使用于密封面易燃、易爆、有毒物質(zhì)。 此外，還有錐形密封面和梯形槽密封面。由于墊圈和
6、密封 面間的接觸帶寬度很窄，故不需很大的螺栓力就可使接觸 帶上產(chǎn)生很大比壓。 3.壓力容器法蘭的尺寸系列： 兩個(gè)基本參數(shù) 法蘭的尺寸是由法蘭的公稱壓力 PN和公稱直徑 DN兩個(gè)參 數(shù)唯一確定的。 法蘭的公稱直徑：指與法蘭相配的筒體或封頭的公稱直徑。 法蘭的公稱壓力：指的是在規(guī)定的設(shè)計(jì)條件下，在確定 法蘭結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)所采用的設(shè)計(jì)壓力。法蘭的公稱壓力并不代 表它的允許工作壓力 。 壓力容器法蘭的公稱壓力分七個(gè)等級，即 0.25、 0.60、 1.00、 1.60、 2.50、 4.00、 6.40Mpa。 表 10-1中給出了三種不同型式法蘭所適用的與
7、范圍，也就是 制定有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的法蘭范圍。 壓力容器法蘭尺寸系列表簡介： 表 10-2 10-8中給出了全部壓力等級的壓力容器法蘭部分 尺寸系列。 確定法蘭尺寸的計(jì)算基礎(chǔ) 法蘭系列表中的法蘭尺寸在規(guī)定設(shè)計(jì)溫度是 200 、 法蘭材料是 16MnR或 16Mn鍛件；根據(jù)不同型式的法蘭 ， 規(guī)定了墊片 壓力容器法蘭的最大允許工作壓力 的形式、材質(zhì)、尺寸和螺柱材料的基礎(chǔ)上，按照不同的容器直徑 和設(shè)計(jì)壓力，通過多種方案的比較計(jì)算和尺寸圓整得到的。所 以法蘭的尺寸是由法蘭的公稱壓力和公稱直徑唯一確定的。 附表 10-10、 10-11 給出了法蘭最大允許工作壓力。 隨著
8、材料強(qiáng)度高于 16MnR或低于 16MnR，其允許工作壓力上升 或下降；隨著溫度高于 200 ，其允許工作壓力下降。低于 - 20 需采用低溫用鋼。 容器法蘭尺寸的確定 為容器筒體或封頭選配法蘭的步驟如下： 根據(jù)容器的公稱直徑（內(nèi)徑） DN和設(shè)計(jì)壓力 P，參照 表 10-1初步確定法蘭的結(jié)構(gòu)類型。 根據(jù)容器的設(shè)計(jì)壓力 P，設(shè)計(jì)溫度 t及準(zhǔn)備采用的法蘭材 料，按照表 10-10、 10-11確定所選法蘭的公稱壓力 PN。 根據(jù)所確定的法蘭的 PN和 DN回查表 10-1，驗(yàn)定原定的 法蘭類型是否包含已確定的 PN和 DN。 根據(jù) PN和 DN，由表 1
9、0-2 10-8中選出相應(yīng)的尺寸表， 確 定所選法蘭的尺寸。 由表 10-15確定匹配的墊圈種類、材料和螺柱、螺母材 料。參照所查尺寸繪出法蘭草圖。 例題 1 為一臺精餾塔塔節(jié)選配法蘭 。 該塔內(nèi)徑 Di=1000mm, n=4mm,操作溫度 280 ,設(shè)計(jì)壓力 p=0.2MPa,法蘭材料可用 20R, 也可用 16MnR,試分別確定使用這兩種材料時(shí) ,法蘭的類型和尺 寸。 解 : (1)確定法蘭類型 根據(jù) DN=1000mm,p=0.2MPa按表 10-1可知應(yīng)選甲型平焊法蘭。 (2)確定法蘭公稱壓力 根據(jù) p=0.2MPa,t=280, 查表 10-10得 : 材料 初
10、設(shè) PN 溫度 p 條件 P=0.2MPa 重設(shè) PN 20R 0.25MPa 300 0.15MPa 不滿足 0.6MPa 16MnR 0.25MnR 300 0.21MPa 滿足 0.25MPa (3) 確定法蘭結(jié)構(gòu)尺寸 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果查附表 10-2或 10-3,并將尺寸注于圖中。 例 2 為一精餾塔選擇塔節(jié)與封頭的連接法蘭 。 已知塔體內(nèi)徑為 800mm， 工作溫度為 360 ， 工作壓力為 0.25MPa， 材料為 16MnR， 試確定 標(biāo)準(zhǔn)法蘭的各部尺寸并繪制法蘭工作圖 壓力容器法蘭所用密封墊片有三種： 壓力容器法蘭用密封墊片
11、 與纏繞式墊片相同。可用于 三種密封面。 (1) 非金屬軟墊片 (JB4704-92) : 材料是耐油石棉橡膠板和石 棉橡膠板?？捎糜诩仔?、乙型和長頸對焊三種法蘭上。但在 榫槽型密封面及最高壓力級別（ 6.4 MPa）的法蘭上不用。選 用時(shí)，可根據(jù)所選法蘭，按標(biāo)準(zhǔn)確定相應(yīng)墊片尺寸。 (2) 金屬包墊片（ JB4706-92): 是由石棉橡膠板作內(nèi)芯，外包 厚度為 0.2 0.5 厚的薄金屬板構(gòu)成 ,它只用于乙型平焊和長 頸對焊法蘭上，其規(guī)格尺寸 (2) 纏繞式墊片（ JB4705-92） : 用 Ocr13或 Ocr18Ni9或 08F等鋼帶 與石棉或聚四氟乙烯或柔性石墨等
12、填充帶相間纏繞而成 。 為增大墊片 彈性和回彈性 ， 金屬帶與非金屬帶 均軋成波形 ， 波的形狀有 V、 W形 。 右圖所示的 V形有四種結(jié)構(gòu)型式： A型 又稱基本型，不帶加強(qiáng)環(huán)， 用于榫槽密封面。 B型 帶內(nèi)加強(qiáng)環(huán)，用于凹凸密封面。 C型 帶外加強(qiáng)環(huán)，用于平面密封面。 D型 內(nèi)外均有加強(qiáng)環(huán)，用于光滑密封面。 纏繞式墊片可用于三種密封面，但不用于甲型平焊法蘭 上。它的外徑與非金屬軟墊片相同，但寬度略窄。 壓力容器法蘭所用螺柱和螺母 螺紋采用粗牙普通螺紋。螺柱兩端螺紋長度約為直徑 的 2.5倍。中部無螺紋處螺柱的直徑可取等于螺紋外徑（ A 型，滿足優(yōu)先
13、選用滾制螺柱的需要），也可取小于螺柱外 直徑（ B型，減小熱應(yīng)力，用于溫度較高的場合） 法蘭、墊片與螺柱、螺母材料的匹配見表 10-15。 例題 3 為一盛裝有毒介質(zhì)的容器選配法蘭聯(lián)接 ,容器的設(shè)計(jì)壓 力為 0.6MPa,工作溫度為 300, 容器內(nèi)徑為 2m。 解 : (1) 確定法蘭類型 由題中條件對照表 10-1查看可知 : 可用的法蘭有乙型平焊 和長頸對焊兩種類型。 (2) 選定法蘭材料、確定法蘭的公稱壓力和法蘭尺寸 如果選用乙型平焊法蘭 ,可查附表 10-10,由已知條件得法蘭 的材料只能用 15MnVR板材或 20MnMo鍛件。法蘭尺寸可從表 中按 PN
14、=0.6MPa,DN=2000mm查得。 選用長頸對焊法蘭 ,可查表 10-11。 右圖尺寸是按 PN=0.6MPa, DN=2000mm從 表 中 查 得 。 (3) 確定密封面型式、墊片種類和尺寸 選用榫槽密封面 ,墊片用 A型纏繞式。 內(nèi)外徑尺寸可從標(biāo)準(zhǔn)（ JB/T4704 4707）查得。 查表 10-15確定螺柱材料 2MoVA, 螺母材料 30CrMoA。查標(biāo)準(zhǔn)確定螺 柱規(guī)格為 M24,數(shù)量 60個(gè)。 (4) 確定螺柱、螺母材料、規(guī)格、數(shù)量 壓力容器法蘭標(biāo)記 例 : 公稱壓力 1.6MPa,公稱直徑 800mm襯環(huán)榫槽面乙型平焊法蘭 中的榫面法蘭 ,
15、標(biāo)記為 : 法蘭 C T 800 1.6 JB/T4702-2000 法蘭標(biāo)記：由五部分組成。見教材 264頁。 例：解釋法蘭 -P I 1.6-1000 JB/T4701-2000 的含義？ (2) 墊片的標(biāo)記 非金屬軟墊片 例 : 公稱直徑 1000mm,公稱壓力 2.5MPa容器法蘭用非金屬軟 墊片 ,標(biāo)記為 : 墊片 1000 2.5 JB/T4704-2000 纏繞式墊片 例 : 公稱直徑 1000mm,公稱壓力 2.5MPa法蘭使用的 ,用 0Cr18Ni9鋼帶和石棉填充帶制成的 ,帶內(nèi)加強(qiáng)環(huán)的纏繞墊片 , 標(biāo)記為 : 墊片 B21 100
16、0 2.5 JB/T4705-2000 金屬包墊片 例 : 公稱直徑 1000mm,公稱壓力 2.5MPa法蘭用的。用 0Cr19Ni9薄板包層的金屬包墊片 ,標(biāo)記為 : 墊片 G 1000 2.5 JB/T4706-2000 (3) 螺柱的標(biāo)注 例 : 直徑為 24mm,長度為 160mm,未車螺紋部分螺 柱的直徑等于螺紋外徑的壓力容器用等長雙頭螺柱 , 標(biāo)記為 : 螺柱 M24 160 A JB/T4707-2000 返回 2 管法蘭連接 管法蘭標(biāo)準(zhǔn)有國家標(biāo)準(zhǔn) (GB/T9112 9124-2000),還有原 化工部 1997年頒布的 HG20592 2
17、0635-97鋼制管法蘭標(biāo)準(zhǔn)。兩 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定依據(jù)均為 ISO7005-1-1992。 一、管法蘭的類型和密封面型式 : HG管法蘭標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了八種不同類型的管法蘭和兩種法蘭 蓋，見表 10-17。 管法蘭有 五種密封面型式 :全平面 (FF)、突面 (RF)、榫 槽面 (TG)、凹凸面 (MFM)、環(huán)連接面 (RJ)。見圖 10-16。 在這幾種類型法蘭中、各有哪幾種密封面型式及各種類型法 蘭規(guī)定適用的公稱壓力等級和公稱直徑范圍可查有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 板式平焊法蘭 : 僅用于 PN1.0MPa, 且僅有突面密封一種密封面型式。不 得用于有毒、易燃、易爆和有較高真空度要求的化工
18、工藝配管 系統(tǒng)。 帶頸平焊法蘭 : 有四種密封面型式 ,只缺少環(huán)連接密封面。它與鋼管之間的 焊接 ,需要根據(jù)公稱壓力等級的不同 ,采用開坡口和不開坡口的 角接接頭和添角焊縫。 帶頸對焊法蘭 : 是承載能力最好的法蘭型式。有突面、凹凸面、榫槽面 及環(huán)連接面四種密封面型式。 承插焊法蘭 : 僅用于 DN50mm 、 PN10MPa 的小口徑管道上。因?yàn)榉ㄌm 與鋼管之間僅有單面填角焊。 松套法蘭 : 適用的公稱壓力較低 ,但比板式平焊法蘭高一個(gè)等級。平 焊環(huán)松套法蘭有突面、榫槽面、凹凸面三種密封面。 翻邊松套法蘭僅有突面一種密封面型式 松套法蘭主要適用
19、于具有腐蝕性介質(zhì)或有色金屬管道系統(tǒng) , 法蘭和其附屬元件可采用不同材料 ,節(jié)省不銹鋼或有色金屬。 法蘭蓋 : 主要用于管道端部或作封頭 (人孔、手孔 )用。 二、管法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸 1、連接尺寸 主要指：螺栓孔中心圓尺寸 k, 螺栓個(gè)數(shù) n，螺紋尺寸 Th,螺孔直徑 L,法蘭外徑 D。如右圖 : 2、密封面尺寸： 可查有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 上圖所示板式平焊法蘭中的特征尺寸 : B(法蘭內(nèi)徑 ),b(坡 口寬度 )及坡口角度 (50 )等。 3、結(jié)構(gòu)特征尺寸： 反映法蘭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。如圖所示 ： b 4、法蘭厚度： 法蘭的厚度系列有三組，每一組厚度系列都是按公稱壓
20、力 排列的，其中： (1)平板類法蘭，包括板式平焊法蘭，板式松套法蘭。 (2)帶頸類：包括帶頸平焊法蘭，帶頸對焊法蘭和承插焊法蘭。 (3)法蘭蓋 同一組內(nèi)的法蘭，不論其類型、密封面型式如何，只要在表 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的范圍內(nèi)，相同公稱壓力的法蘭均有相厚度。 法蘭的尺寸是由 PN和 DN確定的，所以法蘭材料不同時(shí)，其 允許承受的最高無沖擊壓力也將不同。可從標(biāo)準(zhǔn)中查到（表 10-29）。管法蘭的最高無沖擊工作壓力，無論使用什麼材料 均不會超過法蘭的公稱壓力。這一點(diǎn)與容器法蘭不同。 三、法蘭允許承受的最高無沖擊壓力 ： 四、管法蘭用密封墊片： 有七種型式：見表 10-30。 石
21、棉橡膠板墊片 有一定耐熱性（ 350 ）， 適宜的彈性和良好的耐蝕性，且 制造方便，故廣泛使用。厚度一 般為 2-3cm. (GB3985、 GB539） 柔性石墨復(fù)合墊片（ 20608-97）： 是由沖齒的金屬芯板與膨脹石墨粒子復(fù)合的板材制成的 一種被增強(qiáng)了的石墨墊片。它充分利用了柔性石墨的耐高溫、 耐腐蝕、密封性好的特點(diǎn)，又輔以金屬芯板以提高其機(jī)械強(qiáng) 度，并保持有較高的回彈 能力。其尺寸與石棉橡膠 板墊片完全一樣，唯一區(qū) 別是不用于全平面的密封 面上。 聚四氟乙烯包覆墊（ 20607-97） 適用于強(qiáng)腐蝕介質(zhì)和不允許物料有污染的醫(yī)藥、食品行業(yè)屬 非
22、金屬軟墊片。使用壓力一般不大于 4.0MPa，溫度不超過 150 200 ，且只用于突面密封面。 金屬纏繞墊（ HG20609-97） : 同壓力容器法蘭用金屬纏繞墊。 PN： 2.5 10Mpa，最高使用 溫度因非金屬帶材料的耐熱性而異。 金屬齒形組合墊（ HG20611-97） : 適用于突面和凹凸面， PN的范圍是 6.3 16Mpa。 金屬環(huán)墊： (見右圖 ) 五、鋼制管法蘭用的緊固件 有商品級和專用級兩類。商品級是以緊固件的機(jī)械性能等 級代號代替材料牌號；專用級緊固件則按 GB150所規(guī)定的材料 牌號制造螺柱和螺母。 法蘭、墊片、緊固件的選配見
23、有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（表 10-31）。 以上幾種墊片，以石棉橡膠板墊片，金屬纏繞墊片，八 角或橢圓形金屬環(huán)墊三種墊片的使用量最大、面廣，且應(yīng)用 有效。各種墊片的適用條件見有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 法蘭、墊片與緊固件之間的匹配應(yīng)滿足表 10-32的要求。 六、法蘭、墊片、緊固件的標(biāo)記： 法蘭標(biāo)記：教材 P286 例：公稱直徑 300mm， PN=2.5MPa的凹面帶頸平焊法蘭，材料為 16Mn鍛件，標(biāo)記為： HG20592 法蘭 WN300-2.5 FM 16Mn 若為凸面： HG20592 法蘭 WN300-2.5 M 16Mn 新標(biāo)準(zhǔn)有 些變化見教材 286。 墊片 例：公稱直徑 100mm， PN=2.5Mpa，凹凸面法蘭用石棉橡 膠板墊片 , 標(biāo)記為： HG20606 墊片 MFM 100-2.5 XB350 緊固件： 例：螺紋規(guī)定 M16，公稱長度 l=80mm，性能等級 8.8級的六 角頭螺栓，其標(biāo)記為： HG5782 螺栓 M16 80 8.8級 返回 返回 返回
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