容器零部件法兰设计.ppt

2.4 2.4 容器法兰连接设计容器法兰连接设计主要内容：主要内容：法兰联接结构与密封原理；法兰标准及选用法兰联接结构与密封原理；法兰标准及选用、法兰连接的种类与结构、法兰连接的种类与结构1). 1). 结构与原理结构与原理 ①①法兰种类：容器法兰、管法兰法兰种类：容器法兰、管法兰②②、法兰连接的组合件、法兰连接的组合件③③密封的原理密封的原理 法兰密封是通过紧固螺法兰密封是通过紧固螺 栓压紧垫片来实现的过程分为二个阶段：栓压紧垫片来实现的过程分为二个阶段：预紧工况阶段：预紧工况阶段： 预紧力压紧垫片，产生的压紧应力（垫片密封比压力）到一定数值使垫预紧力压紧垫片，产生的压紧应力（垫片密封比压力）到一定数值使垫片变形，密封面上微隙被填满，形成初始密封条件片变形，密封面上微隙被填满，形成初始密封条件 密封比压力主要决定于垫片材质密封比压力主要决定于垫片材质 垫片材质确定后，垫片越宽，为保证比压力，预紧力越大，螺栓和法兰垫片材质确定后，垫片越宽，为保证比压力，预紧力越大，螺栓和法兰尺寸也越大，所以垫片不应过宽，更不应该把整个法兰面都铺满垫片。

尺寸也越大，所以垫片不应过宽，更不应该把整个法兰面都铺满垫片操作工况阶段：操作工况阶段： 工作状态内压轴向力拉伸，降低了压紧应力垫片有足够回弹，工作状态内压轴向力拉伸，降低了压紧应力垫片有足够回弹，补偿变形，预紧密封比压值不小于某一值补偿变形，预紧密封比压值不小于某一值( (工作密封比压工作密封比压) )，则法兰保持良，则法兰保持良好密封反之，回弹不足，则此密封失效反之，回弹不足，则此密封失效 密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧力螺栓密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧力螺栓和法兰须有足够大的强度和刚度，不发生过大的变形和法兰须有足够大的强度和刚度，不发生过大的变形2)2)、容器法兰的分类、容器法兰的分类3). 3). 法兰密封面的形式法兰密封面的形式 法兰联接密封性能与密封面型式有关，密封面型式选择，主要考虑法兰联接密封性能与密封面型式有关，密封面型式选择，主要考虑压力、温度、介质压力、温度、介质①①、突面（、突面（RFRF）） 光滑平面，可车制密纹水线结构简单，加工方便，便于进行防腐衬光滑平面，可车制密纹水线。

结构简单，加工方便，便于进行防腐衬里 接触面积大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压紧接触面积大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压紧②②、凹凸面（、凹凸面（MFMMFM）） 凸面和凹面相配合，凹面上放置垫片，防凸面和凹面相配合，凹面上放置垫片，防止垫片被挤出，适用于压力较高止垫片被挤出，适用于压力较高③③、榫槽面、榫槽面(TG)(TG)v槽中垫片不被挤动槽中垫片不被挤动v螺栓力较小获得良好的密封效果螺栓力较小获得良好的密封效果v结构较复杂，更换垫片较困难结构较复杂，更换垫片较困难v榫面容易损坏，榫面容易损坏，ü适于易燃、易爆、有毒介质及较高压力适于易燃、易爆、有毒介质及较高压力ü压力不大时，即使直径较大，也能很好密封压力不大时，即使直径较大，也能很好密封④④、全平面（、全平面（FFFF）与环连接面）与环连接面（（RJRJ））v全平面密封适合于压力较小的场合（全平面密封适合于压力较小的场合（PNPN）；）；v环连接面主要用在带颈对焊法兰与整体法兰环连接面主要用在带颈对焊法兰与整体法兰上，适用压力范围为（上，适用压力范围为（6.3MPa≤6.3MPa≤PNPN）⑤⑤、其他类型密封面、其他类型密封面高压容器和高压管道用高压容器和高压管道用球面（透镜）和椭圆或八角形截面金属垫片球面（透镜）和椭圆或八角形截面金属垫片4). 4). 容器法兰容器法兰(1)(1)．整体法兰．整体法兰 ①①平焊法兰平焊法兰制造容易，应用广泛，但刚性较差。

制造容易，应用广泛，但刚性较差分分3种型式：种型式： 1.整体法兰整体法兰 2.松式法兰松式法兰 3.任意式法兰任意式法兰 法兰附近筒壁的截面上，将产生附加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的弯曲应力所以平焊法兰适用的压力范围较低（范围较低（PNPN）平焊法兰的适用范围：平焊法兰的适用范围：②②．对焊法兰．对焊法兰又称高颈法兰或长颈法兰又称高颈法兰或长颈法兰特点：特点：颈提高刚性，厚度比筒体厚，降低根颈提高刚性，厚度比筒体厚，降低根部弯曲应力部弯曲应力对接焊缝，比平焊法兰的角焊缝强度好，对对接焊缝，比平焊法兰的角焊缝强度好，对焊法兰适用于压力、温度较高或设备直径较焊法兰适用于压力、温度较高或设备直径较大的场合大的场合  ( 2)( 2)、松式法兰、松式法兰 法兰与容器或管道不连接，比整体式连法兰与容器或管道不连接，比整体式连接强度差接强度差法兰盘可用不同材料，用于铜制、铝制、陶瓷、法兰盘可用不同材料，用于铜制、铝制、陶瓷、石墨及其非金属材料的设备或管道上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受力后无附加弯曲应力，只适用于压力较低场合(3)(3)、任意式法兰、任意式法兰整体性介于整体法兰和松式法兰之间。

整体性介于整体法兰和松式法兰之间圆形法兰最常见，方形法兰利于管子排列紧凑，椭圆圆形法兰最常见，方形法兰利于管子排列紧凑，椭圆形法兰常用于阀门和小直径的高压管子上形法兰常用于阀门和小直径的高压管子上6 6、影响法兰密封的因素、影响法兰密封的因素影响法兰密封的因素主要有：影响法兰密封的因素主要有： 螺栓预紧力；螺栓预紧力； 密封面型式；密封面型式；垫片性能；垫片性能；法兰刚度；法兰刚度；操作条件操作条件(1) (1) 螺栓预紧力螺栓预紧力螺栓预紧力是影响密封一个重要因素：螺栓预紧力是影响密封一个重要因素： 预紧力使垫片压紧并实现初始密封预紧力使垫片压紧并实现初始密封 预紧力过大则垫片被压坏或挤出预紧力过大则垫片被压坏或挤出 预紧力通过法兰密封面传递给垫片，良好的预紧力通过法兰密封面传递给垫片，良好的密密 封，必须使预紧力均匀地作用于垫片封，必须使预紧力均匀地作用于垫片 当需要预紧力一定时，采取增加螺栓个数、当需要预紧力一定时，采取增加螺栓个数、减小螺栓直径对密封有利减小螺栓直径对密封有利(2) (2) 法兰垫片及性能法兰垫片及性能 垫片适当变形和回弹能力是形成密封的垫片适当变形和回弹能力是形成密封的必要条件。

必要条件最常用垫片分为：最常用垫片分为： 非金属、非金属、金属、金属、 非金属与金属混合制的垫片非金属与金属混合制的垫片①①. .非金属垫片：非金属垫片：橡胶石棉板、聚四氟乙烯等橡胶石棉板、聚四氟乙烯等特点：特点：ü柔软柔软ü耐温度和压力性能较金属垫片差耐温度和压力性能较金属垫片差v只适用于常、中温和中、低压设备和管道只适用于常、中温和中、低压设备和管道的法兰密封的法兰密封②②. . 金属垫片：金属垫片： 材料一般并不要求强度高，而是要求软韧材料一般并不要求强度高，而是要求软韧 常用：常用： 软铝、紫铜、铁软铝、紫铜、铁( (软钢软钢) )、蒙耐尔、蒙耐尔合金合金( (含含Ni67Ni67％，％，Cu30Cu30％，％，Cr4Cr4～～5 5％％) )钢等 主要用于中、高温和中、高压法兰主要用于中、高温和中、高压法兰联接密封联接密封③③. .金属与非金属混合制垫片：金属与非金属混合制垫片： 金属包垫片及缠绕垫片等见以下图金属包垫片及缠绕垫片等。

见以下图 金属包垫片用薄金属板（镀锌薄钢板、金属包垫片用薄金属板（镀锌薄钢板、0Cr18Ni90Cr18Ni9等）将等）将非金属包起来；非金属包起来； 金属缠绕垫片是薄低碳钢带金属缠绕垫片是薄低碳钢带( (或合金钢带或合金钢带) )与石棉带一起与石棉带一起绕制而成不带定位圈和带定位圈绕制而成不带定位圈和带定位圈特点：特点： 金属包垫片及缠绕垫片较单纯的金属垫片有较好的性能，金属包垫片及缠绕垫片较单纯的金属垫片有较好的性能，适应的温度与压力范围较高一些适应的温度与压力范围较高一些(3). (3). 垫片材料的选择：垫片材料的选择： 根据温度、压力以及介质腐蚀决定，同时考根据温度、压力以及介质腐蚀决定，同时考虑密封面形式、螺栓力的大小以及装卸要求虑密封面形式、螺栓力的大小以及装卸要求等、法兰标准及选用、法兰标准及选用 石油、化工上用的法兰标准有两类：石油、化工上用的法兰标准有两类： 一是压力容器法兰标准一是压力容器法兰标准二是管法兰标准二是管法兰标准(1) (1) 、压力容器法兰标准、压力容器法兰标准最新标准是原机械工业部、化工部、劳动部、石化总公最新标准是原机械工业部、化工部、劳动部、石化总公司合编司合编《《压力容器法兰压力容器法兰》》，，标准号为标准号为JB4700JB4700～～4707-92 ( (见表见表2-14) 2-14) 　　 甲型 带衬环 平焊法兰 乙型 不带衬环压力容器法兰分类 带衬环 对焊法兰 不带衬环1 1．平焊法兰：．平焊法兰：2 2．对焊法兰．对焊法兰 长颈对焊法兰有厚度更大的颈，刚性大。

所以能长颈对焊法兰有厚度更大的颈，刚性大所以能承受更高压力范围承受更高压力范围( (PN PN ～～) )和直径范围和直径范围( (DNDN300mm300mm～～2000mm2000mm) )，适用温度范围为，适用温度范围为-20℃-20℃～～450℃450℃v平焊与对焊法兰都平焊与对焊法兰都有带衬环的与不带有带衬环的与不带衬环的两种衬环的两种 当设备是由不锈钢当设备是由不锈钢制作时，采用碳钢制作时，采用碳钢法兰加不锈钢衬环，法兰加不锈钢衬环，可以节省不锈钢可以节省不锈钢3 3、公称直径与公称压力、公称直径与公称压力 在选用时，根据公称直径与公称压力由法兰标在选用时，根据公称直径与公称压力由法兰标准确定法兰尺寸准确定法兰尺寸 ▲压力容器直径与法兰公称直径应如何配合？压力容器直径与法兰公称直径应如何配合？ 容器法兰的公称直径与容器的公称直径取同一数额值容器法兰的公称直径与容器的公称直径取同一数额值例如：例如：DN DN 1000mm1000mm的压力容器，应当配用的压力容器，应当配用DN DN 1000mm1000mm的的压力容器法兰。

压力容器法兰 ＊＊ 法兰公称压力：法兰公称压力： 法兰公称压力与最大操作压力、操作温度以法兰公称压力与最大操作压力、操作温度以及材料有关因为：及材料有关因为：定义：定义： 是以是以16MnR16MnR在在200℃200℃时的机械性能为基准来确时的机械性能为基准来确定法兰的尺寸，所以在定法兰的尺寸，所以在200℃200℃时，它的最大允许操时，它的最大允许操作压力，就认为是具有该尺寸法兰的公称压力作压力，就认为是具有该尺寸法兰的公称压力例如：例如： 所谓公称压力所谓公称压力MPaMPa的法兰，是用的法兰，是用16MnR16MnR制造制造的，在的，在200℃200℃时，最大允许操作压力时，最大允许操作压力 如果把这个法兰用在高于如果把这个法兰用在高于200℃200℃条件下，条件下，它最大操作压力它最大操作压力 将低于它的公称压力将低于它的公称压力 相反若低于相反若低于200℃200℃时，仍按时，仍按200℃200℃确定其最确定其最高工作压力。

高工作压力 ★★ 如果材料改为如果材料改为Q235-AQ235-A，机械性能比，机械性能比16MnR16MnR差，差，公称压力公称压力PNPN的法兰，的法兰，200℃200℃操作，最大允许操作压操作，最大允许操作压力也低于公称压力力也低于公称压力 ★★ 如果材料由如果材料由16MnR16MnR改为改为15MnVR15MnVR，机械性能优，机械性能优16MnR16MnR，公称压力，公称压力PNPN的法兰，在的法兰，在200℃200℃操作时，最操作时，最大允许操作压力将高于它的公称压力大允许操作压力将高于它的公称压力v总之，只要法兰的公称直径、公称压力确定了，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法兰的尺寸也就确定了最大允许工作压力的确定：最大允许工作压力的确定：v例如：为一台操作温度例如：为一台操作温度300℃℃，设计压力，设计压力0.6MPa 的的容器选配法兰容器选配法兰 查表查表2-15得知，得知， 如果材料用如果材料用15MnVR，可按公称压力查取法兰，可按公称压力查取法兰尺寸 如果材料用如果材料用20R，则须按公称压力查取法兰尺，则须按公称压力查取法兰尺寸。

寸讨论： 为什么不直接地用设计压力作为公称压力？为什么不直接地用设计压力作为公称压力？ 因为，法兰的最大允许工作压力与操作温度和材料有关所以，要因为，法兰的最大允许工作压力与操作温度和材料有关所以，要根据操作温度和材料的不同，通过查表，找出允许的最大工作压力所对根据操作温度和材料的不同，通过查表，找出允许的最大工作压力所对应的公称压力应的公称压力(2) (2) 管法兰标准管法兰标准v同样公称直径的容器法兰和管法兰的尺寸不同样公称直径的容器法兰和管法兰的尺寸不相同，不能互相代用相同，不能互相代用v管法兰的型式除平焊、对焊法兰外，还有铸管法兰的型式除平焊、对焊法兰外，还有铸钢法兰、铸铁法兰、活套法兰、螺纹法兰等钢法兰、铸铁法兰、活套法兰、螺纹法兰等v管法兰标准查选方法、步骤与压力容器法兰管法兰标准查选方法、步骤与压力容器法兰相同v管法兰标准：管法兰标准：—8888等等v管法兰标准除外，常用标准还有：管法兰标准除外，常用标准还有：化工部标准化工部标准HG20592HG20592～～HG20602-97HG20602-97；；中石化标准中石化标准SH3406-96SH3406-96等。

其中化工等其中化工部标准中分为欧洲体系、美洲体系等部标准中分为欧洲体系、美洲体系等，我国常用的为欧洲体系我国常用的为欧洲体系 例例2-22-2：：为台精馏塔配一对连接塔身与封头的法兰塔内径为台精馏塔配一对连接塔身与封头的法兰塔内径1000mm1000mm，操作，操作 温度温度280℃280℃，设计压力材料为，设计压力材料为Q235-AQ235-A 解题步骤： 1. 确定公称压力 方法：从表2-15查知，应按公称压力 2. 对法兰选型 压力不高，直径不大，表2-14用甲型平焊法兰、平面密封 面，垫片用石棉橡胶板 3. 查选尺寸法兰的各部尺寸从附录10中查， 选用联接螺栓材料为Q235-A，螺柱规格M20，共36个 4.绘制法兰图并标注尺寸见图2--37)1.1.思考题：思考题：1111、、1212、、1313、、14142. 2. 作业题作业题 ：：P158P158 9 9、、1010、、。