第六章 容器零部件(2010版)

会加速老化、变质，甚至烧毁。
6.1.4
法兰标准
平 焊 法 兰
图6-16 甲型平焊法兰
图6-17 乙型平焊法兰
乙型法兰带有一个短筒体，因此刚性较甲型法兰 好，可用于压力较高，直径较大的场合； 比较
焊缝形式：甲型为V型坡口，乙型为U型坡口，
因此乙型更易焊透，故其强度和刚度更高。
对焊法兰
特点
由于有长颈，并 采用对焊，故刚 性更好，用于压
ห้องสมุดไป่ตู้
松套法兰
法兰不直接固定在壳体上或虽然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。
图6-6 松套法兰
平焊环松套板式
翻边松套板式
法兰与容器或管道不连接，比整体式连接强度差
松套法兰
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。
受力后无附加弯曲应力，只适用于压力较低 场合。
与椭圆或八角形截面的 金属垫圈配合。
6-13 梯形槽压紧面
3、垫片性能
非金属垫片 金属垫片
一般要求软韧， 强度要求其次 金属——非金属组合垫片
6-14 垫片断面形状
• 垫片密封面的塑性变形能力 ——实现初始密封； • 垫片材料及结构的回弹能力 ——提高工作状态下的残余密封比压。 • 耐腐蚀能力。 • 力学性能，尤其抗高温蠕变能力。 • 工作温度下的变质硬化或软化性。
1.整体法兰分类——法兰与设备或管道不可拆卸
（1）平焊法兰——板式平焊法兰，带颈平焊法兰
平焊法兰，制造容易，应用广泛，但刚性较差。
平焊法兰的适用范围：
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）。
（２）．对焊法兰
又称高颈法兰或长颈法兰。 颈提高刚性，厚度比筒体厚，降低根部弯曲应力。 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大的场合。
法兰变形2
5、操作条件
操作条件 指压力、温度及介质的物理化学性质对密封性能 的影响。 在压力、介质和温度的联合作用下，尤其是波动 特 点
的高温下，会严重影响密封性能，甚至使密封因
疲劳而完全失效。 高温下，介质粘度小，渗透性大，易泄漏；介质
原 因
对垫片和法兰的腐蚀作用加剧，增加了泄漏的可 能性；法兰、螺栓和垫片均会产生较大的高温蠕 变与应力松弛，使密封失效；某些非金属垫片还
注意问题
平焊与对焊
法兰都有带 衬环与不带 衬环两种。
图6-19 带衬环的甲型平焊法兰
密封面都有
平面型、凹
凸型、榫槽
型三种。
当 设备 是 由不 锈 钢 制作时，采用碳钢 法兰加不锈钢衬环， 可以节省不锈钢。
2、如何选用压力容器法兰
公称压力（PN） 选择法兰的主要参数 公称直径（DN）
例如DN 1000mm的压力容器，应当配用DN 1000mm的压力容器法兰。
（b）预紧工况
图6-3 密封机理图
y值仅与垫片材料、 结构与厚度有关。
（c）操作工况
通入介质 压力上升 导致
密封比压下降 垫片弹性压缩变形部分产生回弹，使压 紧面上的密封比压力仍能维持一定值以 保持密封性能。
引入概念2 “操作密封比压” 为保证在操作状态时法兰的密封性 能而必须施加在垫片上的压应力， 称为操作密封比压。 操作密封比压往往用介质计算压力 的m倍表示， m称为“垫片系数”。
6-9 平面型压紧面
凹凸型压紧面
由一个凹面和一个凸
面配合组成。垫片放
凹面中。 优点：便于对中，能 防垫片挤出。 可用在P≤6.4MPa，
DN≤800mm
6-10 凹凸型压紧面
榫槽型压紧面
一榫一槽密封面组成，优点 是对中性好，密封预紧压力 小，垫片不易挤出，不受介 质冲刷，用于易燃易爆密封 要求高处。缺点是更换较困
（a）尚未预紧工况
图6-3 密封机理图
（b）预紧工况（无内压）
拧紧螺栓，螺栓力通过法兰压 紧面作用到垫片上。垫片产生弹性 或屈服变形，填满凹凸不平处，堵 塞泄漏通道，形成初始密封条件。 引入概念1“预紧比压y” 形成初始密封条件时垫片单位面积 上所需的最小压紧力，称为“垫片 比压力” ，单位为MPa。在预紧工 况下，如垫片单位面积上所受的压 紧力小于比压力y，介质即发生泄漏。
金属垫片：
材料一般并不要求强度高，而是 要求软韧。 常用是软铝、紫铜、铁(软钢)、 蒙耐尔合金(含Ni67％，Cu30％， Cr4～5％)钢等。 主要用于中、高温和中、高压法 兰联接密封。
垫片材料的选择：
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 大小以及装卸要求等。 查表6－1
0.6
15MnVR
0.65
0.63
0.6
③ 确定压力容器法兰PN —JB4700-2000(见书P160,P331)
（1）.压力容器法兰材质为20R，300 ℃ 时设计压力为1.0MPa。其公称压力应该为多 少？ （2）管法兰材质为Q235-A,选用 PN=0.6MPa，问300℃时能否承受0.4MPa的工 作压力？
垫片类型：
非金属垫片：
橡胶石棉板、聚四氟乙烯等。 柔软 耐温度和压力性能较金属垫片差。 只适用于常、中温和中、低压设 备和管道的法兰密封。
金属与非金属混合制垫片：
金属包垫片及缠绕垫片等。 金属包垫片用薄金属板（镀锌薄钢板、 0Cr18Ni9等）将非金属包起来； 金属缠绕垫片是薄低碳钢带(或合金钢带) 与石棉带一起绕制而成。不带定位圈和 带定位圈。
②.公称压力的确定：
基准：以16MnR在 200℃时的力学性能为基准确定法兰 尺寸系列。
即基准条件下，法兰的最大允许操作压力为该法兰的 公称压力。
法兰公称压力的确定：
公称压力 PN 法兰材质 Q235-A 16MnR 最大允许工作压力 (MPa) -20~200℃ 0.4 0.6 300℃ 0.33 0.51 350℃ 0.30 0.49
• 法兰密封面形式可用代号表示，见表6－5。 表6－5 法兰密封面型式代号（JB/T4700-2000）
密 封 面 型 式 代 号 密 封 面 型 式 代 号
密封面上不 开水线
平密 封面 密封面上开 两条同心圆 水线 密封面上开 同心圆或螺 旋铣的密纹 水线 RF
凹密封面
沿着垫片与压紧面之间 的泄漏，泄漏量大小主 要与界面间隙尺寸有关。 “压紧面泄漏”是密封 失效的主要途径。
压紧面泄漏
垫片渗漏
图6-2 泄漏形式
螺栓法兰连接的整个工作过程：
图6-2（a）尚未预紧工况、
（b）预紧工况、 （c）操作工况
（a）尚未预紧工况 将上、下法兰压紧面和垫片的 接触处的微观尺寸放大，表面 是凹凸不平的，这就是流体泄 漏的通道。
力更高处.
图6-18 长颈对焊法兰
长颈对焊法兰有厚 度更大的颈，刚性 大。 更高压力范围(PN 0.6MPa～6.4MPa) 和直径范围 (DN300mm～ 2000mm)，适用温 度范围为-20℃～ 450℃。
乙型平焊法兰中 DN 2000mm以下规格包括 在长颈对焊法兰的规定范围之内。两者 联接尺寸和法兰厚度一样。 DN2000mm以 下的乙型平焊法兰可用轧制长颈对焊法 兰代替，以降低成本。
难，榫易损坏。
注意：应使固定在设备上的
法兰为槽面,可拆下部分的法
兰为榫面。
6-11 榫槽型压紧面
锥形压紧面
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。
6-12 锥形压紧面
梯形槽压紧面
槽底不起密封作用，是 槽的内外锥面与垫片接
触成梯形,形成密封的，
螺纹法兰
法兰和管壁通过螺纹进行连接，法兰对管壁产生的附 加应力较小。常用于高压管道。
图6-7 螺纹法兰
3、按法兰形状分
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。
三、影响法兰密封的因素
1、螺栓预紧力
预紧力使垫片压紧实现初始密封。 适当提高预紧力可增加垫片的密封能力，即在正常工况
第六章
教学重点：
容器零部件
各零部件标准的选用。 教学难点： 标准法兰的选用。
第一节
法兰联接
1 2
一、法兰联接结构与密封原理 1、密封组成
被连接件
3
法兰联接
连接件
密封元件
图6-1 螺栓法兰连接结构 1-螺栓 2-垫片 3-法兰
1.连接结构
法兰连接结构（剖开看）
法兰联接结构
法兰联接结构与类型
组合件
公称直径 公称压力
压力容器法兰的公称直径与压力容 器的公称直径取同一系列数值
公称压力——是以16MnR在200℃时的最高工作 压力为依据制定的，因此当法兰材料和工作温度 不同时，最大工作压力将降低或升高。 法兰公称压力与法兰的最大操作压力和操作温度 以及法兰材料三个因素有关。
①.公称直径的确定： ◎管法兰—与相联接管子的公称直径相同； ◎压力容器法兰— • 板卷筒体，与相联接筒体的公称直径相同 （内径）。 • 无缝钢管作筒体，与相联接无缝管的公称直 径相同（外径）。
4.法兰的刚度
——法兰在外力作用下抵抗变形的能力。
刚度小——受力后变形大，垫片受力不均，易泄漏。
法兰受力：
4、法兰刚度
密封失效的主 要原因之一
刚度不足：过大的翘曲变形
提高法兰刚度的措施： 增加法兰厚度；减小螺栓力作用的力臂(即缩小
中心圆直径)；增大法兰盘外径。
思考：法兰将如何变形？
法兰变形1:
下保留较大的接触面比压力。
预紧力不宜太大，否则使垫片整体屈服丧失回弹能力， 甚至将垫片挤出或压坏。 预紧力应均匀地作用到垫片上，可采取减小螺栓直径、 增加螺栓个数等措施来提高密封性能。