法兰及紧固件的选用

法兰及紧固件的选用
法兰、垫片及螺栓三者组成管道中可拆卸的连接结构，压力管道中应用很普遍也是一种很重要的连接形式。

通常，法兰、螺栓与垫片三者共同构成一个密封副，三者共同作用，相辅相承，才能保证接头的良好密封。

盲板、8字盲板、限流孔板、混合孔板等与法兰、垫片及螺栓关系比较密切，常与它们配合使用，一起进行介绍。

1、法兰
法兰是确定管道公称压力等级的基准件。

由前面的介绍可知，法兰的种类很多，不同型式的法兰，其密封性能不同，适用场合也不同。

在这里仅讨论不同型式的法兰应如何选用，仅供参考。

a. 法兰种类
◆结构型式管道法兰按与管子的连接方式分为以下六种基本类型：平焊、对焊法、承插焊、松套、螺纹法兰和整体法兰。

◆密封面型式法兰密封面有全平面、凸台面、凹凸面、榫槽面、环槽面等五种。

◆法兰代号不同的标准其法兰的密封面及型式的名称、代号略有区别。

见表1－1、表1－2。

b．结构型式的选用：
平焊法兰：多用于介质条件比较缓和的情况下，如低压非净化压缩空气、低压循环水，它的优点是价格比较便宜；
对焊法兰：最常用的一种，它与管子为对焊连接，焊接接头质量比较好，而且法兰的颈部利用锥度过渡，可以承受较苛刻的条件；
承插焊法兰：常用于PN≤10.0MPa，DN≤40的管道中；
松套法兰：常用于介质温度和压力都不高而介质腐蚀性较强的情况。

当介质腐蚀性较强时，法兰接触介质的部分(翻边短节)为耐腐蚀的高等级材料如不锈钢等材料，而外部则利用低等级材料如碳钢材料的法兰环夹紧它以实现密封；
整体法兰：常常是将法兰与设备、管子、管件、阀门等做成一体，这种型式在设备和阀门上常用。

b.密封面型式的选用：
全平面密封面：常与平焊型式配合以适用于操作条件比较缓和的(PNg1.0)工况下；常用于铸铁法兰或与铸铁连接的钢法兰；
凸台面密封面：是应用最广的一种型式，它常与对焊和承插焊型式配合使用，在"美式法兰"中，常用在PN2.0、PN5.0和部分PN10.0MPa压力等级中；在"欧式法兰"中则常用在PN1.6、PN2.5MPa压力等级；
凹凸面密封面：常与对焊和承插型式配合使用，在"美式法兰中不常采用，在"欧式法兰"中常用在PN4.0、PN6.4MPa等级中。

但它不便于垫片的更换；
榫槽面密封面：使用情况同凹凸面法兰；
环槽面密封面：常与对焊连接型式配合(不与承插焊配合)使用，主要用在高温、高压或二者均较高的工况。

在"美式法兰'中，常用在PN10.0(部分)、PN15.0、PN25.0、PN42.0MPa 压力等级中。

在"欧式法兰"中常用在PNl0.0、PN16.0、PN25.0、PN32.0、PN42.0。

2、螺栓/螺母
选择法兰连接用紧固件材料时，应同时考虑管道操作压力、操作温度、介质种类和垫片类型等因素。

垫片类型和操作压力、操作温度一样，都直接对紧固件材料强度提出了要求。

例如，采用缠绕式垫片密封的低压剧毒介质管道的法兰连接，尽管管道的操作压力和温度都不高，但因为使缠绕式垫片形成初始密封时所需要的比压力较大，从而要求紧固件的承受载荷也大，因此，在这种情况下就要求紧固件采用高强度合金钢材料。

合金钢螺柱均应采用高级优质钢.即材料牌号后均应加字母A，如35CrMoA、25CrMoVA 根据结构型式的不同，螺栓可分为六角头螺栓和双头螺栓(又称为螺柱)两类，而双头螺栓又分为通丝和非通丝两种。

六角头螺栓：常与平焊法兰和非金属垫片配合用于操作较缓和的工况下。

六角头螺栓常用材料是BL3或者是Q235B；
双头螺栓：常与对焊法兰配合使用在操作条件比较苛刻的工况下，其中，因为通丝型双头螺栓上没有截面形状的变化，故其承载能力强。

而非通丝型双头螺栓则相对承载能力较弱。

螺母材料常根据与其配合的螺栓材料确定，这些组合在一般的标准中都有规定。

一般情况下，螺母材料应稍低于螺栓材料，并保证螺母硬度比螺栓硬度低HB30左右。

3垫片
垫片是借助于螺栓的预紧载荷通过法兰进行压紧，使其发生弹塑性变形，填充法兰密封面与垫片间的微观几何间隙，增加介质的流动阻力，从而达到阻止或减少介质的泄漏的目的。

垫片性能的好坏以及选用的合适与否对密封副的密封效果影响很大。

常用的垫片可以分为三大类，即非金属垫片、半金属垫片和金属垫片。

a.非金属垫片：
石棉橡胶垫片，它是通过向石棉中加入不同的添加剂压制而成。

在美国，很多标准中都将石棉制品列为致癌物质而禁用。

但在世界范围内，石棉仍以其弹性好、强度高、耐油性好、耐高温、易获得等优点而得到广泛应用。

适用范围：T≤260℃，PN≤2.0MPa（SH 3401）
T≤400℃，PN≤4.0MPa（国标）
用于水、空气、氮气、酸、碱、油品等介质工况下。

聚四氟乙烯(PTFE)包覆垫片：
使用范围：T＝－180～200℃，PN≤4.0MPa
常用于低温或者要求干净的场合下
b.半金属垫片
半金属垫片有缠绕式垫片、金属包覆垫片和柔性石墨缠绕垫三大类。

缠绕式垫片：是半金属垫片中最理想、也是应用最普遍的垫片。

特点：压缩回弹性好、强度高，有利于适应压力和温度的变化，能在高温、低温、冲击、振动及交变载荷下保持良好的密封性能。

缠绕钢带：20、1Cr13、0Cr19Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2等材料
非金属缠绕带：特制石棉、柔性石墨带和聚四氟乙烯带，
适用范围：PN＝2.0～10.0MPa
表1－3缠绕式垫片的型式及代号
铁包式垫片：密封性能不如缠绕式垫片，故压力管道中用的不多，它常用在换热器封头等大直径的法兰连接密封副上。

柔性石墨复合垫由冲齿或冲孔金属芯板与膨胀石墨粒子复合而成。

适用于突面、凹凸面和榫槽面法兰。

c.金属垫片
金属垫片常用在高压力等级法兰上，以承受比较高的密封比压。

常用的金属垫片有平垫、八角形垫和椭圆型垫三种。

金属平垫片：常与凸台面、凹凸面、榫槽面法兰使用。

八角形金属垫片和椭园形金属垫片：常与环槽面法兰使用。

与椭圆形金属垫片相比八角形金属垫片容易加工，故其应用比较多。

金属垫片的材料应配合法兰材料选用，且要求垫片硬度比法兰密封面硬度低(不少于HB30)。

4盲板、8字盲板、限流孔板和混合孔板
它们常被夹在两片法兰之间以实现不同用途。

它们都应有两个和匹配法兰同样的密封面。

例：某工程把下列条件的管道编在一个管道等级中，管道材料为20：
蒸汽设计压力为1.6 MPa，设计温度为330 °C
蒸汽设计压力为2.6 MPa，设计温度为260 °C
如果不考虑法兰选用的温度-压力问题，请写出该管道等级的最小压力级别，并写出两种以上的法兰、垫片的组合形式。

答：1）压力级为：4.0MPa；
2） a、HG法兰 PN4.0 WN-MFM；垫片：PN4.0带内环缠绕垫。

PN4.0 WN-MFM；垫片：PN4.0柔性石墨复合垫
b、GB法兰 PN4.0 WN-MF；垫片：PN4.0 带内环缠绕垫。

PN4.0 SO-RF；垫片：PN4.0 带外环缠绕垫
c、JB法兰PN4.0 WN-MFM；垫片：PN4.0带内环缠绕垫。