法兰连接-讲义

5 法兰连接

在各种容器和管道中，由于产生工艺的要求，或考虑制造、运输、安装、检修的方便，常采用可拆的结构。常见的可拆结构有法兰连接、螺纹连接和插套连接。

法兰连接优点：较强的强度和紧密性，适用尺寸范围广，在设备和管道上都能应用。

缺点：不能很快地装配与拆开，而且制造成本较高。

一、概述

1.构成：由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺母组成。法兰联接是一种可拆联接。

2.原理：垫片放在两法兰密封面之间，拧紧螺母后，垫片表面上的预紧密封比压（在垫片单位面积上的压紧力）达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使联接严密不漏。

3.失效形式：主要表现为泄漏，泄漏量控制在工艺和环境允许的范围内。

4.几个结论：

（1）密封垫片是整个法兰连接（包括法兰、垫片、螺柱和螺母）的基础。垫片的材质、结构和尺寸是影响螺栓力和法兰力矩大小的主要因素之一。

（2）增加与法兰盘连接处器壁（或管壁）的壁厚，不但会减小法兰加给器壁的弯曲应力，而且增加的壁厚会反过来增大法兰盘的刚度、减小法兰盘的弯曲应力。正是由于这个缘故，所以法兰的形式、除了有直接与器壁焊接的甲型平焊法兰外，还有带有加厚短节的乙型平焊法兰和带有高颈的对焊法兰。

（3）对法兰强度其主要作用的三个应力都是弯曲应力，而弯曲应力的大小又于受弯构件的厚度平方成反比，所以决定法兰强度大小的关键尺寸是法兰盘的厚度。

（4）在螺栓力一定的条件下，法兰螺孔中心圆与密封垫片中径之间的距离越小，法兰所承受的外力偶矩越小。在所需螺栓总面积一定，并留有上紧螺母所必需间距的前提下，在确定螺栓直径与数目时，应以螺孔中心圆直径尽可能小为原则。所以盲目增大法兰外径是没有意义的。

二、压力容器法兰

石油、化工上用的法兰标准有两类：一类是压力容器法兰标准；一类是管法兰标准

1. 压力容器法兰标准

按所联接的部件可分为容器法兰及管法兰。按结构型式分，有整体法兰、活套法兰和螺纹法兰。

常见的整体法兰有平焊法兰及对焊法兰。

平焊法兰：通过角焊缝直接与设备或管道焊接的一种法兰。其结构简单，加工方便。

（1）用在容器上又分甲型平焊法兰和乙型平焊法兰。

A.甲型平焊法兰：截面基本为矩形的圆环，直接与容器焊接，其解焊缝尺寸较小或不开坡口焊接，不能保证

法兰与容器同时受力；适用于压力等级较低和筒体直径较小的范围内。

B.乙型平焊法兰附有一段较厚的短节，法兰与短节的焊接质量可靠，

能保证法兰与容器同时受力。图（e）为对焊法兰

图（f）为甲型平焊法兰

图（g）为乙型平焊法兰

（2）用在接管上又有板式平焊法兰、带颈平焊法兰和带颈对焊法兰三种类型。

○1板式平焊法兰：由于法兰直接与钢管焊接，法兰盘在操作时受力状态差，易发生形变。适用于低压场合。

○2带颈平焊法兰：由于增加了一厚壁的短节法兰颈，因此增加了法兰的刚度。适用于中、低压场合。

○3带颈对焊法兰：其颈更长，又称高颈法兰，与管子之间采用的是对焊连接，受焊接时产生的应力集中小，能承受较高的压力。

2、公称直径与公称压力

压力容器法兰公称直径同压力容器。指的是与法兰相配的筒体或封头的公称直径。

钢板卷制圆筒及与其相配接封头的公称直径均等于其内径，因而其法兰的公称直径也为内径；对带衬环的甲型平焊法兰，以衬环的内径作为法兰的公称直径。

法兰公称压力：

定义：在规定的设计条件下，在确定法兰结构尺寸时所采用的设计压力。

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。

三、法兰连接的密封

1、密封机理

泄漏途径：渗透泄漏、界面泄漏

渗透泄漏：通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏，除了受介质压力、温度、粘度、分子结构等流体状态性质影响外，主要与垫片的结构与材料性质有关。

界面泄漏：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。加工时压紧面上凹凸不平的间隙及压紧力不足是造成“界面泄漏”的直接原因。“界面泄漏”是密封失效的主要途径。

2.法兰密封面的形式

法兰的密封面主要根据工艺条件、密封口径以及垫片等进行选择。

（1）容器法兰的形式有：平面型、凹凸面、榫槽面等其中以凹凸面、榫槽面最为常用。

（2）管法兰的形式有：全平面、突面、凹凸面、榫槽面和连环接面五种。前四种为常用的密封面。

平面型密封面：是在平面上加工出几道浅槽，其结构简单但垫圈没有固定，不易压紧。适用于压力不高、介质无毒的场合；

凹凸密封面：是相配合的凹形和凸形密封面。安装时便于对中，还能防止垫片被挤出。但垫片宽度较大，须较大压紧力。适用于压力稍高的场合

榫槽密封面：是具有相配合的榫面和槽面的密封面，垫片较窄，放在槽内，由于受槽的阻挡，不会被挤出。很少受介质的冲刷和腐蚀。安装时易对中。垫片受力均匀，故密封可靠。适用于易燃、易爆、有毒介质及压力较高的重要密封。但更换垫片困难，法兰造价较高。

四、压力容器法兰用密封垫片

1.非金属软垫片：耐油石棉橡胶板（≤200℃）、石棉橡胶板（≤350℃）

1) 材质：橡胶石棉板、聚四氟乙烯等。

2) 特点：柔软；耐温度和压力性能较金属垫片差。

3) 应用场合：只适用于常、中温和中、低压设备和管道的法兰密封。用于平面密封面和凹凸密封面。

2.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。

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。

3.金属包垫片：

材料一般并不要求强度高，而是要求软韧。

材质：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。金属板常用是软铝、紫铜及其合金，也可以采用不锈钢或优质碳钢。

应用场合：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。

五、管法兰

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。

1.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。

2.密封垫片

（1）非金属垫片石棉橡胶板和耐油石棉橡胶板

（2）合成纤维橡胶压制板是用有机的或无机的非石棉纤维与不同种类的弹性体（橡胶）和填料混合压制而成的。

（3）改性的或填充的聚四氟乙烯板

（4）各种天然橡胶与合成橡胶的使用温度上限较低，限制了他们的应用。

六、紧固件

1.定义：紧固件在市场上也称为标准件，是将两个或两个以上的零件（或构件）紧固连接成为一件整体时所采用的一类机械零件的总称。

备注：螺丝是紧固件的通用说法，日常口头语。

2.紧固件的种类

（1）螺栓：由头部和螺杆（带有外螺纹的圆柱体）两部分组成的一类紧固件，需与螺母配合，用于紧固连接两个带有通孔的零件。这种连接形式称螺栓连接。如把螺母从螺栓上旋下，有可以使这两个零件分开，故螺栓连接是属于可拆卸连接。

（2）螺柱：没有头部的，仅有两端均外带螺纹的一类紧固件。连接时，它的一端必须旋入带有内螺纹孔的零件中，另一端穿过带有通孔的零件中，然后旋上螺母，即使这两个零件紧固连接成一见整体。这种连接形式称为螺柱连接，也是属于可拆卸连接。主要用于被连接零件之一厚度较大、要求结构紧凑，或因拆卸频繁，不宜采用螺栓连接的场合。