法兰设计

GB/T9112-9131外，常用标准还有： 化工部标准HG20592～HG2060297；中石化标准SH3406-96等。其 中化工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。
设备法兰与管法兰均已制定出标 准。在实际的工程应用中，可以根 据公称直径和公称压力，从相应的 标准中查到，少量超出标准规定范 围法兰，才需进行设计。
3、法兰设计计算包括的基本问题
（1）法兰选用
法兰标准及其应用；
法兰、垫片和螺栓的选用。
（2）法兰设计：
密封设计； 强度计算。
（1）公称通径、公称压力、法兰标 准及其应用
大多数法兰已经标准化，以适应 大量制造，便于互换。可以直 接查标准使用。 下面先介绍一下公称直径、公称 压力
公称（直径）通径
保证法兰紧密不漏的条件
(1)必须在预紧时，使螺栓力在压紧面与垫片 之间建立起不低于y值的比压力； (2)当设备工作时，螺栓力应能够抵抗内压的 作用，并且在垫片表面上维持m倍内压的 比压力。
尽管y和m在相当程度上掩盖了垫片材料的 复杂行为，但一方面它们极大地简化了法 兰设计; 另一方面按目前的m和y值在实际使用中一 般认为是满意的。
2、设计分析 法兰结构的完整性问题； 法兰接头紧密性问题；（紧密不漏） 从设计角度，把法兰连接作为一个系统考 虑，且着眼把“泄漏”失效作为设计准则 之一；关键是建立垫片特性参数的数据库， 以及能测试这些参数的标准方法。至今大 多数规范中仍采用传统方法；在不是十分 苛刻的操作条件下这一设计方法能满足使 用要求。
螺栓拉力应等于压紧垫片所需的最小压紧 载荷； 密封基本宽度源自关系如下：有效密封宽度，两者的
确定了有效宽度，则可以得到相应的用于 计算的垫片平均直径：
操作工况
螺栓载荷应等于抵抗内压产生的轴向使法
兰连接分开的载荷和维持密封垫片表面必
需的压紧载荷之和，即
螺栓尺寸与数目
确定螺栓尺寸就是确定螺栓截面的尺
（一）整体法兰
１．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。
（二）垫片的选择
法兰密封效果的好坏主要取决于垫片的密 封性能；垫片适当变形和回弹能力是形成 密封的必要条件。 垫片按材质分为三类： （1）非金属垫片； （2）金属垫片； （3）金属－非金属组合垫片；
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。
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。
小结
1、正确理解法兰连接的密封原理，了解影 响密封的因素； 2、掌握垫片材料类型和垫片的选择，理解 垫片性能参数的物理意义； 3、掌握螺栓载荷的计算及螺栓的设计问题 4、了解法兰的结构及其特点，能使用法兰 标准正确选用法兰；
1、法兰连接通过紧固螺栓压紧垫片，是垫 片发生变形，并提供垫片与密封面的压紧 力，以形成压力介质通过密封面的阻力， 当这种阻力大于密封元件两侧的介质压力 差时，介质即被密封住。垫片的性能、螺 栓力的大小、密封面形式以及尺寸精度、 法兰刚度及操作条件等均影响密封的可靠 性。
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。
平焊与对焊法兰 都有带衬环的与 不带衬环的两种。 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。
（三）压紧面的选择
要保证法兰连接的 紧密性，必须合适 地选择压紧面的形 状。常用的压紧面 形状有突面、凹凸 面、榫槽面和梯形 槽等几种，如图所 示。
对于压力不高的场合(不大于2.5MPa)，
常用突台面形压紧面。为了使垫片容易变形 和防止挤出，其突台面上常刻有2-4条同心的 三角形沟槽，但对膨胀石墨垫片或缠绕式垫 片无须此槽。
定义
预紧比压y：预紧(无内压)时，迫使垫片变形 与压紧面密合，以形成初始密封条件，此时 垫片所必需的最小压紧载荷，因以单位接触 面积上的压紧载荷计，故也称“最小压紧应 力”，单位为MPa。 垫片系数m：指操作(有内压)时，达到紧密 不漏，垫片上所必须维持的比压与介质压力 的比值。其值仅与垫片材料、结构与厚度有 关，见表2-9。
第四节 法兰
一、引言
1、法兰联接
生产工艺要求，或为制造、运输、安装、 检修方便，大多数化工设备采用可拆卸 的联接结构。
常见的可拆卸结构有：
法兰联接（应用最为广泛） 螺纹联接 承插式联接
法兰联接由法兰对、 螺垫片组成；法兰 通过紧固螺栓压紧 垫片实现密封。因 此法兰连接不是独 立的承载部件，而 是一个“法兰螺栓 垫片系统”（或者 称为“螺栓法兰联 接系统”）
本课程介绍法兰设计过程中相关 的概念。
二、法兰设计
（1）密封设计 按照工作条件，选取法
兰类型、压紧面形状和垫片型式，确定在 安装工况和操作工况下，螺栓必需的载荷 和尺寸，以达到设计的密封要求。
（2）强度计算 即初定法兰的结构尺寸，
根据(1)计算得到螺栓载荷，对法兰进行 上述两种工况的受力分析和应力校核，以 确定法兰的厚度。
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。
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。
查下表
垫片标准
压力容器用垫片标准有：JB4704-4706；
管道用垫片标准有：HGJ69-74，GB4622 等；
出于标准化的需要，法兰规格有了公称通
径、公称压力的规定；
公称通径由字母DN后面跟无因次的整数；
英制单位是NPS。表2-9为它们之间对应关
系。
容器的公称通径是容器的内径，管子则 不然。即不等于内径也不等于外径，而是和 它们接近的一个整数。法兰的公称通径与其 相联接的容器或者管子的公称通径相一致。
2、
3、螺栓力既要保证两种工况下密封不漏， 又不至于把垫片压坏。计算两种工况下所 需的最小载荷和螺栓最小截面积，在设计 时取两种工况下所需螺栓面积的最大值进 行螺栓根径的计算。 为了满足法兰环刚度和安装等要求，设计 时必须合理调配螺栓的大小和数量，并要 求实际螺栓面积大于计算时的螺栓面积。
寸；也应该分别按照两种工况来计算，然
后选择大的作为所需要的螺栓总截面积，
从而确定实际选用螺栓直径与个数。
螺栓设计载荷
在预紧工况下，由于实际的螺栓尺寸
可能大于计算值，在拧紧螺栓的时候可能
造成实际螺栓载荷超出计算数值，所以确
定预紧工况螺栓设计载荷时，螺栓总截面
积取平均值。
三、法兰类型与标准
1、法兰的分类
二、法兰垫片密封和密封设计
两种泄漏形式: •渗透泄漏 •界面泄漏
二、法兰垫片密封和密封设计
渗透泄漏是流体通过垫片材料本体毛细管的 泄漏，故除了介质压力、温度、粘度、分子 结构等流体状态性质外，主要与垫片的结构 与材质有关； 界面泄漏是流体从垫片与法兰接触界面泄漏， 泄漏大小主要与界面间隙尺寸有关。
最大允许工作压力的确定：
为操作温度300℃，设计压力0.6MPa 的容器选配法兰。 材料15MnVR按公称压力0.6MPa查取。 材料20R按公称压力1.0MPa查取。
㈡ 管法兰标准
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。 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。 管法兰标准查选方法、步骤与压力 容器法兰同。
材料改为Q235-A，机械性能比16MnR 差，公称压力PN0.6MPa的法兰， 200℃操作，最大允许操作压力也低 于公称压力。 材料由16MnR改为15MnVR，机械性 能优于16MnR，公称压力PN0.6MPa 的法兰，在200℃操作时，最大允许 操作压力将高于它的公称压力。 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。
法兰面都铺满垫片。
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(工作密封比压)， 保持良好密封。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。螺栓和法兰须有足够 大的强度和刚度，不发生过大的变形。
基于法兰密封原理，在确立法兰设计方法 时，把预紧工况和操作工况分开处理，从 而大大简化了法兰设计； 对两个不同的工况分别引进两个垫片性能 参数，即“最小压紧应力”或“比压力”y 以及“垫片系数”m。
定义：以16MnR在200℃时的机械性
能为基准确定法兰尺寸，在200℃ 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。
公称压力PNO.6MPa法兰，用 16MnR制造的，在200℃时， 最大允许操作压力0.6MPa。 高于200℃的最大操作压力将低 于它的公称压力0.6MPa。 低于200℃仍按200℃确定其最 高工作压力。
凹凸型压紧面分别由一个凸面和凹面