法兰基本知识课件

法兰基本知识2法兰2、法兰分类1、螺栓法兰联接结构由法兰盘、螺栓、螺母、垫片组成

可拆的密封结构较好强度、密封性、结构简单、成本低廉、可多次重复拆卸

按连接部位分：管法兰（管道连接）容器法兰（用于壳体、封头的连接）

按法兰接触面的宽窄分：窄面法兰（垫片接触面位于螺栓孔包围的圆周范围内）宽面法兰（垫片接触面位于法兰螺栓中心圆的内外两侧）适用于厚度较薄或铸铁等脆性材料的法兰，并只适用于低压或垫片较软的场合

32、法兰分类---按整体性程度来分类松式法兰-法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证法兰与壳体作为—个整体承受螺栓载荷。（a）、（b）、（c）松式法兰；（d）、（e）、（f）整体法兰；（g）、（h）、（i）任意法兰（不保证全焊透的平焊法兰）。图1法兰形式活套法兰螺纹法兰搭接法兰整体法兰--

将法兰与壳体锻或铸成—体或经全焊透法兰。结构能保证壳体与法兰同时受力，使法兰厚度可适当减薄，但会在壳体上产生较大附加应力。带颈法兰可以提高法兰与壳体的连接刚度任意式法兰-从结构来看，这种法兰与壳体连成一体，刚性比整体法兰差4法兰标准2、《钢制管法兰、垫片、紧固件》（HG20592～20635），容器法兰采用《压力容器法兰》(JB4700～4707)。法兰的公称压力是按容器或管道所受的压力分为若干标准等级而设定的。每个公称压力等级表示一定材料和工作温度的法兰的最高工作压力。如容器法兰的公称压力等级是以16MnR为容器法兰材料在200℃时的最高工作压力为依据制订的，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。管法兰公称直径是管子的名义直径，是接近管子内、外径的某一整数。例如DNl00无缝钢管的外径为108mm，而内径视管壁厚度不同。容器法兰的公称直径与容器内径取值相同。增加互换性、降低成本标准法兰系根据不同公称直径（DN）和公称压力（PN）选择。5甲型、乙型法兰适用材料及最大允许工作压力公称压力PNMPa法兰材料工作温度，℃备注≥20～2002503003501.00板材Q235-A、B0.660.610.550.50工作温度下限0℃Q235-C0.730.670.610.55工作温度下限0℃20R0.740.67O.600.5616MnR1.00O.95O.860.82锻件200.740.670.600.5616Mn1.020.980.880.8320MnMo1.091.071.051.00用于350℃，它的最大允许工作压力降为0.82Mpa；PN1.0的甲型、乙型平焊法兰若改用20号钢，则在20～200℃时的最大允许工作压力为0.74MPa，如温度升为350℃，最大允许工作压力降低为0.56MPa。

法兰材料为16MnR时，在20～200℃时的最大允许工作压力为1.00MPa

62、选择并确定容器法兰的公称压力等级（1）选用的容器法兰公称压力等级在相应法兰材料和相应工作温度下的最大允许工作压力必须大于等于最大工作压力；（2）真空系统的容器法兰的公称压力等级一般不应小于0.6MPa；（3）当操作介质为易燃、易爆或有毒时应尽可能采用高一个等级的法兰。（4）管法兰与容器法兰两类法兰标淮的连接尺寸是不同的，因此一对法兰必须选用同一标准，选用时不能混淆。7法兰联结的泄漏方式2、从压紧面的界面泄漏

密封失效的主要途径1、从垫圈渗透泄漏通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏,主要与垫片的结构、材料有关

沿垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大小与界面间隙尺寸有关。加工时，压紧面上凹凸不平及压紧面不足是造成界面泄漏的直接原因。压紧面8影响法兰联结密封因素2、压紧面的作用1、垫片性能

适宜的垫片变形和回弹能力是形成密封的必要条件。垫片的变形和回弹性能与垫片材料、形状、结构、螺栓预紧力、压紧面提供的表面约束、操作条件(压力、温度、介质)等有关。

压紧面又称密封面，直接与垫片接触，是传递螺栓力使垫片变形的表面约束。为了达到预期密封效果，压紧面的型式和表面粗糙度应与选用的垫片相适应压紧面3、螺栓预紧力预紧力必须使联接处实现初始密封条件，并保证垫片不被压坏或挤出95、操作条件的影响4、法兰刚度

法兰刚度不足，会引起轴向翘曲变形，特别是当螺栓数目较少时，螺栓间的法兰密封面会因刚度不足产生波浪形变形，使密封失效

操作条件是指联接系统的压力、温度及介质的物理、化学性质。单纯的压力或介质因素对密封的影响并不是苛刻的，只有在与温度联合作用时，尤其是在波动的高温作用下，将会严重影响密封性能。压紧面10法兰压紧面的型式与选择凹凸型密封面平面型密封面

压紧面与垫片接触面积较大，预紧时，垫片容易被挤到压紧面两侧，不易压紧，故所需压紧力较大，密封性能较差。一般适用于压力不高．介质无毒、非易燃易爆场合。平面型压紧面一般与平垫片或缠绕式垫片配合使用

便于对中，能防止软质垫片被挤出，而且压紧面比平面型密封面窄，较易密封。适用于公称直径Di≤800mm、公称压力PN≤1.6～6.4MPa的法兰联接。榫槽型密封面

易获得良好密封效果。而且，可以少受介质的冲刷和腐蚀，安装时又便于对中而使垫片受力均匀。结构与制造都比较复杂，更换垫片也较费事。凸面部分容易碰坏，拆装时要十分小心。11法兰联结的密封设计压紧面形式主要应根据工艺条件、密封口径以及准备采用的垫片等进行选择。压紧面的几何尺寸和表面加工的质量要求，必须与相应的垫片相配合甲型法兰与石棉橡胶板、耐油石棉橡胶板的配合压紧面12垫片材料及类型

增加了回弹性，提高了耐蚀性、耐热性和密封性能，适用于较高压力和温度的场合。常用的组合垫片有金属包垫片、金属缠绕垫片和带骨架的非金属垫片。2、金属垫片3、组合垫片1、非金属垫片橡胶垫、石棉橡胶垫、聚四氟乙烯垫和膨胀(或柔性)石墨垫柔软，耐腐蚀，价格便宜，但耐温度和压力的性能较差；多用于常温、中温和中、低压容器或管道的法兰密封金属垫片具有耐高温、耐高压、耐油、耐腐蚀等优点。当压力（p≥6.4MPa）、温度（t≥350℃）较高时，都采用金属垫片或垫圈。金属垫片材料一般并不要求强度高，而是要求韧性好。常用的金属垫材料有软铝、钢、纯铁、软钢（08、l0号钢）、铬钢（0Crl3）和不锈钢(0Crl8Ni9、00Crl7Nil4Mo2）13垫片的选择1、非金属垫片

垫片选择应根据温度、压力、介质的腐蚀性来确定，同时应考虑兼顾价格低廉，制造容易，安装更换方便等条件。对于结构不十分致密的非金属垫片在较高密封压力时，如果压紧面表面质量较好，也宜用较薄垫片。在达到要求的密封压力的场合，在垫片不致被压溃的前提下，宜选用较窄垫片。介质法兰公称压力MP工作温度℃密封面垫片形式材料氨2.5≤150凹凸橡胶垫中压橡胶石棉板压缩空气1.6≤150突橡胶垫中压橡胶石棉板蒸汽0.3MPa1.0≤200突橡胶垫中压橡胶石棉板1.0MPa1.6≤280突缠绕垫、柔性石墨复合垫0Cr13钢带-石棉板、石墨-0Cr13等骨架2.5MPa4.0300缠绕垫、柔性石墨垫、紫铜垫0Cr13钢带-石棉板、石墨-0Cr13等骨架、紫铜板3.5MPa6.4400凹凸紫铜垫紫铜板10.0450环连接面金属环垫0Cr13、0Cr18Ni914螺栓设计保证法兰连接紧密不漏的两个条件预紧时，使预紧面与垫片之间建立起不低于y值的比压力工作时，螺栓力能够抵抗内压的作用，并且在垫片表面维持高于值的比压力15预紧密封比压力yMPa为达到初始密封面必须在垫片上施加的压应力。工作密封比压力

为保证工作时紧密而不漏而必须施加（残余）在垫片上的压应力。垫片系数m

在操作时，为保证法兰压紧面紧密不漏，垫片上所必须维持的工作密封比压力与介质压力p的比值

物理意义：表示垫片在操作状态下，实现密封的难易程度。M值小，表示操作所需要的压紧力也小。M只与垫片的材料和几何形状有关。垫片材料垫片系数m比压力yMPa简图压紧面形状(见表4-9)类别(见表4-9)无织物或少含量石棉纤维的合成橡胶，肖氏硬度低于75肖氏硬度大于等于750.501.0001.41（a、b、c、d）4、5Ⅱ具有适当加固物的石棉（石棉橡胶板）厚度为3mm2.00111.5mm2.7525.50.75mm3.5044.816螺栓载荷计算①在预紧状态下需要的最小螺栓载荷—预紧状态下需要的最小螺栓载荷，N；

—垫片压紧力作用中心圆直径，mm；

—垫片的有效密封宽度，mm；

—垫片的比压力，MPa，由表3-12查得

当b0≤6.4mm时，b=b0；当b0＞6.4mm时，

当b0≤6.4mm时，＝垫片接触面的平均直径

当b0＞6.4mm时，＝垫片接触面外径－2b

密封面基本宽度17②在操作状态下需要的最小螺栓载荷抵抗内压产生的轴向使法兰连接分开的载荷

维持密封垫片表面必需的压紧载荷之和

由于m是实验测定的，测试时，垫片面积只取其中一面故计算时m需乘以2。取2倍垫片有效接触面积上的压紧载荷等于操作压力m倍，18螺栓尺寸与数目确定螺栓截面尺寸时应分别求出两种工况下螺栓的总面积，择其大者为所需螺栓总截面积，从而确定实际选用螺栓直径与个数。

在选定螺栓数目n后，即可按式（3-76）得到螺栓根径

确定螺栓数目n时，螺栓数目一般为偶数，且最好为4的倍数不仅要考虑法兰连接的密封性，还要考虑安装的方便。螺栓数多了，垫片受力均匀，密封性好,但螺栓数目太多，螺栓间距就小，可能放不下扳手，同时螺栓直径相应减小，小直径螺栓拧紧时容易折断,所以一般≥12mm。19螺栓材料对螺栓材料的一般要求是强度高，韧性好，耐介质腐蚀。但螺栓强度强，螺栓直径就小，导致螺栓过分伸长和松弛为避免螺栓与螺母咬死，螺母的硬度—般比螺栓的硬度低HB30，这可通过选用不同强度级别的材料或采用不同热处理来实现20法兰的设计标准法兰按相关法兰标准进行选择。

非标准法兰设计时，采用试算法。一般以直径和压力等级相近的标准法兰尺寸为基础，拟定非标准法兰的结构和尺寸。最后做强度校核。法兰强度计算的华特斯（Waters）法是弹性理论分析为基础21华特斯（Waters）法圆筒体

锥颈法兰环螺栓载荷W轴向力P1轴向力P2垫片反力P3当量力偶W1不连续处剪力和弯矩内压在各构件中引起的纵向薄膜应力和边缘应力)远小于螺栓紧固力(用上述力偶替换）产生的弯曲应力故可忽略不计。此外也不计及螺栓孔的影响。两个假设22圆筒体

锥颈法兰环剪力和弯矩在力学分析上把圆筒体视作一端受边缘力和力矩的半无限长圆柱薄壳，将锥颈作为两端分别受边缘力和力矩作用的线性变厚度圆柱壳，而法兰环则视为环形薄板受力矩弯曲作用。然后与解不连续应力的方法相同，由各连接处内力平衡条件和变形协调条件，求出各边缘力和边缘力矩，最终求出各部分上的应力。确定校核法兰强度的三个主要应力为法兰环内圆柱面上与锥颈连接处的最大径向应力、切向应力，以及锥颈两端外表面的轴向弯曲应力，视颈部斜度或大端、小端而定，当斜度较大时，出现在小端，反之位于大端23法兰设计方法（1）法兰力矩的计算

作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力

流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力之差

窄面法兰垫片压紧力,包括、、（预紧）三种情况24法兰设计方法（1）法兰力矩的计算预紧时，因Pc=0,总力矩为

操作时，总力矩为

，按式（3-85）确定。对于整体法兰或按整体法兰计算的任意式法兰法兰设计力矩取下述两者中较大值25法兰设计方法法兰应力的计算锥颈上与法兰连接处的轴向弯曲应力法兰环上的径向应力

，法兰环上的切向应力f―整体法兰颈部应力校正系数

和

查表

ｆ

26法兰应力的计算法兰的最大轴向应力位于锥颈的大端或小端，一方面它是沿截面线性分布的纯弯曲应力，另一方面具有局部的性质，小量屈服不会对法兰环密封部位的变形产生较大影响而导致泄漏，所以采用极限载荷设计法，取1.5倍材料许用应力作为它的最大允许应力

，法兰的最大径向应力位于环板内边缘与锥颈的连接处，为弯曲应力和拉伸应力

法兰的最大环向应力位于环板内边缘靠密封面处，亦为弯曲应力和拉伸应力但如果允许颈部有较高的应力（超过材料屈服极限），则颈部的载荷因应力重新分配会传递到法兰环，而导致法兰环材料部分屈服，故对锥颈和法兰环的应力平均值也须加以限制。例如若达到1.5倍许用应力，或只允许0.5倍许用应力27例题

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28例题

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29例题

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30例题

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31例题

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32例题

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33例题

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1、法兰按其整体性程度，分为松式法兰、整体法兰、任意式法兰三种型式。2、法兰计算中，实际使用的螺栓总截面积，以螺纹小径计算或以无螺纹部分的最小径计算，取最小值。3、操作状态下需要的最小垫片压紧力与垫片的（a）有关。难

a)m;b)y4、密封面标记RF的含义是（c）易

a)全平面;b)凸面;c)实面;d)凹面5．“WN”表示（b）类型的法兰。易

a)带颈下焊法兰;b)带颈对焊法兰;c)整体法兰;d)承插焊法兰6．垫片愈硬，比压力y越（a）易

a)大;b)小7．当螺栓材料为35CrMoA时，螺母材料可选择（b,c,d