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文檔簡介
法蘭
——引言
在石油、化工設備和管道中,由于生產工藝的要求,或者為制造、運輸、安裝、檢修方便,常采用可拆卸的聯(lián)接結構。(一)化工設備中的可拆卸連接應當滿足下列基本要求:a、能保證在操作溫度和操作壓力下的緊密不漏;b、有足夠的強度,不因可拆卸連接的存在而消弱了整個結構的強度,并保證本本身能抵抗所有外力的作用;c、能迅速的并多次裝卸;d、成本低廉?;と萜髟O計第七講法蘭
——引言(二)連接型式分類常見的可拆卸結構有法蘭聯(lián)接、螺紋聯(lián)接和承插式聯(lián)接螺紋連接閘閥承插式連接法蘭連接三通球閥釬焊連接化工容器設計第七講法蘭
——引言
采用可拆卸聯(lián)接之后,確保接口密封的可靠性,是保證化工裝置正常運行的必要條件。由于法蘭聯(lián)接有較好的強度和緊密性,適用的尺寸范圍寬,在設備和管道上都能應用,所以應用最普遍。但法蘭聯(lián)接時,不能很快地裝配與拆卸,制造成本較高。
化工容器設計第七講法蘭
——引言(三)法蘭
1、法蘭的連接結構:一對法蘭、墊片和若干螺栓螺母。借助螺栓將兩部分設備連接在一起,并壓緊墊片使連接處緊密不漏?;と萜髟O計第七講法蘭
——引言(三)法蘭
2、法蘭的密封原理:法蘭在螺栓預緊力的作用下,把處于密封面之間的墊片壓緊。施加于單位面積上的壓力(壓緊應力)必須達到一定的數(shù)值才能使墊片變形而被壓實,密封面上由機械加工形成的微隙被填滿,形成初始密封條件。所需的這個壓緊應力叫墊片密封比壓力,以y表示,單位為MPa。密封比壓力主要決定于墊片材質。顯然,當墊片材質確定后,墊片越寬,為保證應有的比壓力,墊片所需的預緊力就越大,從而螺栓和法蘭的尺寸也要求越大,所以法蘭聯(lián)接中墊片不應過寬,更不應該把整個法蘭面都鋪滿墊片?;と萜髟O計第七講法蘭
——引言(三)法蘭
2、法蘭的密封原理:當設備或管道在工作狀態(tài)時,介質內壓形成的軸向力使螺栓被拉伸,法蘭密封面沿著彼此分離的方向移動,降低了密封面與墊片之間的壓緊應力。如果墊片具有足夠的回彈能力,使壓縮變形的回復能補償螺栓和密封面的變形,而使預緊密封比壓值至少降到不小于某一值(這個比壓值稱為工作密封比壓),則法蘭密封面之間能夠保持良好的密封狀態(tài)。反之,墊片的回彈力不足,預緊密封比壓下降到工作密封比壓以下,甚至密封處重新出現(xiàn)縫隙,則此密封失效。因此,為了實現(xiàn)法蘭聯(lián)接處的密封,必須使密封組合件各部分的變形與操作條件下的密封條件相適應,即使密封元件在操作壓力作用下,仍然保持一定的殘余壓緊力。為此,螺栓和法蘭都必須具有足夠大的強度和剛度,使螺栓在容器內壓形成的軸向力作用下不發(fā)生過大的變形。
化工容器設計第七講法蘭
——引言(三)法蘭3、法蘭連接問題:(1)結構完整性問題:對于法蘭連接要確保組成螺栓連接系統(tǒng)的各部件有足夠的強度,使之在各種操作條件下長期使用而不破壞;(2)緊密型問題:法蘭的失效主要表現(xiàn)為泄漏。因此,法蘭連接的最基本問題是在各種操作條件下,設備內的介質不會通過法蘭接頭向外或向內發(fā)生泄漏。化工容器設計第七講法蘭
——引言(三)法蘭4、法蘭設計計算的兩個基本問題:法蘭選用
包括法蘭標準及其應用;法蘭、墊片和螺栓的選用。法蘭設計
(1)密封設計:按操作條件,選取法蘭型式、壓緊面形狀、墊片型式,計算在安裝工況和操作工況下,螺栓必需的預緊載荷和操作載荷,以達到設計的密封要求。
(2)強度計算:即初定法蘭的結構尺寸,根據(1)計算得到的螺栓載荷,對法蘭進行上述兩種工況下的受力分析和校核,以確定厚度等尺寸。化工容器設計第七講法蘭——
公稱通徑、公稱壓力、法蘭標準及其應用1、公稱通徑:一般將容器和管道的直徑按等級劃分為一系列的的公稱通徑,由字母DN和后跟無因次的整數(shù)組成。例如:DN25、DN50。對于英制單位的標準,以字母NPS后跟無因次的整數(shù)組成,如:NPS1,NPS2。容器的公稱通徑等于容器的內經;管子則不然,其公稱通徑既不等于管子內徑,也不等于外徑,而是接近它們的某個整數(shù);法蘭的公稱通徑與其相連的容器或管子的公稱通徑相一致?;と萜髟O計第七講法蘭——
公稱通徑、公稱壓力、法蘭標準及其應用2、公稱壓力:按容器或管道所受的壓力分為若干等級而定的,由字母pN后跟無因次整數(shù)組成。對于英制標準,以字母CLASS和后跟無因次整數(shù)組成。法蘭的允許操作壓力取決于公稱壓力大小、法蘭的材料及其操作溫度?;と萜髟O計第七講法蘭——
公稱通徑、公稱壓力、法蘭標準及其應用3、法蘭標準:其標準按管法蘭和容器法蘭區(qū)分。設備法蘭與管法蘭均已制定出標準。在很大的公稱直徑和公稱壓力范圍內,法蘭規(guī)格尺寸都可以從標準中查到,只有少量超出標準規(guī)定范圍的法蘭,才需進行設計計算。目前國外的管法蘭標準可歸屬兩個系列,即以pN和CLASS標示的兩個壓力級別的管法蘭。國內的容器法蘭標準仍是原機械電子工業(yè)部、化工部、勞動部、中石化總公司共同制定的《壓力容器法蘭》(JB4700-4703)。化工容器設計第七講法蘭——
公稱通徑、公稱壓力、法蘭標準及其應用4、應用:(1)公稱壓力的選取,應使設計壓力不超過標準中給出的額定壓力,此壓力是在設計溫度和法蘭材料下給定的。(2)標準法蘭的連接尺寸,如法蘭的外徑、法蘭壓緊面的外徑、螺栓中心圓的直徑、螺栓的數(shù)量和螺栓直徑,對同一DN(或NPS)和pN(或CLASS)的法蘭,不論其結構型式,都是一致的,即具有相同的連接尺寸。應盡量選用標準法蘭?;と萜髟O計第七講法蘭——
法蘭結構類型和應用場合
(一)法蘭的分類化工容器設計第七講法蘭——
法蘭結構類型和應用場合
整體法蘭
化工容器設計第七講法蘭——
法蘭結構類型和應用場合
整體法蘭1.平焊法蘭(圖(a)(b))法蘭盤焊接在設備筒體或管道上,制造容易,應用廣泛,但剛性較差。法蘭受力后,法蘭盤的矩形截面發(fā)生微小轉動,見下圖,與法蘭相聯(lián)的筒壁或管壁隨著發(fā)生彎曲變形。于是在法蘭附近筒壁的截面上,將產生附加的彎曲應力。所以平焊法蘭適用的壓力范圍較低(PN<4.0MPa)。
化工容器設計第七講法蘭——
法蘭結構類型和應用場合
整體法蘭
2.對焊法蘭(圖(c))對焊法蘭又稱高頸法蘭或長頸法蘭。頸的存在提高了法蘭的剛性,同時由于頸的根部厚度比筒體厚,所以降低了根部的彎曲應力。此外,法蘭與筒體(或管壁)的聯(lián)接是對接焊縫,比平焊法蘭的角焊縫強度好,故對焊法蘭適用于壓力、溫度較高或設備直徑較大的場合。化工容器設計第七講法蘭——
法蘭結構類型和應用場合
松體法蘭
松式法蘭的特點是法蘭未能有效地與容器或管道連接成一整體,不具有整體式連接的同等強度,如上圖所示。由于法蘭盤可以采用與設備或管道不同的材料制造,因此這種法蘭適用于銅制、鋁制、陶瓷、石墨及其非金屬材料的設備或管道上。另外,這種法蘭受力后不會對筒體或管道產生附加的彎曲應力,這也是它的一個優(yōu)點,但一般只適用于壓力較低的場合?;と萜髟O計第七講法蘭——
法蘭結構類型和應用場合
任意式法蘭
任意式法蘭其整體性介于整體法蘭和松式法蘭之間,包括未焊透的焊接法蘭。按形狀分為:圓形、方形和橢圓形幾種
圓形法蘭是最常見的,方形法蘭有利于把管子排列緊湊,橢圓形法蘭通常用于閥門和小直徑的高壓管子上。
化工容器設計第七講
(二)、影響法蘭密封的因素
螺栓預緊力密封面型式墊片性能法蘭剛度操作條件法蘭——
法蘭結構類型和應用場合化工容器設計第七講
(二)、影響法蘭密封的因素——螺栓預緊力
螺栓預緊力是影響密封的一個重要因素。預緊力必須使墊片壓緊并實現(xiàn)初始密封條件。同時,預緊力也不能過大,否則將會使墊片被壓壞或擠出。由于預緊力是通過法蘭密封面?zhèn)鬟f給墊片的,要達到良好的密封,必須使預緊力均勻地作用于墊片。因此,當密封所需要的預緊力一定時,采取增加螺栓個數(shù)、減小螺栓直徑的辦法對密封是有利的。法蘭——
法蘭結構類型和應用場合化工容器設計第七講
(二)、影響法蘭密封的因素——密封面
法蘭聯(lián)接的密封性能與密封面型式有直接關系,所以要合理選擇密封面的形狀。法蘭密封面型式的選擇,主要考慮壓力、溫度、介質。常用的壓緊面形狀有:凸面(a)、凹凸面(b)、榫槽面(c)和梯形(d)等幾種。法蘭——
法蘭結構類型和應用場合化工容器設計第七講法蘭密封面類型表名稱特點說明突面(RF)表面是一個光滑的平面,也可車制密紋水線。密封面結構簡單,加工方便,且便于進行防腐襯里。但是,這種密封面墊片接觸面積較大,預緊時墊片容易往兩邊擠,不易壓緊。凹凸面(MFM)密封面是由一個凸面和一個凹面相配合組成,在凹面上放置墊片,能夠防止墊片被擠出,故可適用于壓力較高的場合。榫槽面(TG)密封面是由榫和槽所組成的,墊片置于槽中,不會被擠動。墊片可以較窄,因而壓緊墊片所需的螺栓力也就相應較小。即使用于壓力較高之處,螺栓尺寸也不致過大。因而,它比以上兩種密封面均易獲得良好的密封效果。密封面的缺點是結構與制造比較復雜,更換擠在槽中的墊片比較困難。此外,榫面部分容易損壞,在拆裝或運輸過程中應加以注意。榫槽密封面適于易燃、易爆、有毒的介質以及較高壓力的場合。當壓力不大時,即使直徑較大,也能很好地密封。法蘭——
法蘭結構類型和應用場合化工容器設計第七講法蘭密封面類型表名稱特點說明全平面(FF)與環(huán)連接面(RJ)全平面密封適合于壓力較小的場合(PN≤1.6MPa);
環(huán)連接面主要用在帶頸對焊法蘭與整體法蘭上,適用壓力范圍為(6.3MPa≤PN≤25.0MPa)。其它類型密封面對于高壓容器和高壓管道的密封,密封面可采用錐形密封面或梯形槽密封面,它們分別與球面金屬墊片(透鏡墊片)和橢圓形或八角形截面的金屬墊片配合。密封面可適用于壓力較高的場合,但需要的尺寸精度和表面光潔度高,不易加工。法蘭——
法蘭結構類型和應用場合化工容器設計第七講
(二)、影響法蘭密封的因素-墊片
墊片是構成密封的重要元件,適當?shù)膲|片變形和回彈能力是形成密封的必要條件。
最常用的墊片可分為非金屬、金屬、非金屬與金屬混合制的墊片。非金屬墊片材料有橡膠石棉板、聚四氟乙烯等,如圖(a)所示,這些材料的優(yōu)點是柔軟。耐溫度和壓力的性能較金屬墊片差,通常只適用于常、中溫和中、低壓設備和管道的法蘭密封。法蘭——
法蘭結構類型和應用場合化工容器設計第七講
(二)、影響法蘭密封的因素-墊片
法蘭——
法蘭結構類型和應用場合化工容器設計第七講
(二)、影響法蘭密封的因素-墊片
法蘭——
法蘭結構類型和應用場合金屬與非金屬混合制墊片有金屬包墊片及纏繞墊片等,見圖(b)、(c)和(d)。金屬包墊片是用薄金屬板(鍍鋅薄鋼板、0Cr18Ni9等)將非金屬包起來制成的;金屬纏繞墊片是薄低碳鋼帶(或合金鋼帶)與石棉帶一起繞制而成。這種纏繞式墊片有不帶定位圈的和帶定位圈的兩種。金屬包墊片及纏繞墊片較單純的金屬墊片有較好的性能,適應的溫度與壓力范圍較高一些。
金屬墊片材料一般并不要求強度高,而是要求軟韌。常用的是軟鋁、紫銅、鐵(軟鋼)、蒙耐爾合金(含Ni67%,Cu30%,Cr4~5%)鋼等。金屬墊片主要用于中、高溫和中、高壓的法蘭聯(lián)接密封。
化工容器設計第七講
(二)、影響法蘭密封的因素-墊片
法蘭——
法蘭結構類型和應用場合
墊片材料的選擇應根據溫度、壓力以及介質的腐蝕情況決定,同時還要考慮密封面的形式、螺栓力的大小以及裝卸要求等。
化工容器設計第七講墊片材料的選用材料密封面壓力MPa溫度介質中壓橡膠石棉板光滑、凹凸≤2.5≤150壓縮空氣、惰性氣體、氨光滑≤1.6≤300蒸汽、水聚四氟氯乙烯光(凹凸)≤1.6≤200多種油品、油氣、溶劑、石油化工原料及產品耐油橡膠石棉板光(凹凸)2.5≤200≤1.6≤50液化石油氣金屬纏繞墊片0Cr13(0Cr19Ni9)鋼帶+特制石棉(石墨)凹凸4.0~6.4≤60惰性氣體光(凹凸)2.5≤450多種油品、油氣、溶劑、石油化工原料及產品凹凸4.0≤450氫汽、氫汽與石油混合汽6.4≤450金屬包墊片鐵皮(鋁皮)+特制石棉、0Cr13(0Cr19Ni9)+特制石棉光(凹凸)2.5≤450
凹凸4.0≤450氫汽、氫汽與石油混合汽6.4≤450柔性石墨混合墊石墨+金屬骨架(0Cr13、0Cr19Ni9等)光(凹凸)2.5≤450多種油品、油氣、溶劑、石油化工原料及產品凹凸4.0≤450氫汽、氫汽與石油混合汽6.4≤450金屬環(huán)墊10、0Cr13、0Cr19Ni9梯形槽6.4≤450
化工容器設計第七講
(一)材料
對其材料的要求是:強度高、韌性好、耐介質腐蝕。(二)分級
按螺栓的許用應力大小分為高強度、中強度、低強度三級。(三)選配和法蘭墊片選配一樣,選螺栓材料強度時,也要考慮兩者的協(xié)同。如公稱壓力高的法蘭,需要密封性能好的墊片,也需要選配強度級別高的螺栓。若螺栓強度級別偏低,沒有足夠的螺栓載荷提供墊片密封所需的壓緊力;而過高,當螺栓數(shù)量一定時,使螺栓直徑太小,導致螺栓設計應力過高,一不小心容易造成擰斷。在高溫下,過高的螺栓應力,導致過快松弛。為避免螺栓與螺母咬死,螺母的硬度一般比螺栓低HB30,所以它們也存在一個選配的問題。螺栓
化工容器設計第七講
(四)數(shù)目與布置
2、螺栓的數(shù)量至少應為4個,且為4的整數(shù)倍。3、螺栓的許用應力取決于材料、螺栓直徑和操作溫度??梢钥闯?,設計或選用法蘭連接時,應將其作為一個整體,法蘭、墊片和螺栓之間需要有一個合適的選配。螺栓
化工容器設計第七講
(一)墊片的密封機理1、機理分析:法蘭通過緊固螺栓壓緊墊片實現(xiàn)密封。泄漏以兩種形式出現(xiàn):滲透泄漏和界面泄漏。
滲透泄漏:流體通過墊片材料本體毛細管的泄漏;
界面泄漏:流體通過墊片與法蘭接觸界面泄漏,這是法蘭的主要泄漏來源。分析:預緊螺栓時,螺栓力通過法蘭壓緊面作用到墊片上,使墊片發(fā)生彈性或塑性變形,以填滿法蘭壓緊面上的不平間隙,從而阻止流體泄漏。設備操作時,法蘭壓緊面趨向分開,墊片產生回彈,如果墊片與壓緊面之間沒有殘余足夠的壓緊力,就不能封住流體,即緊密失效。法蘭設計
化工容器設計第七講
(一)墊片的密封機理
2、比壓力和墊片系數(shù)
預緊比壓y:預緊時,迫使墊片變形與壓緊面密合,以形成初始的密封條件,此時墊片所必需的最小壓緊載荷,因以單位接觸面積上的壓緊載荷計,故也稱為“最小壓緊力”,單位為MPa。
墊片系數(shù)m:操作時,達到密封不漏,墊片上所必須維持的比壓與介質壓力p的比值。y、m僅與墊片材料、結構與厚度有關。同時,保證法蘭連接緊密不漏有兩個條件:(1)必須在預緊時,使螺栓力在壓緊面與墊片之間建立起不低于y值的比壓力;(2)當設備工作時,螺栓力應能夠抵抗內壓作用,并且在墊片上維持m倍內壓的比壓力。法蘭設計
化工容器設計第七講
法蘭設計
(二)密封計算化工容器設計第七講
法蘭設計
(二)密封計算化工容器設計第七講
法蘭設計
(二)密封計算化工容器設計第七講
法蘭設計
(二)密封計算化工容器設計第七講
法蘭設計
(二)密封計算化工容器設計第七講
法蘭設計
(三)法蘭的強度計算力學計算模型化工容器設計第七講
法蘭設計
(三)法蘭的強度計算Waters法包含了一下的假設和簡化:(1)所有組成法蘭接頭的部件的材料假定是均勻的,并在設計載荷條件下保持完全彈性;(2)所有施加于法蘭上的載荷,歸結為一對作用在法蘭環(huán)內外周上的均布力W1所組成的力偶;(3)忽略螺栓的影
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