压力管道元件-法兰及紧固件_沧州五森管道有限公司

压力管道元件-法兰及紧固件

法兰、垫片及螺栓三者组成管道中可拆卸的连接结构，它在石油化工生产装置中的应用很普遍，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。因此，通常将它们放在一起研究。盲板、8字盲板、限流孔板、混合孔板等与法兰、垫片及螺栓的比较关系密切，常与它们配合使用，因此也放在一起进行介绍。

一、法兰

法兰是确定管道公称压力等级的基准件。由第二章中的介绍可知，法兰的种类很多，不同型式的法兰，其密封性能不同，应用场合也不同。第三章从理论上给出了不同型式的法兰特点和密封性能，在这类仅讨论不同型式的法兰应如何选用。

关于法兰的应用，这是一个很复杂的问题，它不仅要求材料工程师具有相关的理论知识，还应有一定的工程经验。在第三章中，已经介绍了法兰公称压力等级的选用方法，这里则重点介绍结构型式和密封面型式的选用。应该说这里介绍的选用方法并不是哪一个标准的规定，而是作者的工作经验，仅供参考。

就结构型式的选用来说，一般情况下，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、低压循环水等。它的优点是价格比较便宜；对焊法兰则是最常用的一种，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；承插焊法兰则常用于PN≤10.0MPa、DN≤40mm的管道中，原因见上节所述；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（翻编短节）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；整体法兰则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，管子及管件中不常用。

就密封面型式的选用来说，一般情况下，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（PN£1.0）工况下。它通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压力等级中；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压力等级中。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PN10.0、PN16.0、PN25.0、PN32.0、PN40.0MPa压力等级中。

二、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，对于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，但是，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较大，因此，在这种情况下就要求紧固件采用高强度合金钢材料。常用的螺栓材料及使用条件在SH3059标准中已有明确的规定，在此不再论述。值得一提的是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、25Cr2MoVA等。SH3059标准在规定螺栓的使用条件时，借鉴了ANSI B16.5标准的规定，即将螺栓简化为低强度螺栓（一般为碳钢材料）、中强度螺栓（一般为铬钢材料）、高强度螺栓（一般为铬钼钢或铬钼钒钢材料）三类，而我国的压力容器以及JB标准、HG标准则将螺栓的使用条件和使用材料分得比较细。

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。其中，六角头螺栓常与平焊法兰和非金属垫片配合用于操作条件比较缓和的工况下。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。

SH3404标准中同时给出了I型和II型两种螺母型式。其中，I型螺母厚度为0.8倍的螺母公称直径，常用在操作条件比较缓和的工况条件下。而II型螺母厚度为1.0倍的螺母公称直径，常与双头螺柱配合用在操作条件比较苛刻情况下。螺母的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如SH3059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。

三、垫片

前文已经讲过，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。

石油化工管道中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。

1、非金属垫片

目前，最常用的非金属垫片是石棉橡胶垫片，它是通过向石棉中加入不同的添加剂压制而成，分别用于水、空气、氮气、酸、碱、油品等介质工况下。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，目前尚无可替代产品。但国内生产的石棉橡胶垫片的质量参差不齐，一些生产厂生产的石棉橡胶垫片可用在540℃及高压力等级的法兰上，而有些生产厂生产的石棉橡胶垫片仅能用在较低的条件下。因此，SH3059及SH3401标准将石棉橡胶垫片限制使用在T£260℃、PN£2.0MPa的条件下，而国家标准则限制使用在T£400℃、PN£4.0MPa的条件下。

另外一种可能会用到的非金属垫片为聚四氟乙烯（PTFE）包覆垫片，它常用于低温或者要求干净的场合下，如净化压缩空气、润滑油等介质的管道上。聚四氟乙烯包覆垫片一般使用在温度为-180℃～200℃、压力小于等于PN2.0MPa条件下。

2、半金属垫片

常用的半金属垫片有缠绕式垫片和铁包式垫片两种。

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。其特点是压缩回弹性好、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。鉴于国内缠绕式垫片的生产质量状况，缠绕式垫片常用在（PN2.0～PN10）MPa压力条件下。一般情况下，凸台面法兰配缠绕式垫片时须带外环或内外环（视操作条件而定，一般压力在PN5.0MPa及以上、温度在350℃及以上时应带内外环）。用于凹凸面法兰时应带内环。用于榫槽面法兰时，应采用基本型。常用的缠绕钢带有20、1Cr13、0Cr19Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2等材料，但20材料目前已不多用，而1Cr13的抗腐蚀性能也不甚理想，反而容易使法兰表面生锈，故也不多用。目前应用较多的是奥氏体不锈钢钢带。常用的非金属缠绕带有特制石棉带、柔性石墨带和聚四氟乙烯带，特制石棉带常常容易粘连在法兰密封面上，故应用不如柔性石墨带广泛，聚四氟乙烯带常用于低温或要求干净的环境。常用缠绕式垫片的使用条件见表5－1所示。

表5－1 常用缠绕式垫片的使用条件

垫片材料	法兰公称压力（MPa）	温度范围（℃）
奥氏体不锈钢/特制石棉	≤25.0	－50~500
奥氏体不锈钢/柔性石墨	≤25.0	－196～600（非氧化介质可到800）
奥氏体不锈钢/聚四氟乙烯	≤10.0	-196～200

铁包式垫片的密封性能不如缠绕式垫片，故压力管道中应用的不多，它常用在换热器封头等大直径的法兰连接密封副上。

3、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。就其型式来分，常用的金属垫片有平垫、八角形垫和椭园形垫三种。其中金属平垫片常与凸台面、凹凸面、榫槽面法兰配合使用。而八角形金属垫片和椭园形金属垫片常与环槽面法兰配合使用。与椭圆形金属垫片相比，八角形金属垫片容易加工，精度容易保证，故其应用比较多。

一般情况下，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）。常用的金属垫片及其硬度和最高使用温度见表5-2。

表5-2 常用金属垫片材料的硬度和最高使用温度

材料名称		最高硬度		材料标准	最高使用温度
		布氏（HB）	洛氏（HC）		（℃）
	软铁	90	52	软铁	530
	5Cr—0.5Mo	130	74	ASTM A182 F5a AISI 502	700
ASTM	13Cr	170	84	ASTM A182 F6 AISI 410	－196~700
料	18Cr—8Ni	160	84	ASTM A182 F304 AISI 304	－196~750
材	18Cr—8Ni超低碳	150	81	AISI 304L	－196~800
	18Cr-12Ni-Mo	160	84	ASTM A182 F316 AISI 316	－196~800
	18Cr-12Ni-Mo超低碳	150	81	AISI 316L	－196~800
	软铁	90			450
	08、10	120		GB699	450
GB	0Cr13	140		JB4728	540
材	0Cr18Ni9	160		JB4728	－196~700
料	00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2	150		JB4728	－196~450
	铜				－70~－316
	铝				－70~－428

四、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。

1、盲板及8字盲板

它们常用作长期隔断管道。当一条操作条件比较缓和的管道接入条件比较苛刻的管道中时，或者该管道在正常条件下常被关断时，就要用到盲板或8字盲板。盲板或8字盲板与阀门相比，其关断作用更可靠而且更经济。8字盲板与盲板相比，在切换操作时（即管道开通或关闭时），不需要拿下，只需调换端面即可，此时若用盲板，则管道将出现空隙。因此，实际应用中，盲板已不多用，而大量采用的是8字盲板。盲板和8字盲板都应有两个和匹配法兰同样的密封面。

2、限流孔板

限流孔板是在板面上开一个小锥孔（该小锥孔的尺寸由工艺专业提出），以实现节流降压的作用。它也应有两个和匹配法兰同样的密封面。

3、混合孔板。

混合孔板是在板面上开设一个或若干个小孔，以便于两种介质在经过混合孔板时能充分混合而达到工艺操作的目的。它也应有两个和匹配法兰同样的密封面。

思考题：

1、什么叫法兰密封副？

2、常用的法兰结构型式有哪些？应如何选用？

3、常用的法兰密封面型式有哪些？应如何选用？

4、常用的螺栓/螺柱型式有哪些？应如何选用？

5、常用的螺母型式有哪些？应如何选用？

6、设计中应如何选用螺栓材料？

7、常用的垫片有哪几种？各自的适宜使用条件如何？

8、应如何选用缠绕式垫片的内外环？

9、常用缠绕式垫片的使用条件如何？

10、常用的金属垫片有哪几种？应如何选用？

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