壓力容器法蘭的設(shè)計(jì)

張建立 張亞寧

(1.惠生工程(中國)有限公司；2.大連金州重型機(jī)械集團(tuán)有限公司)

法蘭是壓力容器中的一個(gè)重要部件。它將不同部分連接起來，可以隨時(shí)拆卸，對需要經(jīng)常打開的設(shè)備幾乎是必不可少的部分。設(shè)備法蘭的設(shè)計(jì)在GB 150.1～150.4- 2011中有詳細(xì)介紹[1]。NB/T 47020～47027- 2012中對常見的甲型、乙型和長頸法蘭進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，以便設(shè)計(jì)時(shí)選用[2]。但實(shí)際工作中遇到的法蘭遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這個(gè)范圍，經(jīng)常需要設(shè)計(jì)非標(biāo)法蘭、無墊片焊接密封法蘭，甚至是無墊片焊接密封反向法蘭。

1 設(shè)備法蘭選用要點(diǎn)

墊片密封法蘭典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，相關(guān)符號的意義參見GB 150.1～150.4- 2011。

圖1 墊片密封法蘭典型結(jié)構(gòu)

1.1配套

法蘭、墊片和緊固件是一個(gè)系統(tǒng)，選用時(shí)應(yīng)注意配套[2]。單純的提高某一性能并不能解決問題，需要綜合考慮強(qiáng)度、密封性能及剛度等的改變。還應(yīng)注意螺母與螺柱(或螺栓)硬度的匹配，螺母硬度要低于螺栓硬度大約20～40HBW，以減少對螺柱的磨損，同時(shí)避免卡死。當(dāng)溫度較高時(shí)，應(yīng)注意螺柱膨脹量與法蘭膨脹量的協(xié)調(diào)。必要時(shí)加蝶簧以補(bǔ)償膨脹差，保證密封性能。

1.2最大允許工作壓力

最大允許工作壓力與材料和工作溫度有關(guān)，具體見NB/T 47020- 2012中的表6、7。法蘭標(biāo)準(zhǔn)是基于16Mn鍛件在常溫下的許用應(yīng)力編制的。溫度不同、材料不同時(shí)最大允許工作壓力相差很大。當(dāng)溫度高時(shí)，最大允許工作壓力下降很快；當(dāng)殼體選用強(qiáng)度較高的材料時(shí)，最大允許工作壓力明顯提高。

1.3法蘭剛度

GB 150.3- 2011第197頁對法蘭剛度提出要求，一般小直徑高壓法蘭，很少有剛度問題。大直徑、低壓法蘭容易有剛度問題。當(dāng)選用標(biāo)準(zhǔn)以外的材料(如用奧氏體不銹鋼)時(shí)，應(yīng)重新評估剛度的問題。

2 非標(biāo)法蘭的設(shè)計(jì)

非標(biāo)法蘭的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量參考標(biāo)準(zhǔn)法蘭的相關(guān)尺寸和材料要求。

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非標(biāo)法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)法蘭，同時(shí)應(yīng)滿足GB 150.3- 2011的要求。重點(diǎn)是墊片尺寸和螺栓中心圓直徑的確定，考慮螺母是否有上緊空間。如果用大直徑(M48以上)螺柱，要考慮螺柱的伸出長度是否滿足液壓上緊裝置的安裝要求。

2.2系數(shù)的計(jì)算

法蘭計(jì)算中系數(shù)眾多且錯(cuò)綜復(fù)雜。但仔細(xì)研究GB 150.3- 2011發(fā)現(xiàn)幾乎所有的系數(shù)都由δ1/δ0，h/h0這兩個(gè)比值決定。因此編程就可計(jì)算出所有系數(shù)，無需查表。經(jīng)查SW6源程序知， SW6也是編程計(jì)算得到。

2.3強(qiáng)度計(jì)算與剛度校核

強(qiáng)度方面主要考慮：墊片的軟硬與尺寸；螺柱材料、數(shù)量及所在中心圓直徑；法蘭厚度，大端、小端尺寸，錐頸長度。

選用墊片軟硬要合適，高壓用硬墊片，低壓用軟墊片。過硬的墊片會(huì)要求法蘭和螺栓的尺寸加大，造成整個(gè)法蘭系統(tǒng)設(shè)計(jì)龐大；過軟的墊片則容易被壓碎。多管程換熱器的管箱墊片，在計(jì)算密封面積時(shí)，SW6并未計(jì)入中間分程隔板處的墊片面積，但ASME標(biāo)準(zhǔn)中已計(jì)入。SW6計(jì)算輸入時(shí)可通過改變墊片直徑的方法計(jì)入。注意螺柱直徑是受力部分的最小根徑。選用標(biāo)準(zhǔn)以外的螺柱，應(yīng)自行將最小根徑輸入到程序中。如果強(qiáng)度不夠，留意計(jì)算書上f值(法蘭小端應(yīng)力與大端應(yīng)力的比值)的情況。f值過大(如3以上)說明法蘭應(yīng)力在小端過于集中，此時(shí)應(yīng)增大小端厚度，加長錐頸長度；如果f值并不大則增大法蘭厚度效果更明顯。如果剛度不夠則增大法蘭小端厚度或增大法蘭厚度，此時(shí)增大錐頸長度基本不起作用。

3 無墊片焊接密封法蘭的設(shè)計(jì)

無墊片焊接密封法蘭典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，相關(guān)符號的意義參見GB 150.1～150.4- 2011。

圖2 無墊片焊接密封法蘭典型結(jié)構(gòu)

3.1與常規(guī)墊片的本質(zhì)區(qū)別

常規(guī)墊片靠墊片的反彈形成密封，墊片系數(shù)不等于0。焊接墊片靠密封焊密封，墊片系數(shù)等于0。墊片系數(shù)的不同引起墊片有效密封寬度的不同、法蘭軸向力的不同，進(jìn)而引起整個(gè)法蘭的受力不同。

3.2墊片材料的選擇

墊片采用焊接密封，耐腐蝕和防泄漏性能好。用于氣化爐、高溫高壓飛灰過濾器、洗滌塔、氨合成塔下端及高壓換熱器管箱等大直徑、高溫、高壓難密封的工況。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)工藝介質(zhì)實(shí)際需要選用S30403、S31603、Inconel600等材料做墊片。

3.3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與注意事項(xiàng)

無墊片焊接密封法蘭結(jié)構(gòu)如圖2所示，計(jì)算時(shí)注意δf是指螺柱中心圓處法蘭的厚度。該結(jié)構(gòu)是將法蘭切去一部分，以便留出焊接空間。上緊部分螺柱后，壓緊墊片，再進(jìn)行密封焊。目的是保證該焊縫不受力，只起密封作用。以免把緊螺柱時(shí)將此密封焊縫壓裂，造成泄漏。

3.4強(qiáng)度計(jì)算與剛度校核

強(qiáng)度計(jì)算按照HG 20582- 2011計(jì)算，SW6已提供簡捷的計(jì)算程序。剛度校核在HG 20582- 2011中并沒有提及，但SW6程序已參考GB 150.3- 2011加上了。筆者認(rèn)為雖然此時(shí)壓力較高，很少存在剛度問題，但考慮到設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性以及以后可能遇到的特殊情況，建議下次HG 20582- 2011升版時(shí)引入。

4 無墊片焊接密封反向法蘭的計(jì)算

無墊片焊接密封反向法蘭典型結(jié)構(gòu)如圖3所示，相關(guān)符號的意義參見GB 150.1～150.4- 2011。反向法蘭的定義及結(jié)構(gòu)等參見GB 150.3中反向法蘭部分。HG 20582- 2011只給出了無墊片焊接密封法蘭的計(jì)算公式，并未給出無墊片焊接密封反向法蘭的計(jì)算方法。而無墊片焊接密封反向法蘭在工程中也常遇到。

圖3 無墊片焊接密封反向法蘭典型結(jié)構(gòu)

此時(shí)計(jì)算思路是將HG 20582- 2011中無墊片焊接密封墊片部分的計(jì)算和GB 150.3- 2011中反向法蘭力矩的計(jì)算結(jié)合起來。即墊片系數(shù)m、密封比壓力y均取0，密封寬度、螺柱計(jì)算按HG 20582- 2011取，法蘭系數(shù)、法蘭力矩、法蘭應(yīng)力計(jì)算及應(yīng)力校核按GB 150.3- 2011。不考慮腐蝕的情況下可參照文獻(xiàn)[3]的計(jì)算方法。建議下次HG 20582升版時(shí)將此部分引入。

5 結(jié)束語

對壓力容器實(shí)際設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常遇到的法蘭設(shè)計(jì)問題，做了較為全面的解析。對設(shè)計(jì)和選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭、非標(biāo)法蘭、無墊片焊接密封法蘭、無墊片焊接密封反向法蘭都具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

[1] GB 150.1～150.4- 2011，壓力容器[S].北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 2011.

[2] NB/T 47020～47027- 2012，壓力容器法蘭、墊片、緊固件[S].北京：國家能源局，2012.

[3] 趙小平.無墊片密封焊反向法蘭強(qiáng)度計(jì)算[J].化肥設(shè)計(jì)，2010，48(2)： 22～24.