法兰、垫片及螺栓三者组成管道中可拆卸的连接结构,压力管道中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。 盲板、8字盲板、限流孔板、混合孔板等与法兰、垫片及螺栓关系比较密切,常与它们配合使用,一起进行介绍。
6.3.1法兰
法兰是确定管道公称压力等级的基准件。由前面的介绍可知,法兰的种类很多,不同型式的法兰,其密封性能不同,适用场合也不同。在这里仅讨论不同型式的法兰应如何选用,仅供参考。
a. 法兰种类
◆ 结构型式 管道法兰按与管子的连接方式分为以下六种基本类型:平焊、对焊法、承插焊、松套、螺纹法兰和整体法兰,如图6-1。
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图6-1 管道法兰与管子的连接方式
◆密封面型式 法兰密封面有全平面、凸台面、凹凸面、榫槽面、环槽面等五种。见图6-2。
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图6-2 法兰密封面型式
◆ 法兰代号
不同的标准其法兰的密封面及型式的名称、代号略有区别。见表6-自来水供水系统1、表6-2。
表6-1 密封面名称及代号对照表
序号 | SH 3406-投影墙96 | HG20592~20635-97 | JB/T74~90-94 | GB9112-2000 |
1 | 全平面(FF) | 全平面(FF) | | 平面(FF) |
2 | 凸台面(RF) | 突面(RF) | 凸面 | 突面(RF) |
3 | 凹凸面(MF) | 凹凸面(MFM) | 凹凸面 | 凹凸面(MF) |
4 | 榫槽面(TG) | 榫槽面(TG) | 榫槽面 | 榫槽面(TG) |
5 | 榫槽面(TG) | 环连接面(RJ) | 环连接面 | 环连接面(RJ) |
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表6-2 结构型式代号对照表
序号 | SH 3406-96 | HG20592~20635-97 | JB/T74~90-94 | GB9112-2000 |
1 | 对焊(WN) | 对焊(WN) | 对焊(-) | 对焊(-) | u型卡环
2 | 承插焊(SW) | 承插焊(SW) | | 承插焊(-) |
3 | 平焊(SO) | 平焊(SO) | 平焊(-) | 平焊(-) |
4 | 螺纹(PT) | 螺纹(Th) | | 螺纹(-) |
5 | 松套(LJ) | 松套(PJ/LF) | 松套(-) | 松套(-) |
6 | 法兰盖(-) | 法兰盖(BL) | 法兰盖(-) | 法兰盖(-) |
7 | | 整体法兰(IF) | 整体法兰(-) | 整体法兰(-) |
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b.结构型式的选用:
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,它的优点是价格比较便宜;
对焊法兰: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:常用于背缚PN≤10.0MPa,DN≤40的管道中;
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(翻边短节)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: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。
b.密封面型式的选用:
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(PNg1.0)工况下;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;
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PNl0.0、PN16.0、PN25.0、PN32.0、PN42.0。
6.3.2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mntp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,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。
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、25CrMoVA
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。
六角头螺栓:常与平焊法兰和非金属垫片配合用于操作较缓和的工况下。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。
螺母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。
6.3.3垫片
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。
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。
a.非金属垫片:
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。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。
适用范围:T≤260℃,PN≤2.0MPa(SH 3401)
T≤400℃,PN≤4.0MPa(国标)
用于水、空气、氮气、酸、碱、油品等介质工况下。
聚四氟乙烯(PTFE)包覆垫片:
适用范围:T=-180~200℃,PN≤4.0MPa
常用于低温或者要求干净的场合下
b.半金属垫片
半金属垫片有缠绕式垫片、金属包覆垫片和柔性石墨缠绕垫三大类。
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。
特点: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。
缠绕钢带:20、1Cr13、0Cr19Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2等材料
非金属缠绕带:特制石棉、柔性石墨带和聚四氟乙烯带,
适用范围:PN=2.0~10.0MPa
表6-3缠绕式垫片的型式及代号
形式 | 适用密封面型式 | 垫 片 型 式 代 号 |
SH3407-96 sapcejlc | HG20610-97 | JB/T90-94 | GB4622.1-93 |
基本型 | 榫槽面 | A | A | A | A |
带内环 | 凹凸面 | C | B | B | C |
带外环 | 凸台面 | B | C | C | B |
内外环 | 凸台面 PN≥5.0MPa、T≥350℃时。 | D | D | D | D |
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表6-4 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 |
奥氏体不锈钢/聚四氟乙烯 | ≤10.0 | -196~200 |
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铁包式垫片:密封性能不如缠绕式垫片,故压力管道中用的不多,它常用在换热器封头等大直径的法兰连接密封副上。
柔性石墨复合垫 由冲齿或冲孔金属芯板与膨胀石墨粒子复合而成。适用于突面、凹凸面和榫槽面法兰。
c.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。常用的金属垫片有平垫、八角形垫和椭圆型垫三种。
金属平垫片:常与凸台面、凹凸面、榫槽面法兰使用。
八角形金属垫片和椭园形金属垫片:常与环槽面法兰使用。与椭圆形金属垫片相比八角形金属垫片容易加工,故其应用比较多。
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)。
6.3.4盲板、8字盲板、限流孔板和混合孔板
沉没度它们常被夹在两片法兰之间以实现不同用途。
它们都应有两个和匹配法兰同样的密封面。