壓力容器法蘭的設計

張建立 張亞寧

(1.惠生工程(中國)有限公司；2.大連金州重型機械集團有限公司)

法蘭是壓力容器中的一個重要部件。它將不同部分連接起來，可以隨時拆卸，對需要經常打開的設備幾乎是必不可少的部分。設備法蘭的設計在GB 150.1～150.4- 2011中有詳細介紹[1]。NB/T 47020～47027- 2012中對常見的甲型、乙型和長頸法蘭進行了標準化，以便設計時選用[2]。但實際工作中遇到的法蘭遠遠超出了這個范圍，經常需要設計非標法蘭、無墊片焊接密封法蘭，甚至是無墊片焊接密封反向法蘭。

1 設備法蘭選用要點

墊片密封法蘭典型結構如圖1所示，相關符號的意義參見GB 150.1～150.4- 2011。

圖1 墊片密封法蘭典型結構

1.1配套

法蘭、墊片和緊固件是一個系統，選用時應注意配套[2]。單純的提高某一性能并不能解決問題，需要綜合考慮強度、密封性能及剛度等的改變。還應注意螺母與螺柱(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，同時避免卡死。當溫度較高時，應注意螺柱膨脹量與法蘭膨脹量的協調。必要時加蝶簧以補償膨脹差，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，具體見NB/T 47020- 2012中的表6、7。法蘭標準是基于16Mn鍛件在常溫下的許用應力編制的。溫度不同、材料不同時最大允許工作壓力相差很大。當溫度高時，最大允許工作壓力下降很快；當殼體選用強度較高的材料時，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。當選用標準以外的材料(如用奧氏體不銹鋼)時，應重新評估剛度的問題。

2 非標法蘭的設計

非標法蘭的設計應盡量參考標準法蘭的相關尺寸和材料要求。

2.1結構設計

非標法蘭的結構設計參考標準法蘭，同時應滿足GB 150.3- 2011的要求。重點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系數的計算

法蘭計算中系數眾多且錯綜復雜。但仔細研究GB 150.3- 2011發現幾乎所有的系數都由δ1/δ0，h/h0這兩個比值決定。因此編程就可計算出所有系數，無需查表。經查SW6源程序知， SW6也是編程計算得到。

2.3強度計算與剛度校核

強度方面主要考慮：墊片的軟硬與尺寸；螺柱材料、數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。過硬的墊片會要求法蘭和螺栓的尺寸加大，造成整個法蘭系統設計龐大；過軟的墊片則容易被壓碎。多管程換熱器的管箱墊片，在計算密封面積時，SW6并未計入中間分程隔板處的墊片面積，但ASME標準中已計入。SW6計算輸入時可通過改變墊片直徑的方法計入。注意螺柱直徑是受力部分的最小根徑。選用標準以外的螺柱，應自行將最小根徑輸入到程序中。如果強度不夠，留意計算書上f值(法蘭小端應力與大端應力的比值)的情況。f值過大(如3以上)說明法蘭應力在小端過于集中，此時應增大小端厚度，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，此時增大錐頸長度基本不起作用。

3 無墊片焊接密封法蘭的設計

無墊片焊接密封法蘭典型結構如圖2所示，相關符號的意義參見GB 150.1～150.4- 2011。

圖2 無墊片焊接密封法蘭典型結構

3.1與常規墊片的本質區別

常規墊片靠墊片的反彈形成密封，墊片系數不等于0。焊接墊片靠密封焊密封，墊片系數等于0。墊片系數的不同引起墊片有效密封寬度的不同、法蘭軸向力的不同，進而引起整個法蘭的受力不同。

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。設計者應根據工藝介質實際需要選用S30403、S31603、Inconel600等材料做墊片。

3.3結構特點與注意事項

無墊片焊接密封法蘭結構如圖2所示，計算時注意δf是指螺柱中心圓處法蘭的厚度。該結構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。以免把緊螺柱時將此密封焊縫壓裂，造成泄漏。

3.4強度計算與剛度校核

強度計算按照HG 20582- 2011計算，SW6已提供簡捷的計算程序。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。筆者認為雖然此時壓力較高，很少存在剛度問題，但考慮到設計的嚴謹性以及以后可能遇到的特殊情況，建議下次HG 20582- 2011升版時引入。

4 無墊片焊接密封反向法蘭的計算

無墊片焊接密封反向法蘭典型結構如圖3所示，相關符號的意義參見GB 150.1～150.4- 2011。反向法蘭的定義及結構等參見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算公式，并未給出無墊片焊接密封反向法蘭的計算方法。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構

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

5 結束語

對壓力容器實際設計過程中經常遇到的法蘭設計問題，做了較為全面的解析。對設計和選用標準法蘭、非標法蘭、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值和指導意義。

[1] GB 150.1～150.4- 2011，壓力容器[S].北京：中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局， 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度計算[J].化肥設計，2010，48(2)： 22～24.