帶頸對焊法蘭設計注意事項

魏寶鋒

上海寰球工程有限公司 上海 200032

1 設備簡介

法蘭作為設備的主要零部件在防止介質泄漏方面起著重要作用，法蘭結構的設計及其合理性至關重要。本文以換熱器為例，介紹設計過程中法蘭結構的設計要求及注意事項。

某項目中一臺殘余物汽提塔塔釜冷凝器，其管程介質苯酚(強滲透介質)、苯乙酮等屬于易燃易爆、中度危害的第一組介質，殼程介質調溫水屬于第二組介質。該設備殼程選用碳鋼(Q345R)，管箱筒體采用不銹鋼(S30408)。設備結構見圖1。

圖1 換熱器示意圖

2 結構設計

按照《鋼制化工容器結構設計規定》HG/T20583-2011中的描述[1]，容器內介質毒性為極度、高度危害或者有強滲透性的中度危害和介質為液化石油氣時，法蘭應采用帶頸對焊型法蘭，由此確定本設備法蘭型式采用帶頸對焊型。帶頸對焊型法蘭由法蘭環、錐段、與筒體對接段三部分組成，其結構見圖2。

根據壓力、溫度、腐蝕裕量等設計參數，殼側設備法蘭可選用標準壓力容器法蘭。管箱側由于材料不在標準范圍內，需要設計者通過計算以確定具體結構尺寸。設計時，可參考標準法蘭尺寸取值，根據計算校核結果對各部分結構尺寸進行調整直到滿足要求。根據工程經驗，減小螺栓圓中心直徑，可有效減小法蘭計算中力矩的力臂值，對法蘭設計非常有利。為保證各項結構取值的合理性，筆者根據經驗提出以下建議：

圖2 帶頸對焊型法蘭示意圖

(2)非標法蘭應進行剛度校核,剛度系數控制在0.85以內。

(3)應力裕量：計算應力/許用應力≤0.9，法蘭各部分的計算應力與相應許用應力值之比不宜相差太大。

(4)選用標準法蘭時，應校核法蘭的最大許用工作壓力是否滿足相應設計溫度下設計壓力的要求，如有必要，還應考慮管道外載荷作用時的法蘭當量最大許用工作壓力是否滿足要求。

在上述基礎上將法蘭的錐段和法蘭環比例設計得當，使法蘭各部分充分發揮強度性能并保證足夠的剛度，即趨于滿應力狀態,遵循“滿應力準則”[2]。

3 結構設計中的注意事項及解決方案

除了滿足以上控制指標之外，還有兩點需要注意：① 確認對接段厚度；② 判斷帶頸對焊法蘭計算結果的合格與否及解決方案。

3.1 確認對接段厚度

以本臺設備為例：管箱側法蘭選擇鍛件，材料許用應力為96MPa，管箱筒體選用板材，材料許用應力為130MPa。管箱側法蘭應力與管箱筒體應力比值96/130=0.738(相同的設計溫度按200℃)，如果選擇等厚度，法蘭的對接段厚度可能不滿足內壓需要的壁厚。

這里筆者提供兩種方案，建議優先采用第二種。

(1) 取消對接段。由法蘭計算確認所需的最小δ1值，按照GB 150.4-2011中的規定[3],B類焊接接頭以及圓筒與球形封頭相連的A類焊接接頭，當兩側鋼材厚度不等時，若薄板厚度δs2≤10 mm且兩板厚度差超過3mm；若薄板厚度δs2>10 mm且兩板厚度差大于30%δs2，或者超過5mm時，均應單面或雙面削薄厚板邊緣，或按同樣要求采用堆焊方法將薄板邊緣焊成斜面，按照筒體厚度加3mm或5mm的原則最終確認所需的最小δ1的值。

(2)保留對接段。計算管側法蘭應力與管箱筒體應力比值：96/130=0.738(相同的設計溫度按200℃)[3]，若以管側壁厚/0.738得出的厚度滿足不削邊的厚度原則，可確認對接段厚度δ0。如果按管側壁厚/0.738得出的厚度必須削邊，則需按照NB/T 47020中法蘭與圓筒連接要求，在對接焊縫的筒體端部堆焊過渡(具體參見NB/T 47020的P16中的圖2)[4]。

3.2 判斷帶頸對焊法蘭計算結果的合格與否及解決方案

3.2.1 法蘭常見計算項

當軸向應力σH不合格時，調整法蘭錐段大小端厚度，可有效調整軸向應力值。當徑向應力σR不合格時，調整法蘭環厚度可有效調整徑向應力值。當環向應力σT不合格時，調整錐段高度可明顯改善環向應力狀態。將法蘭環，錐段結構比例設計得當，使法蘭各部分充分發揮強度性能即滿足滿應力狀態。同時需關注法蘭的剛度系數，標準要求法蘭剛度系數小于1。但在實際工程中由于法蘭同時受到管箱偏心載、管口載荷等影響，剛度系數一般控制在0.85以內。影響剛度系數的因素是多樣的，其中最有效的是調整法蘭環厚度。

3.2.2 法蘭緊固件及墊片選擇

除了法蘭本身的結構尺寸對法蘭各應力狀態影響較大外，法蘭的連接(包括螺栓、墊片等)也至關重要。法蘭計算中如果出現螺栓預緊力不足的情況，改變墊片類型及螺栓材質可有效調整螺栓預緊力大小。其中墊片的選擇應根據介質的腐蝕性，滲透性，毒性程度，易爆性，以及設計壓力和溫度來進行合理選擇。在滿足操作條件的前提下，優先選擇墊片比壓力和墊片系數較小的材料。常見推薦墊片有聚四氟乙烯板，增強柔性石墨板等。合理選擇墊片類型后，再調整螺栓的材質，一般選擇力學性能比較高的材料即高強螺栓，可有效提升螺栓預緊力。

4 結語

帶頸對焊法蘭是化工設備常見的一種密封結構，正確理解法蘭錐段與筒體連接段厚度，確保法蘭有效密封是設備安全、裝置平穩運行的第一守則。

設計非標法蘭建議參考以下標準(包括但不限于)：NB/T 47023 《長頸對焊法蘭》[4]、HG/T 20615《鋼制管法蘭》中WN系列[5]、 GB/T 29465《浮頭式熱交換器用外頭蓋側法蘭》等[6]。在上述標準中選擇對應壓力等級下的法蘭為參考，根據具體情況展開設計工作。無論以哪種標準為藍本，建議計算中按本文提及的經驗值適當考慮設計裕量。錐段與法蘭環的結構比例應選擇恰當，使法蘭具有較小的重量和緊湊的體積，讓法蘭材料的強度得到充分利用，各項機械性能得到充分的發揮。