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壓力管道元件-法蘭及緊固件

法蘭、墊片及螺栓三者組成管道中可拆卸的連接結構，它在石油化工生產裝置中的應用很普遍，也是一種很重要的連接形式。通常，法蘭、螺栓與墊片三者共同構成一個密封副，三者共同作用，相輔相承，才能保證接頭的良好密封。因此，通常將它們放在一起研究。盲板、8字盲板、限流孔板、混合孔板等與法蘭、墊片及螺栓的比較關系密切，常與它們配合使用，因此也放在一起進行介紹。

一、法蘭

法蘭是確定管道公稱壓力等級的基準件。由第二章中的介紹可知，法蘭的種類很多，不同型式的法蘭，其密封性能不同，應用場合也不同。第三章從理論上給出了不同型式的法蘭特點和密封性能，在這類僅討論不同型式的法蘭應如何選用。

關于法蘭的應用，這是一個很復雜的問題，它不僅要求材料工程師具有相關的理論知識，還應有一定的工程經驗。在第三章中，已經介紹了法蘭公稱壓力等級的選用方法，這里則重點介紹結構型式和密封面型式的選用。應該說這里介紹的選用方法并不是哪一個標準的規定，而是作者的工作經驗，僅供參考。

就結構型式的選用來說，一般情況下，平焊法蘭多用于介質條件比較緩和的情況下，如低壓非凈化壓縮空氣、低壓循環水等。它的優點是價格比較便宜；對焊法蘭則是最常用的一種，它與管子為對焊連接，焊接接頭質量比較好，而且法蘭的頸部利用錐度過渡，可以承受較苛刻的條件；承插焊法蘭則常用于PN≤10.0MPa、DN≤40mm的管道中，原因見上節所述；松套法蘭常用于介質溫度和壓力都不高而介質腐蝕性較強的情況。當介質腐蝕性較強時，法蘭接觸介質的部分（翻編短節）為耐腐蝕的高等級材料如不銹鋼等材料，而外部則利用低等級材料如碳鋼材料的法蘭環夾緊它以實現密封；整體法蘭則常常是將法蘭與設備、管子、管件、閥門等做成一體，這種型式在設備和閥門上常用，管子及管件中不常用。

就密封面型式的選用來說，一般情況下，全平面密封面常與平焊型式配合以適用于操作條件比較緩和的（PN£1.0）工況下。它通常用于鑄鐵法蘭或與鑄鐵連接的鋼法蘭；凸臺面密封面是應用最廣的一種型式，它常與對焊和承插焊型式配合使用，在“美式法蘭”中，常用在PN2.0、PN5.0和部分PN10.0MPa壓力等級中，在“歐式法蘭”中則常用在PN1.6、PN2.5MPa壓力等級中；凹凸面密封面常與對焊和承插型式配合使用，在“美式法蘭”中不常采用，在“歐式法蘭”中常用在PN4.0、PN6.4MPa壓力等級中。但它不便于墊片的更換；榫槽面密封面使用情況同凹凸面法蘭；環槽面密封面常與對焊連接型式配合（不與承插焊配合）使用，主要用在高溫、高壓或二者均較高的工況。在“美式法蘭”中，常用在PN10.0（部分）、PN15.0、PN25.0、PN42.0MPa壓力等級中。在“歐式法蘭”中常用在PN10.0、PN16.0、PN25.0、PN32.0、PN40.0MPa壓力等級中。

二、螺栓/螺母

選擇法蘭連接用緊固件材料時，應同時考慮管道操作壓力、操作溫度、介質種類和墊片類型等因素。墊片類型和操作壓力、操作溫度一樣，都直接對緊固件材料強度提出了要求。例如，對于采用纏繞式墊片密封的低壓劇毒介質管道的法蘭連接，盡管管道的操作壓力和溫度都不高，但是，因為使纏繞式墊片形成初始密封時所需要的比壓力較大，從而要求緊固件的承受載荷也較大，因此，在這種情況下就要求緊固件采用高強度合金鋼材料。常用的螺栓材料及使用條件在SH3059標準中已有明確的規定，在此不再論述。值得一提的是合金鋼螺柱均應采用高級優質鋼，即材料牌號后均應加字母A，如35CrMoA、25Cr2MoVA等。SH3059標準在規定螺栓的使用條件時，借鑒了ANSI B16.5標準的規定，即將螺栓簡化為低強度螺栓（一般為碳鋼材料）、中強度螺栓（一般為鉻鋼材料）、高強度螺栓（一般為鉻鉬鋼或鉻鉬釩鋼材料）三類，而我國的壓力容器以及JB標準、HG標準則將螺栓的使用條件和使用材料分得比較細。

根據結構型式的不同，螺栓可分為六角頭螺栓和雙頭螺栓（又稱為螺柱）兩類，而雙頭螺栓又分為通絲和非通絲兩種。其中，六角頭螺栓常與平焊法蘭和非金屬墊片配合用于操作條件比較緩和的工況下。六角頭螺栓常用材料是BL3或者是Q235B；雙頭螺栓常與對焊法蘭配合使用用在操作條件比較苛刻的工況下。其中，因為通絲型雙頭螺栓上沒有截面形狀的變化，故其承載能力強。而非通絲型雙頭螺栓則相對承載能力較弱。

SH3404標準中同時給出了I型和II型兩種螺母型式。其中，I型螺母厚度為0.8倍的螺母公稱直徑，常用在操作條件比較緩和的工況條件下。而II型螺母厚度為1.0倍的螺母公稱直徑，常與雙頭螺柱配合用在操作條件比較苛刻情況下。螺母的材料常根據與其配合的螺栓材料確定，這些組合在一般的標準中如SH3059中都有規定。一般情況下，螺母材料應稍低于螺栓材料，并保證螺母硬度比螺栓硬度低HB30左右。

三、墊片

前文已經講過，墊片是借助于螺栓的預緊載荷通過法蘭進行壓緊，使其發生彈塑性變形，填充法蘭密封面與墊片間的微觀幾何間隙，增加介質的流動阻力，從而達到阻止或減少介質的泄漏的目的。墊片性能的好壞以及選用的合適與否對密封副的密封效果影響很大。

石油化工管道中常用的墊片可以分為三大類，即非金屬墊片、半金屬墊片和金屬墊片。

1、非金屬墊片

目前，最常用的非金屬墊片是石棉橡膠墊片，它是通過向石棉中加入不同的添加劑壓制而成，分別用于水、空氣、氮氣、酸、堿、油品等介質工況下。在美國，很多標準中都將石棉制品列為致癌物質而禁用。但在世界范圍內，石棉仍以其彈性好、強度高、耐油性好、耐高溫、易獲得等優點而得到廣泛應用，目前尚無可替代產品。但國內生產的石棉橡膠墊片的質量參差不齊，一些生產廠生產的石棉橡膠墊片可用在540℃及高壓力等級的法蘭上，而有些生產廠生產的石棉橡膠墊片僅能用在較低的條件下。因此，SH3059及SH3401標準將石棉橡膠墊片限制使用在T£260℃、PN£2.0MPa的條件下，而國家標準則限制使用在T£400℃、PN£4.0MPa的條件下。

另外一種可能會用到的非金屬墊片為聚四氟乙烯（PTFE）包覆墊片，它常用于低溫或者要求干凈的場合下，如凈化壓縮空氣、潤滑油等介質的管道上。聚四氟乙烯包覆墊片一般使用在溫度為-180℃～200℃、壓力小于等于PN2.0MPa條件下。

2、半金屬墊片

常用的半金屬墊片有纏繞式墊片和鐵包式墊片兩種。

纏繞式墊片是半金屬墊片中最理想、也是應用最普遍的墊片。其特點是壓縮回彈性好、強度高，有利于適應壓力和溫度的變化，能在高溫、低溫、沖擊、振動及交變載荷下保持良好的密封性能。鑒于國內纏繞式墊片的生產質量狀況，纏繞式墊片常用在（PN2.0～PN10）MPa壓力條件下。一般情況下，凸臺面法蘭配纏繞式墊片時須帶外環或內外環（視操作條件而定，一般壓力在PN5.0MPa及以上、溫度在350℃及以上時應帶內外環）。用于凹凸面法蘭時應帶內環。用于榫槽面法蘭時，應采用基本型。常用的纏繞鋼帶有20、1Cr13、0Cr19Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2等材料，但20材料目前已不多用，而1Cr13的抗腐蝕性能也不甚理想，反而容易使法蘭表面生銹，故也不多用。目前應用較多的是奧氏體不銹鋼鋼帶。常用的非金屬纏繞帶有特制石棉帶、柔性石墨帶和聚四氟乙烯帶，特制石棉帶常常容易粘連在法蘭密封面上，故應用不如柔性石墨帶廣泛，聚四氟乙烯帶常用于低溫或要求干凈的環境。常用纏繞式墊片的使用條件見表5－1所示。

表5－1 常用纏繞式墊片的使用條件

墊片材料	法蘭公稱壓力（MPa）	溫度范圍（℃）
奧氏體不銹鋼/特制石棉	≤25.0	－50~500
奧氏體不銹鋼/柔性石墨	≤25.0	－196～600（非氧化介質可到800）
奧氏體不銹鋼/聚四氟乙烯	≤10.0	-196～200

鐵包式墊片的密封性能不如纏繞式墊片，故壓力管道中應用的不多，它常用在換熱器封頭等大直徑的法蘭連接密封副上。

3、金屬墊片

金屬墊片常用在高壓力等級法蘭上，以承受比較高的密封比壓。就其型式來分，常用的金屬墊片有平墊、八角形墊和橢園形墊三種。其中金屬平墊片常與凸臺面、凹凸面、榫槽面法蘭配合使用。而八角形金屬墊片和橢園形金屬墊片常與環槽面法蘭配合使用。與橢圓形金屬墊片相比，八角形金屬墊片容易加工，精度容易保證，故其應用比較多。

一般情況下，金屬墊片的材料應配合法蘭材料選用，且要求墊片硬度比法蘭密封面硬度低（不少于HB30）。常用的金屬墊片及其硬度和最高使用溫度見表5-2。

表5-2 常用金屬墊片材料的硬度和最高使用溫度

材料名稱		最高硬度		材料標準	最高使用溫度
		布氏（HB）	洛氏（HC）		（℃）
	軟鐵	90	52	軟鐵	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
	軟鐵	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
	銅				－70~－316
	鋁				－70~－428

四、盲板、8字盲板、限流孔板和混合孔板

它們常被夾在兩片法蘭之間以實現不同用途。

1、盲板及8字盲板

它們常用作長期隔斷管道。當一條操作條件比較緩和的管道接入條件比較苛刻的管道中時，或者該管道在正常條件下常被關斷時，就要用到盲板或8字盲板。盲板或8字盲板與閥門相比，其關斷作用更可靠而且更經濟。8字盲板與盲板相比，在切換操作時（即管道開通或關閉時），不需要拿下，只需調換端面即可，此時若用盲板，則管道將出現空隙。因此，實際應用中，盲板已不多用，而大量采用的是8字盲板。盲板和8字盲板都應有兩個和匹配法蘭同樣的密封面。

2、限流孔板

限流孔板是在板面上開一個小錐孔（該小錐孔的尺寸由工藝專業提出），以實現節流降壓的作用。它也應有兩個和匹配法蘭同樣的密封面。

3、混合孔板。

混合孔板是在板面上開設一個或若干個小孔，以便于兩種介質在經過混合孔板時能充分混合而達到工藝操作的目的。它也應有兩個和匹配法蘭同樣的密封面。

思考題：

1、什么叫法蘭密封副？

2、常用的法蘭結構型式有哪些？應如何選用？

3、常用的法蘭密封面型式有哪些？應如何選用？

4、常用的螺栓/螺柱型式有哪些？應如何選用？

5、常用的螺母型式有哪些？應如何選用？

6、設計中應如何選用螺栓材料？

7、常用的墊片有哪幾種？各自的適宜使用條件如何？