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第二章 中低压容器的规则设计 第四节 法兰 潘家祯 华东理工大学机械与动力工程学院 设备的壳体可以采用铸造、锻造或焊接成一个整体，但大多数化工设备是做成可拆的几个部件，然后把它们连接起来。这一方面是设备的工艺操作需要开各种孔，并使之与工艺管道或其他附件相连接；另一方面也是为了便于设备制造、安装和检修。化工设备中的可拆连接应当满足下列基本要求： 能保证在操作温度和操作压力下的紧密不漏； 有足够的强度，不因可拆连接的存在而削弱了整个结构的强度，并保证本身能抵抗所有外力的作用； 能迅速地并多次装卸； 成本低廉。 法兰连接由一对法兰、垫片和螺栓组成，借助螺栓把两部分设备连接在一起，并压紧垫片使连接处紧密不漏 。 在压力容器应力分析中，法兰具有特殊性，不仅法兰本身是一个承受外载荷的结构部件，而且法兰连同螺栓和垫片成为承受初始预紧力的装配结构(螺栓法兰连接系统)，它们的失效表现为泄漏，要解决法兰连接的问题，需要对整个系统的特性进行分析。 本节主要介绍法兰设计计算方法，包括以下两个基本问题： 1．法兰选用 法兰选用主要包括法兰标准及其应用；法兰、垫片和螺栓的选用。 2．法兰设计 (1)密封设计 按照操作条件，选取法兰型式、压紧面形状、垫片型式，计算在安装工况和操作工况下，螺栓必需的预紧载荷和操作载荷，以达到设计的密封要求。 (2)强度计算 即初定法兰的结构尺寸，根据(1)计算得到螺栓载荷，对法兰进行上述两种工况下的受力分析和应力校核，以确定法兰的厚度等尺寸。 法兰的设计必须考虑两个不同的问题： 法兰连接结构中的各个部件必须有足够的强度和刚度。 连接本身必须保证密封。结构强度的问题比较简单，但法兰连接的密封性远比强度复杂，更富有近似性和经验性。法兰的计算方法仍以弹性强度分析或塑性极限分析为基础，借控制法兰中的名义应力保证法兰的刚度和强度。 (一)法兰的类型和标准 法兰可分为： 松式法兰 整体法兰 任意式法兰 (一)法兰的类型和标准 国家标准（GB91112～9131-88）《钢制管法兰》 《管法兰》（HG5001～5028-58） 《压力容器法兰标准》（JB1157～1164-82） 法兰的强度计算 Waters法的假设： 所有组成法兰接头的部件的材料是均匀的，在设计载荷条件下保持弹性； 所有施加于法兰上的载荷(螺栓载荷W，垫片反力P3和流体静压力的轴向力归结为一对作用在法兰环内外周边上的均布的力偶； 忽略螺栓的影响，假设问题是轴对称的； 不计螺栓孔的影响； 假设壳体和锥颈为薄壳结构； 壳体理论分析中，以法兰和锥颈的内孔表面为中性面； 当法兰环挠曲时，壳体与锥颈大端(下图中A点)的径向位移为零； 法兰环中面因所施加的力偶而引起的伸长可忽略不计； 内压以及由内压引起的各部分相邻边缘处产生的应力与法兰环力偶产生的弯曲应力相比，可忽略不计； 法兰的位移很小，叠加原理可以应用。 按照上述解法，十分繁琐，难以使用，所以Waters分析了法兰中的应力后，确定控制法兰强度的三个主要应力为： 法兰环内圆柱面上与锥颈连接处的最大径向应力， 切向应力， 及锥颈两端外表面的轴向弯曲应力。 当斜度较大时，出现在小端，反之位于大端。 2. 法兰设计方法 1. 法兰力矩的计算：法兰的外力矩是由如下作用于法兰的外力产生： (1) 内压作用在内径截面上的轴向力P1 * * 第二章 中低压容器的规则设计 第四节 法兰 第二章 中低压容器的规则设计 第四节 法兰 可拆连接的型式很多，如螺纹连接、承插式连接、钎焊连接和法兰连接等。法兰连接的强度和紧密性比较好，装拆也较方便，因而在大多数场合比其他型式的可拆连接显得优越，从而获得了广泛的应用。 第二章 中低压容器的规则设计 第四节 法兰 法兰连接的基本问题是在各种操作条件下，设备内的介质不会通过法兰接头向外或向内(在真空或减压条件下)发生泄漏，即是法兰接头紧密性问题。 第二章 中低压容器的规则设计 第四节 法兰 第二章 中低压容器的规则设计 第四节 法兰 第二章 中低压容器的规则设计 第四节 法兰 第二章 中低压容器的规则设计 第四节 法兰 第二章 中低压容器的规则设计 第四节 法兰 法兰压紧面的形式 垫片断面的形式 第二章 中低压容器的规则设计 第四节 法兰 流体在垫片处的泄漏以两种形式出现，即“渗透泄漏”和“界面泄漏”， 垫片密封机理 渗透泄漏是流体通过垫片材料本体毛细管的泄漏，故除了介质压力、温度、黏度、分子结构等流体状态性质外，主要与垫片的结构与材质有关。 界面泄漏是流体从垫片与法兰接触界面泄漏，泄漏大小主要与界面间隙尺寸有关。 垫片反力 螺栓载荷 流体静压力