1、設(shè)備簡介

法蘭作為設(shè)備的主要零部件在防止介質(zhì)泄漏方面起著重要作用，法蘭結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其合理性至關(guān)重要。本文以換熱器為例，介紹設(shè)計過程中法蘭結(jié)構(gòu)的設(shè)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(zhì)苯酚（強滲透介質(zhì)）、苯乙酮等屬于易燃易爆、中度危害的第一組介質(zhì)，殼程介質(zhì)調(diào)溫水屬于第二組介質(zhì)。

該設(shè)備殼程選用碳鋼（Q345R），管箱筒體采用不銹鋼（S30408）。設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定》HG/T 20583－2011中的描述［1］，容器內(nèi)介質(zhì)毒性為極度、高度危害 或者有強滲透性的中度危害和介質(zhì)為液化石油氣時，法蘭應(yīng)采用帶頸對焊型法蘭，由此確定本設(shè)備法蘭型式 采用帶頸對焊型。帶頸對焊型法蘭由法蘭環(huán)、錐段、與筒體對接段三部分組成，其結(jié)構(gòu)見圖2。

根據(jù)壓力、溫度、腐蝕裕量等設(shè)計參數(shù)，殼側(cè)設(shè)備法蘭可選用標準壓力容器法蘭。管箱側(cè)由于材料不在標準 范圍內(nèi)，需要設(shè)計者通過計算以確定具體結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)計時，可參考標準法蘭尺寸取值，根據(jù)計算校核結(jié)果 對各部分結(jié)構(gòu)尺寸進行調(diào)整直到滿足要求。根據(jù)工程經(jīng)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(shè)計非常有利。為保證各項結(jié)構(gòu)取值的合理性，筆者根據(jù)經(jīng)驗提出以下建議：

（1）螺栓裕量：實際使用面積/計算面積≥1.2

（2）非標法蘭應(yīng)進行剛度校核，剛度系數(shù)控制在0.85以內(nèi)。

（３）應(yīng)力裕量：

計算應(yīng)力／許用應(yīng)力≤0.9，法蘭各部分的計算應(yīng)力與相應(yīng)許用應(yīng)力值之比不宜相差太大。

（４）選用標準法蘭時，應(yīng)校核法蘭的最大許用工作壓力是否滿足相應(yīng)設(shè)計溫度下設(shè)計壓力的要求，如有必 要，還應(yīng)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(chǔ)上將法蘭的錐段和法蘭環(huán)比例設(shè)計得當，使法蘭各部分充分發(fā)揮強度性能并保證足夠的剛度，即 趨于滿應(yīng)力狀態(tài)，遵循“滿應(yīng)力準則”［2］。

３、結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)果的合格 與否及解決方案。

3.1 確認對接段厚度

以本臺設(shè)備為例：管箱側(cè)法蘭選擇鍛件，材料許用應(yīng)力96/130＝0.738（相同的設(shè)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(nèi)壓需要的壁厚。

這里筆者提供兩種方案，建議優(yōu)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GB150.4－2011中的規(guī)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(cè)鋼材厚度不等時，若薄板厚度δｓ2≤10mm且兩板厚度差超 過３mm；若薄板厚度δｓ2＞10mm且兩板厚度差大于30％δｓ2，或者超過5mm時，均應(yīng)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(cè)法蘭應(yīng)力與管箱筒體應(yīng)力比值：96/130＝0.738（相同的設(shè)計溫度按200℃）［３］ ，若以管側(cè)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(cè)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／T47020的P16中的圖2）［４］。

3.2判斷帶頸對焊法蘭計算結(jié)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(yīng)力σＨ不合格時，調(diào)整法蘭錐段大小端厚度，可有效調(diào)整軸向應(yīng)力值。

當徑向應(yīng)力σＲ不合格時，調(diào)整法蘭環(huán)厚度可有效調(diào)整徑向應(yīng)力值。當環(huán)向應(yīng)力σT不合格時，調(diào)整錐段高 度可明顯改善環(huán)向應(yīng)力狀態(tài)。將法蘭環(huán)，錐段結(jié)構(gòu)比例設(shè)計得當，使法蘭各部分充分發(fā)揮強度性能即滿足滿 應(yīng)力狀態(tài)。同時需關(guān)注法蘭的剛度系數(shù)，標準要求法蘭剛度系數(shù)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(shù)一般控制在0.85以內(nèi)。影響剛度系數(shù)的因素是多樣的，其中最 有效的是調(diào)整法蘭環(huán)厚度。

3.2.2 法蘭緊固件及墊片選擇

除了法蘭本身的結(jié)構(gòu)尺寸對法蘭各應(yīng)力狀態(tài)影響較大外，法蘭的連接（包括螺栓、墊片等）也至關(guān)重要。法 蘭計算中如果出現(xiàn)螺栓預緊力不足的情況，改變墊片類型及螺栓材質(zhì)可有效調(diào)整螺栓預緊力大小。其中墊片 的選擇應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性，滲透性，毒性程度，易爆性，以及設(shè)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(yōu)先選擇墊片比壓力和墊片系數(shù)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(diào)整螺栓的材質(zhì)，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(jié)語

帶頸對焊法蘭是化工設(shè)備常見的一種密封結(jié)構(gòu)，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(shè)備安全、裝置平穩(wěn)運行的第一守則。

設(shè)計非標法蘭建議參考以下標準（包括但不限于）：NB／T47023《長頸對焊法蘭》［4］、HG／ T20615《鋼制管法蘭》中ＷＮ系列［5］、GB／T29465《浮頭式熱交換器用外頭蓋側(cè)法蘭》等［６］。在上述標準中選擇對應(yīng)壓力等級下的法蘭為參考，根據(jù)具體情況展開設(shè)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(jīng)驗值適當考慮設(shè)計裕量。

錐段與法蘭環(huán)的結(jié)構(gòu)比例應(yīng)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(fā)揮。

參考文獻

[1]HG／T205８３－2011，鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定［Ｓ］.

[2]李世玉等.壓力容器設(shè)計工程師培訓教程［Ｍ］.

[3]GB150.1～150.４－2011，壓力容器［Ｓ］.

[4]NB／T47020～47027－2012，壓力容器法蘭、墊片、緊固件［Ｓ］.

[5]HG／T20６15－2009，鋼制管法蘭［Ｓ］.

[6]GB／T2９４６5－2012，浮頭式熱交換器用外頭蓋側(cè)法蘭［Ｓ］.

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