带颈对焊法兰设计注意事项

魏宝锋

上海寰球工程有限公司 上海 200032

1 设备简介

法兰作为设备的主要零部件在防止介质泄漏方面起着重要作用，法兰结构的设计及其合理性至关重要。本文以换热器为例，介绍设计过程中法兰结构的设计要求及注意事项。

某项目中一台残余物汽提塔塔釜冷凝器，其管程介质苯酚(强渗透介质)、苯乙酮等属于易燃易爆、中度危害的第一组介质，壳程介质调温水属于第二组介质。该设备壳程选用碳钢(Q345R)，管箱筒体采用不锈钢(S30408)。设备结构见图1。

图1 换热器示意图

2 结构设计

按照《钢制化工容器结构设计规定》HG/T20583-2011中的描述[1]，容器内介质毒性为极度、高度危害或者有强渗透性的中度危害和介质为液化石油气时，法兰应采用带颈对焊型法兰，由此确定本设备法兰型式采用带颈对焊型。带颈对焊型法兰由法兰环、锥段、与筒体对接段三部分组成，其结构见图2。

根据压力、温度、腐蚀裕量等设计参数，壳侧设备法兰可选用标准压力容器法兰。管箱侧由于材料不在标准范围内，需要设计者通过计算以确定具体结构尺寸。设计时，可参考标准法兰尺寸取值，根据计算校核结果对各部分结构尺寸进行调整直到满足要求。根据工程经验，减小螺栓圆中心直径，可有效减小法兰计算中力矩的力臂值，对法兰设计非常有利。为保证各项结构取值的合理性，笔者根据经验提出以下建议：

图2 带颈对焊型法兰示意图

(2)非标法兰应进行刚度校核,刚度系数控制在0.85以内。

(3)应力裕量：计算应力/许用应力≤0.9，法兰各部分的计算应力与相应许用应力值之比不宜相差太大。

(4)选用标准法兰时，应校核法兰的最大许用工作压力是否满足相应设计温度下设计压力的要求，如有必要，还应考虑管道外载荷作用时的法兰当量最大许用工作压力是否满足要求。

在上述基础上将法兰的锥段和法兰环比例设计得当，使法兰各部分充分发挥强度性能并保证足够的刚度，即趋于满应力状态,遵循“满应力准则”[2]。

3 结构设计中的注意事项及解决方案

除了满足以上控制指标之外，还有两点需要注意：① 确认对接段厚度；② 判断带颈对焊法兰计算结果的合格与否及解决方案。

3.1 确认对接段厚度

以本台设备为例：管箱侧法兰选择锻件，材料许用应力为96MPa，管箱筒体选用板材，材料许用应力为130MPa。管箱侧法兰应力与管箱筒体应力比值96/130=0.738(相同的设计温度按200℃)，如果选择等厚度，法兰的对接段厚度可能不满足内压需要的壁厚。

这里笔者提供两种方案，建议优先采用第二种。

(1) 取消对接段。由法兰计算确认所需的最小δ1值，按照GB 150.4-2011中的规定[3],B类焊接接头以及圆筒与球形封头相连的A类焊接接头，当两侧钢材厚度不等时，若薄板厚度δs2≤10 mm且两板厚度差超过3mm；若薄板厚度δs2>10 mm且两板厚度差大于30%δs2，或者超过5mm时，均应单面或双面削薄厚板边缘，或按同样要求采用堆焊方法将薄板边缘焊成斜面，按照筒体厚度加3mm或5mm的原则最终确认所需的最小δ1的值。

(2)保留对接段。计算管侧法兰应力与管箱筒体应力比值：96/130=0.738(相同的设计温度按200℃)[3]，若以管侧壁厚/0.738得出的厚度满足不削边的厚度原则，可确认对接段厚度δ0。如果按管侧壁厚/0.738得出的厚度必须削边，则需按照NB/T 47020中法兰与圆筒连接要求，在对接焊缝的筒体端部堆焊过渡(具体参见NB/T 47020的P16中的图2)[4]。

3.2 判断带颈对焊法兰计算结果的合格与否及解决方案

3.2.1 法兰常见计算项

当轴向应力σH不合格时，调整法兰锥段大小端厚度，可有效调整轴向应力值。当径向应力σR不合格时，调整法兰环厚度可有效调整径向应力值。当环向应力σT不合格时，调整锥段高度可明显改善环向应力状态。将法兰环，锥段结构比例设计得当，使法兰各部分充分发挥强度性能即满足满应力状态。同时需关注法兰的刚度系数，标准要求法兰刚度系数小于1。但在实际工程中由于法兰同时受到管箱偏心载、管口载荷等影响，刚度系数一般控制在0.85以内。影响刚度系数的因素是多样的，其中最有效的是调整法兰环厚度。

3.2.2 法兰紧固件及垫片选择

除了法兰本身的结构尺寸对法兰各应力状态影响较大外，法兰的连接(包括螺栓、垫片等)也至关重要。法兰计算中如果出现螺栓预紧力不足的情况，改变垫片类型及螺栓材质可有效调整螺栓预紧力大小。其中垫片的选择应根据介质的腐蚀性，渗透性，毒性程度，易爆性，以及设计压力和温度来进行合理选择。在满足操作条件的前提下，优先选择垫片比压力和垫片系数较小的材料。常见推荐垫片有聚四氟乙烯板，增强柔性石墨板等。合理选择垫片类型后，再调整螺栓的材质，一般选择力学性能比较高的材料即高强螺栓，可有效提升螺栓预紧力。

4 结语

带颈对焊法兰是化工设备常见的一种密封结构，正确理解法兰锥段与筒体连接段厚度，确保法兰有效密封是设备安全、装置平稳运行的第一守则。

设计非标法兰建议参考以下标准(包括但不限于)：NB/T 47023 《长颈对焊法兰》[4]、HG/T 20615《钢制管法兰》中WN系列[5]、 GB/T 29465《浮头式热交换器用外头盖侧法兰》等[6]。在上述标准中选择对应压力等级下的法兰为参考，根据具体情况展开设计工作。无论以哪种标准为蓝本，建议计算中按本文提及的经验值适当考虑设计裕量。锥段与法兰环的结构比例应选择恰当，使法兰具有较小的重量和紧凑的体积，让法兰材料的强度得到充分利用，各项机械性能得到充分的发挥。