第一节 法兰
凡是在两个平面周边使用螺栓连接，同时封闭的连接零件，称为“法兰”。化工法兰常用于管子与管子之间的相互连接，管端之间的连接以及设备进出口的连接等，称为管法兰。法兰是由法兰盘、垫片及螺栓组成，三者相互连接组合成一个密封可拆的结构。法兰盘上有孔眼，螺栓使两法兰盘紧连。法兰盘间用衬垫密封，依靠其连接螺栓所产生的预紧力，通过各种固体垫片或液体垫片达到足够的工作密封比压，来阻止被密封流体介质的外泄。
法兰连接可满足高温、高压、高强度的需要，并且法兰的制造已达到标准化，在生产、检修中拆卸方便，这是法兰连接的最大优点。
一、法兰的技术标准
1.国外标准
国外管法兰标准主要有两大体系，即美洲Class系列（以美国ASME/ANSI B16.5～B16.47标准为代表，和HG 20615标准一致）及欧洲PN系列（以DIN标准为代表的HG/T 20592～20635—2009）。在同一体系内，各国的法兰标准基本上可以互配使用，两个不同体系的法兰不能互相配用。
HG/T 20615～20635—1997属Class系列（美洲体系）管法兰、垫片、紧固件标准，新标准替代了原HG 20615—1997～20622—1997和HG 20624～20626—1997标准，在内容上进行了整合，合并为HG/T 20615—2009《钢制管法兰（Class系列）》，并补充了石油化工行业经常使用的Class系列的钢制孔板管法兰和钢制夹套管法兰结构型式，修改内容如下：
（1）补充长高颈法兰以及A系列大直径管法兰型式，对法兰密封面的表面粗糙度进行了修订；对管法兰用材料分组和材料种类进行了调整，增加了材料品种。
（2）修订了压力—温度等级表。
（3）HG/T 20623—2009《大直径钢制管法兰（Class系列）》中增加了大直径管法兰的A尺寸系列，Class150～900，DN650～1500。
（4）增强柔性石墨板垫片列入HG/T 20627—2009中，取消HG 20629 —1997。
（5）对垫片材料进行了调整，增加了材料品种；对垫片型式以及材料性能要求进行了补充。
（6）对紧固件材料按强度进行分类，补充了管法兰用紧固件材料的种类；对管法兰用紧固件长度进行了修订；增加了管法兰紧固件用垫圈以及绝缘法兰连接用紧固件。对管法兰、垫片、紧固件的选配规定以及使用条件进行了补充。
HG/T 20592～20614—2009属PN系列（欧洲体系）管法兰、垫片、紧固件标准，新标准替代了原HG 20592～20605—1997标准，在内容上进行了整合，合并为HG/T 20592—2009《钢制管法兰（PN系列）》，并补充了石油化工行业经常使用的PN系列的钢制孔板管法兰和钢制夹套管法兰结构型式，修改内容如下：
（1）修订密封面尺寸，适当调整结构尺寸；对法兰密封面的表面粗糙度进行了修订。
（2）调整板式平焊法兰的压力等级范围，PN0.25～PN40。
（3）对管法兰用材料分组和材料种类进行了调整，增加了材料品种。
（4）修订了压力—温度等级表。
（5）增强柔性石墨板垫片列入HG/T 20606—2009中，取消HG 20608—1997。
（6）对垫片材料进行了调整，增加了材料品种；对垫片材料性能规定进行了补充。
（7）对紧固件材料按强度进行分类，补充了管法兰用紧固件材料的种类；对管法兰用紧固件长度进行了修订；增加了管法兰紧固件用垫圈以及绝缘法兰连接用紧固件；对管法兰、垫片、紧固件的选配规定以及使用条件进行了补充。
标准由中国石油和化学工业协会提出并归口。标准的技术内容由全国化工设备设计技术中心站负责解释。该标准规定了钢制管法兰的公称通径、公称压力、法兰类型、连接尺寸、密封面尺寸及标记。适用于公称压力（PN）为0.25～40.0MPa（2.5～400bar）的钢制管法兰和法兰盖，也适用于采用法兰作为连接型式的阀门、泵、化工机械、管路附件和设备零件。
2.国内标准
我国压力容器规范的制定工作是从20世纪50年代开始的，最早的规范标准是由原化学工业部、第一机械工业部等四个工业部联合颁布的《多层高压容器设计与检验规程》和原化学工业部的《石油化工设备零部件标准》，这两个标准的先后颁布和配套使用，满足了压力容器和化工设备生产的需要。20世纪60年代初，我国压力容器行业开始着手进行较为完整的设计规范和标准的制定工作，1967年，在吸收美国《ASME锅炉及压力容器规范》和英国《BS5500非直接火焊接压力容器规范》有关内容的基础上，由上海化工设计院主持完成了第一版《钢制石油化工压力容器设计规定》（草案），后经修订，由原化学工业部和第一机械工业部于1977年共同颁发实施。随后又经1982年、1985年两次修订改版，并在此基础上，由全国压力容器标准化技术委员会主持，经充实、完善和提高，于1989年颁布了我国第一版国家标准，即GB 150 —1989《钢制压力容器》。1998年再经全面修订，颁布了GB 150 —1998《钢制压力容器》国家标准。
经过压力容器标准化工作者多年的不懈努力，在颁布并实施GB 150 —1998《钢制压力容器》的基础上，先后制定了一系列配套的国家标准、基础标准和零部件标准，如GB 151—1999《管壳式换热器》、GB 12337—1999《钢制球形储罐》、JB 4710 —2000《钢制塔式容器》、JB 4731—2000《钢制卧式容器》、JB/T 4735—1997《钢制焊接常压容器》、JB 4746 —2001《钢制压力容器用封头》和JB 4732—1995《钢制压力容器分析设计标准》等。与此同时，对20世纪80年代颁布的《压力容器安全监察规程》进行了多次修订，更名为《压力容器安全技术监察规程》，并于1999年颁布实施。
2011年由国家标准化管理委员会提出，全国锅炉压力容器标准化技术委员会负责，在中国特种设备检测研究院、国家质检总局特种设备安全监察局、浙江大学、合肥通用机械研究院、中国石化工程建设公司、华东理工大学、甘肃蓝科石化高新装备股份有限的共同努力下，制定了GB 150 —2011《压力容器》最新标准，该标准为GB 150 —1998的代替版，名称亦由《钢制压力容器》更改为《压力容器》，并于2012年3月1日实施。内容由通用要求，材料，设计，制造、检验和验收四部分组成。
二、法兰的分类
法兰分为压力容器法兰（设备法兰）和管道法兰（管法兰）两种，压力容器法兰又分为甲型平焊法兰、乙型平焊法兰及长颈对焊法兰三种类型，如图2-1所示。管法兰又分为板式平焊法兰、带颈平焊法兰、带颈对焊法兰、螺纹法兰、承插焊法兰及松套法兰五种类型，如图2-2所示。
图2-1 三种压力容器法兰结构图
甲型平焊法兰刚度较小，适用于压力较低、筒体直径较小的容器；乙型平焊法兰有一较厚的短节，短节与筒体或封头焊接，增加了法兰的刚度，因此适用于较大直径和较高压力的容器；长颈对焊法兰用根部增厚的颈取代了乙型平焊法兰的短节，更有效地增大了法兰的刚度，适用压力更高、直径更大的容器。
法兰的法兰类型及类型代号如表2-1所示。
图2-2 五种管法兰
表2-1 法兰类型及类型代号
甲型平焊法兰直接与钢管焊接，操作时法兰盘会产生变形，使法兰产生弯曲应力，也给管壁附加了弯曲应力；带颈平焊法兰增加一厚壁短节法兰颈，可以增加法兰刚度，能承受附加弯曲应力，大大减小了法兰变形；带颈对焊结法兰刚度较好，加之与管子之间采用的是对焊连接，便于施焊，能承受较高的压力，适用范围广。
三、法兰的公称直径、公称压力和钢管外径
按照JB/T 47020 —2012～JB/T 4727 —2012《压力容器法兰标准》以及GB/T 9112 —2010～GB/T 9124 —2010和HG/T 20592 —2009～HG/T 20635 —2009《钢制管法兰.垫片.紧固件》的规定。
1.公称直径
公称直径是为了使用方便而规定的一种标准直径。压力容器法兰的公称直径是指与法兰相配的筒体或封头的内径。带衬环的甲型平焊法兰的公称直径是指衬环的内径。管法兰的公称直径则是指与其相连接的管子的公称直径，既不是管子的内径，也不是管子的外径，而是与内径相近的某个数值。
2.公称压力
压力容器法兰及管法兰的公称压力是指在规定的设计条件下，在确定法兰结构尺寸时所采用的设计压力，即一定材料和温度下的最大工作压力。按标准化的要求，压力容器法兰的公称压力分为七个等级：0.25、0.60、1.00、1.60、2.50、4.00、6.40（单位均为MPa）。管法兰的公称压力分为十个等级：0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4、10.0、16.0、25.0（单位均为MPa）。法兰标准中的尺寸系列即是按法兰的公称压力与公称直径来编排的。
3.钢管外径
钢管外径包括A、B两个系列，A系列为国际通用系列（俗称英制管），B系列为国内沿用系列（俗称公制管）。其公称直径DN和钢管外径按表2-2、表2-3规定。
表2-2 公称直径和钢管外径对照
表2-3 25.0MPa（250bar）管法兰适用的钢管外径
四、法兰密封
1.泄露与密封
流体在密封处的泄漏主要有两条路径：一是通过垫片材料本体毛细管的渗透，即“渗透泄漏”，此时除了受介质压力、温度、黏度、分子结构等流体性质影响外，其密封效果的好坏与垫片的结构、材料性质有关；另一种是“界面泄漏”，即沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄露量的大小主要与界面的间隙尺寸有关。因此，法兰上下压紧面上凹凸不平的间隙和压紧力的不足是造成“界面泄露”的直接原因，而且也是法兰连接最主要的泄露形式。
法兰连接的密封就是要在螺栓压紧力的作用下，使垫片产生变形以填满法兰密封面上凹凸不平的间隙，阻止流体沿界面的泄露，从而实现密封的目的。法兰连接的密封过程可以分为预紧与工作两个阶段。法兰在螺栓预紧力的作用下，把压紧面之间的垫圈压紧，当垫圈单位面积上所受到的压紧力达到某一值时，垫圈变形，填满法兰密封面上的不平处，为阻止介质泄漏形成了初始密封条件。当设备或管道升压后，螺栓受到进一步的拉伸，密封面与垫圈之间的压紧力因而有所下降，当比压下降到某一临界值以下时，介质将发生泄漏，这一临界比压值称为工作密封比压。这就是为了不使介质泄漏，在密封面与垫圈之间所必须保留下来的最低比压。要保证法兰密封，就必须使法兰密封面上实际存在的比压不低于预紧时垫圈的预紧密封比压。工作时垫片单位面积上的压力不得低于m倍的介质压力，这里m称为垫片系数。其值与垫片材料、结构、介质特性、压力、温度、法兰密封面形式等有关，实际应用时可查有关垫片标准。
2.法兰密封面形式
（1）压力容器法兰密封面。压力容器法兰密封面形式有平面、凹凸面和榫槽面三种。不同连接方式的法兰可能有同一种密封面；同一种连接方式的法兰，也可能有不同的密封面。结构如图2-3所示。
图2-3 压力容器法兰的密封面形式
①平面型密封。它是在突出的平面上加工出几道浅沟，其结构简单，加工方便，但垫圈没有定位处，上紧螺栓后易往两侧伸展，不易压紧。因此，它适用于压力及温度较低的设备。
②凹凸型密封。它是由一个凹面和一个凸面组成。在凹面上放垫圈，垫圈不会被挤往外侧，密封性能较平面型有所改进。
③榫槽型密封面。由一个榫和一个槽组成，垫圈放在槽内，采用缠绕式或金属包垫圈，密封效果良好。
通常，压力及温度较低、密封要求不严的设备采用平面型密封，而温度高、压力较高、密封要求严的使用榫槽型密封，凹凸型则介于两者之间。
（2）管法兰密封面。管法兰密封面形式有平面、突面、凹凸面、环连接面和榫槽面等几种。结构如图2-4所示。
图2-4 管容器法兰的密封面形式
适用于板式平焊法兰的密封面有突面和全平面；适用于带颈平焊法兰的密封面则有突面、凹凸面、榫槽面和全平面四种。带颈对焊法兰的密封面则五种均适用。几种密封面的型号、所适用的公称直径与公称压力范围如表2-4所示。常用管法兰的密封面形式和适用的公称压力范围如表2-5所示。
表2-4 密封面形式代号、公称压力、公称直径对照表
表2-5 常用管法兰的密封面形式及适用的公称压力
（3）法兰的密封面尺寸。突面、凹凸面、榫槽面法兰的密封面尺寸按表2-6规定。环连接面法兰的密封面尺寸按表2-7规定。突面、凹凸面、榫槽面法兰的密封面尺寸f1、f2包括在法兰厚度C内，环连接面法兰的突台高度E未包括在法兰厚度内。
表2-6 密封面尺寸（突面、凹凸面、榫槽面）
续表
表2-7 环连接密封面尺寸
续表
五、法兰连接
法兰连接是通过连接法兰及紧固螺栓、螺母、压紧法兰中间的垫片而使管道连接起来的一种方法。法兰连接在石油、化工管道中应用极为广泛，特别是需要经常拆卸或车间不允许动火时，滑动支座必须使用法兰连接。它的优点是强度高、密封性能好、适用范围广及拆卸、安装方便。为了适应各种情况下的管道连接，管法兰及其垫片有许多种，都具有国家标准。
1.管法兰的种类及密封面形式
详见本章管法兰的种类及密封面形式。
2.垫片的种类
管法兰所用垫片种类很多，包括非金属垫片、半金属垫片和金属垫圈。石油、化工管道的管法兰最常用的垫片有石棉板、橡胶石棉板、金属包石棉垫片、缠绕式垫片、齿形垫片和金属垫圈等。垫片的选择主要根据管内压力、温度、介质的性质等综合分析后确定，与法兰种类及密封面形式相一致。在选择法兰时就应该同时确定垫片的种类。通常情况下，采暖、煤气、中低压工业管道常采用非金属垫片，而在高温高压和化工管道上常使用金属垫片。
3.螺栓、螺母
压力不大的管法兰（PN＜2.45MPa），一般采用半精制螺栓和半精制六角螺母；压力较高的管法兰应采用光双头螺栓和精制六角螺母。
4.法兰的连接尺寸
法兰的连接尺寸主要包括法兰最大外径D，螺栓孔定位圆直径K，螺栓孔直径L，螺纹规格和数量n，法兰连接尺寸如表2-8所示。
表2-8 法兰连接尺寸
续表
5.法兰连接的要求
（1）安装前应对法兰、螺栓、垫片进行外观、尺寸材质等检查。
（2）法兰与管子组装前应对管子端面进行检查。
（3）法兰与管子组装时应检查法兰的垂直度。
（4）法兰与法兰对接连接时，密封面应保持平行。
（5）为便于安装、拆卸法兰、紧固螺栓，法兰平面距支架和墙面的距离不应小于200mm。
（6）工作温度高于100℃的管道的螺栓应涂一层石墨粉和机油的调和物，以便日后拆卸。
（7）拧紧螺栓时应对称呈十字交叉进行，以保障垫片各处受力均匀；拧紧后的螺栓露出丝扣的长度不应大于螺栓直径的一半，并不应小于2mm。
（8）法兰连接好后，应进行试压，发现渗漏，需要更换垫片。
（9）当法兰连接的管道需要封堵时，则采用法兰盖；法兰盖的类型、结构、尺寸及材料应和所配用的法兰相一致。
（10）法兰连接不严，要及时找出原因进行处理。