法兰, 是管道的主要连接件。我国的法兰标准GB/T 9112系列和化工管道法兰标准HG系列的设计理论基础来源于英国的皇家工程院BS和美国材料与试验协会ASTM, 是在上述两家机构所制定的标准基础上修改后颁发的。

长臂法兰以片式密封作为设计依据, 而片式密封需要较宽的力臂和法兰厚度, 导致其“傻、大、笨”的现状。长臂法兰因为属于不耐曲挠的密封结构, 因此需要每年进行维护。基于上述原因, 本文在长臂法兰的基础上做了改进, 发明了短臂法兰。短臂法兰限位密封的结构, 解决了法兰管件的密封和耐曲挠问题。与长臂法兰相比, 短臂法兰的力臂缩短了一半, 厚度缩小了一半, 法兰管件的重量减少了一半以上, 但密封和抗曲挠性能更优越。本文主要对短臂法兰的密封性能和抗曲挠性能进行论述。论述的理论依据是板的曲挠度理论。在材料力学上, 因为板在运动状态下的曲挠度计算是六维度的二阶微分方程, 计算非常困难。本文按长臂法兰的计算方法来研究曲挠度, 以英美工程中常用的最低曲挠度和曲挠角作为设计标准。

长臂法兰曲挠度:

$W{}_{\text{B}1}=\frac{F{}_{1}L{}_1^3}{3E{\rm I}{}_1}(1)$

长臂法兰曲挠角:

$\theta {}_{\text{B}1}=\frac{F{}_{1}L{}_1^2}{2E{\rm I}{}_1}(2)$

长臂法兰惯性矩:

${\rm I}{}_1=\frac{bh{}_1^3}{12}(3)$

式中 W_B1——长臂法兰曲挠度, mm;

F₁ ——长臂法兰所受的由管道带来的轴向热应力, kg;

L₁ ——长臂法兰的臂长, mm;

E ——S30408不锈钢材料的弹性模量, 取193 kN/mm²;

I₁ ——长臂法兰的惯性矩, mm⁴;

θ_B1 ——长臂法兰曲挠角, °;

b ——法兰内圆环周长, mm;

h₁ ——长臂法兰厚度, mm;

EI₁ ——长臂法兰刚度, kN·mm²。

上述公式是板的曲挠公式, 把法兰片分为6个圆心角为$\frac{\text{π}}{3}$的扇形板, 将曲挠度和曲挠角计算转换为条形板, 就可以运用上述公式进行计算。图1为法兰示意, 图2为平板式法兰截面示意。

由于长臂法兰的密封属于片式橡胶密封, 这是一种不抗曲挠的密封形式, 其允许的抗曲挠角不大于0.1°。因此, 传统的长臂法兰以此为边界条件设定法兰钢板的厚度, 也可以从曲挠角公式反推法兰板的理论厚度, 这也是70年前, 英美国家的常用做法 (当时还没有计算机, 他们用了数年时间和拉计算尺的方法设计出了现在的标准) 。

短臂法兰曲挠度:

$W{}_{\text{B}2}=\frac{F{}_{2}L{}_2^3}{3E{\rm I}{}_2}(4)$

短臂法兰的惯性矩:

${\rm I}{}_2=\frac{bh{}_2^3}{12}(5)$

式中 W_B2——短臂法兰曲挠度, mm;

F₂ ——短臂法兰所受的由管道带来的轴向热应力, kg;

L₂ ——短臂法兰的臂长, mm;

θ_B2 ——短臂法兰曲挠角, °;

h₂ ——短臂法兰厚度, mm;

I₂ ——短臂法兰的惯性矩, mm⁴;

EI₂ ——短臂法兰刚度, kN·mm²。

短臂法兰由于臂短, 无法像长臂法兰一样预留足够宽的片式密封水槽线, 但可以预留满足公称压力为1.6 MPa、2.5 MPa、4 MPa不同宽度的限位密封槽, 从而满足密封的需要。

以下将证明在某一设定情况下, 长臂法兰和短臂法兰在相等拉拔力作用下, 其曲挠度是相同的。

约定如下:$F{}_1=F{}_2,L{}_2=\frac{1}{2}L{}_1,h{}_2=\frac{1}{2}h{}_1$。

将上述数据代入式 (1) 可得$W{}_{\text{B}1}=\frac{4F{}_{1}L{}_1^3}{EBh{}_1^3}$, 代入式 (4) 可得$W{}_{\text{B}2}=\frac{4F{}_{1}L{}_1^3}{EBh{}_1^3}$, 即在上述的假设条件下W_B2=W_B1, 说明了短臂法兰在长臂法兰的基础上减少了一半臂长和一半厚度后, 其曲挠度和长臂法兰的曲挠度相等。

以公称压力2.5 MPa的短臂法兰为例, 以英美国家设计常用的检验公式$\frac{{\rm M}}{W}\le 450\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}(45\text{k}\text{g}/\text{m}\text{m}$²) 为依据 (M为力矩, M=FL, W为抵抗矩, W=2I/h) , 检验短臂法兰的力矩和抵抗矩之比的合理性 (长臂、短臂法兰设计相关数据见表1、表2, 计算结果见表3) 。表中, D_W为管材外径;t为配管壁厚;d为锁紧螺栓直径;d′为螺栓孔直径;n为螺栓个数;F为管材轴向热应力;F′为螺栓锁紧力;f为3.75 MPa水压时管道轴向受力;B为法兰内径;b为法兰内圆环周长;D为法兰外径;K为法兰正剖面螺栓孔中心距;h为法兰厚度;L为法兰的力臂长度;I为法兰惯性矩;W_B为管材轴向热应力下法兰曲挠度;θ_B为管材轴向热应力下法兰曲挠角。

长臂法兰是依靠臂的长度和承载片式橡胶密封, 而片式橡胶密封在一段时间内很难形成稳定的密封。由于管道的热胀冷缩, 夏天密封橡胶处于过度压缩状态, 冬天密封橡胶又处于欠压缩状态, 经过一两个冬夏后, 管道的密封就失效了, 需要靠人工修复。而短臂法兰采用截面直径有足够厚度的密封橡胶圈进行限位密封, 橡胶在特定的密封槽内处于既不欠压缩, 也不过度压缩的恒定压缩状态, 法兰的密封寿命几乎是半永久性的。这种限位密封的方式属于可曲挠的密封方式, 其抗曲挠角达到±2.2°, 是以片式密封的普通法兰曲挠角的22倍以上, 不仅具有抗曲挠的性能, 且具有几乎半永久的使用寿命。

限位密封槽深度为C₁的凸面法兰可以在法兰生产厂定制, 也可以在板式法兰片以焊接的方式形成密封槽。

密封橡胶推荐采用三元乙丙橡胶或其他橡胶。这是根据其伸长率、弹性恢复力和耐腐蚀等的性能优选的。其设计原理如下:

橡胶密封元件体积S₁和橡胶截面高度H₁与密封槽深度C₁和密封槽的空间S₂ (S₂=C₁C₂) 有如下的关系式:①S₁=η₁S₂, η₁=0.95～0.99;②C₁=η₂H₁, η₂=0.7～0.75。

图3a中d′₂为锁紧螺孔径, C₁为限位密封槽深度, C₂为密封槽的宽度, K₂为法兰正剖面螺栓孔中心距。图3b中C′₁为矩形密封槽的深度, C′₂为矩型密封圈宽度。

图3a是板式法兰连接方式, 靠焊接高度为C₁的外挡圈构造一个限位密封槽。限位密封槽中放置特制的O形或矩形橡胶密封圈。图3b是凸面法兰连接方式, 适宜采用翻边连接。两翻边与法兰之间构造一个限位密封位置, 放置限位密封的矩形密封圈。图4a是O形密封圈结构示意, O形密封圈的截面直径为2R;图4b是矩形密封圈结构示意。

(1) 符合GB/T 9112-2010标准的长臂法兰是厚壁法兰, 其配管是预留了腐蚀余量的厚壁碳钢管, 应用于无需预留腐蚀余量的不锈钢管道时, 是一种浪费。短臂法兰有较短的力臂、较薄的厚度和较好的密封方式, 在工程应用中不仅能够大量降低材料消耗, 方便施工, 还能保证管道具有更高的安全性和抗曲挠性能。

(2) 从法兰曲挠度W_B计算结果得知, 当L₂=L₁/2, h₂=h₁/2时, 在配管壁厚相等的前提下, 长、短臂法兰的W_B数值相同。但短臂法兰的配管壁厚较小, 因此W_B2<W_B1, 即可用成本较低的短臂法兰代替成本较高的长臂法兰。

(3) 短臂法兰的密封结构是一种抗曲挠的限位密封结构。三元乙丙橡胶具有较大的压缩量, 耐曲挠能力强、密封可靠。这种密封结构改变了长臂法兰易漏水的缺陷。