新型可曲挠耐高压短臂法兰
2019-10-22 00:01:45
符合《钢制管法兰类型与参数》(GB/T9112-2010)的法兰(定义为长臂法兰)的规格、尺寸及其配管均按有腐蚀的碳钢管道标准设计。当将其应用于不锈钢管道时,由于不锈钢无需预留腐蚀余量,因此存在法兰材料消耗大的弊端。在保证同样抗曲挠能力的前提下,提出一种不锈钢短臂法兰。通过对长、短臂法兰的力学数据进行比较和分析,证实短臂法兰的臂长和厚度均可设计为长臂法兰的一半左右,并给出了与短臂法兰配套的限位密封措施。
法兰,是管道的主要连接件。我国的法兰标准GB/T9112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。
限位密封
限位密封的优点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。
限位密封的结构设计
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。
小结
(1)符合GB/T9112-2010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WB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WB数值相同。但短臂法兰的配管壁厚较小,因此WB2<WB1,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。