新型可曲挠耐高压短臂法兰

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。