法兰是现代管道和设备系统中不可或缺的关键部件。作为一种标准化、可拆卸的管道连接方式，它主要用于实现管道、阀门、泵和设备之间的可靠接口，极大地方便了系统密封、安装、日常维护和检查。法兰连接利用螺栓预紧力将组件紧密连接在一起，是流体输送工程中应用最广泛的连接形式之一。
什么是法兰
法兰本质上是一个圆形或方形的连接件，带有螺栓孔，安装在管道或设备的末端。在工业实践中，一个完整的法兰连接组件由三个核心部件组成：
- 法兰本体:通常为两件，用于连接管道或设备端口。
- 垫圈:置于两个法兰面之间，提供柔性密封。
- 螺栓连接:通过螺栓和螺母施加均匀的预紧力。
说明法兰连接主要组件--法兰本体、垫片和螺栓的剖视图。
法兰连接的核心价值在于它能够实现快速、可靠和重复性的拆卸和维护，同时保证无泄漏运行，这是与焊接连接相比的一个显著优势。
除管道应用外，该术语 "法兰" 也可泛指用于加固或连接机械结构的任何凸缘或边缘。
法兰连接的工作原理
法兰连接的密封原理基于机械力。该过程主要遵循以下步骤：
- 初次安置:密封垫精确地安装在两个法兰的密封面之间。
- 预加载应用程序:通过均匀地拧紧螺栓和螺母，对垫圈施加很大的轴向预紧力。
- 垫片变形:在预紧力的作用下，垫片发生受控变形（弹性或塑性变形），完全填充并符合两个法兰面上的微小不规则、凹槽或缺陷。
- 密封成就:系统运行时，内部介质压力、温度和外部负载产生的分离力通过螺栓预紧力达到平衡。只要螺栓力超过所有分离力的总和，密封垫就能保持最小的密封应力，从而实现可靠、持久的密封。
常见法兰类型
法兰有多种类型，每种类型都适合不同的工作条件、额定压力和安装要求。
焊颈法兰
焊颈法兰采用长锥形轮毂，通过对焊与管道相连。从法兰厚度到管壁的逐渐过渡最大限度地减少了应力集中，从而提供了出色的强度和密封可靠性。它非常适合高压、高温和波动较大的使用条件，如蒸汽管道和热交换器。
滑入式法兰
滑套法兰可直接滑到管道上，内外两侧均为角焊缝。它对准简单，焊接工作量少。由于其强度适中，最适合常温下的中低压应用，但不建议用于压力或温度变化剧烈的场合。
盲法兰
盲板法兰是一种没有内孔的实心板，用于封闭管道、阀门或压力容器的末端。它便于检查、维护或流体静力学测试，并为隔离管道系统的某个部分提供了可靠的方法。
承插焊法兰
承插焊法兰有一个凹孔，管道在此插入，并通过单个外部角焊缝连接。这种设计具有较高的结构完整性，通常用于小口径、高压系统，如仪表管路。不过，它不太适合腐蚀性流体或需要严格焊接检查的应用。
螺纹法兰
螺纹法兰通过内螺纹与管道连接，无需焊接。它可以快速安装，尤其适用于有焊接危险或不允许焊接的区域。螺纹法兰通常用于涉及易燃或易爆介质的低压、非关键系统。
搭接法兰
搭接法兰由一个短端和一个可绕其自由转动的松动支撑环组成。这样就可以轻松对准螺栓孔，方便组装或拆卸。它非常适合需要经常维护或处理腐蚀性流体的管道系统，在这种情况下，短端可以使用耐腐蚀材料，而背衬法兰则使用成本效益高的碳钢。
法兰面类型
密封面是法兰与垫片直接接触的部分，其几何形状决定了密封性能和合适的垫片材料。
三种法兰面类型的比较：环形接头 (RTJ)、凸面 (RF) 和平面 (FF)。
- 环形接头 (RTJ)：密封面上有一个精确加工的凹槽，可容纳一个金属环垫片。这种结构具有极高的密封完整性，广泛应用于高压、高温或危险介质条件下。
- 凸面 (RF)：密封面略高于螺栓圆面。这是最常用的法兰面，可广泛适用于不同的垫片，尤其是非金属板材垫片和缠绕垫片。
- 平面 (FF)：密封面与整个法兰面齐平。它通常用于铸铁或玻璃纤维等脆性材料制成的低压系统和设备，以避免螺栓拧紧时产生弯曲应力。
尺寸
法兰尺寸定义了必要的几何参数，以确保管道系统内的正确对齐、密封和机械完整性。
它们不仅决定了法兰与连接管道的兼容性，还决定了法兰在压力下正确安装垫片和螺栓的能力。
主要尺寸参数：
- 公称直径（DN / NPS）： 代表与所连接管道内径相对应的管道公称尺寸。 DN 公制和 NPS 用于英制系统。
- 外径和螺栓圆： 指定整体法兰尺寸和螺栓孔的准确位置，以确保对齐和互换性。
- 设计依据： 所有尺寸参数，包括螺栓数量、尺寸和间距，都必须严格符合适用的压力等级标准（如 ASME B16.5 或 EN 1092），以确保法兰、垫片和螺栓组件在预定设计压力下安全运行。
压力额定值
法兰压力额定值定义了法兰在给定温度下可安全承受的最大内部压力。它们是法兰强度和承压能力的核心指标，也是系统设计和材料选择的关键参数。
分类系统：
不同的标准表示不同系统中的法兰压力额定值：
- 美国系统（ASME 等级）： 使用 150 级、300 级、600 级等名称。等级越高，表示抗压能力越强。
- 欧洲系统（EN/DIN PN）： 在下列情况下使用 PN10、PN16、PN40 等名称 PN 代表 额定压力 (通常以巴为单位）。
需要注意的是，法兰的允许工作压力会随着工作温度的升高而降低。设计工程师必须始终查阅特定材料和标准的适用压力-温度额定值表，以确保所选法兰符合实际使用条件。
法兰标准和标记
法兰标准规定了尺寸、材料和测试要求，从而实现了管道系统的全球互换性和性能一致性。
它们按地区和工业系统分类，每个系统都有自己的压力额定值系列和尺寸约定。
每个法兰上的强制标记可确保在整个生产和使用寿命期间的全面可追溯性和可识别性。
通用标准系统：
- ASME B16.5 和 ASME B16.47 - 主要用于美洲。
B16.5 适用于 NPS 24 以下的法兰，而 B16.47 则适用于 NPS 26 至 NPS 60 的大直径法兰。 - EN 1092 / DIN 标准 - 欧洲通用，使用 PN 压力系列来指定额定公称压力。
- HG/T 20592-20635 - 中国化工行业标准，与国际体系接轨，支持 PN 和 Class 系列。
所有符合标准的法兰都永久标有关键数据，如标准名称、材料等级、公称尺寸、压力等级和热量编号，以确保质量控制、符合法规要求和可靠的可追溯性。
法兰在工业中的应用
由于其可靠性和可维护性，法兰连接被广泛应用于各行各业的关键基础设施中：
- 石油和天然气管道系统:用于连接长距离输电线路、泵站、压缩机站以及石油和天然气加工设备。
- 化学工艺管道:用于运输腐蚀性、高温或高压化学介质，便于定期检查和更换设备。
- 海洋和近海工程系统:用于连接船舶管道、海水淡化设备和海上平台的各种系统。
- 暖通空调和水处理系统:用于连接锅炉、热交换器、泵和大型市政给排水管网。
结论
法兰作为一种标准化、可维护性强、适用范围广的管道连接方式，在工业安全和效率方面发挥着至关重要的作用。在设计和采购时，工程师必须仔细考虑介质特性、工作温度和压力等因素，以便 正确选择法兰类型、法兰面、压力额定值和标准值.只有通过正确的选择和安装，才能保证整个流体输送系统的长期安全和可靠运行。
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