CN1143973C - 自由法兰 - Google Patents

Abstract

一种用于连接带法兰管道的搭接法兰(1)，包括一个具有紧固螺栓或拉杆孔的环状体，松套在具有法兰端的管子上，以及被多个穿过法兰环状体孔的螺栓拧紧，环状体具有一个垂直于环状体轴线的平内区(2)，确定了靠在管子法兰端的接合面(3)，并且具有一个截锥或平截棱锥形的外区(4)，被穿过紧固螺栓的上述孔(5)通过。通过一个柱形凸台状的突起(6)形成穿过紧固螺栓杆身的孔，突起至少在截锥或平截棱锥区(4)的凹面上。

Description

自由法兰

本发明涉及了一种搭接法兰，用于连接管路的带法兰管道。

在很多情形中，采用所谓的搭法兰或自由法兰来替代在管端永久焊接的连接法兰，建立两个管道端部的防漏搭接连接，或者一个管道与流体出入口的带法兰或扩口管接头、或与如阀门、泵之类其它带法兰部件的防漏搭接连接。

也称为自由或浮动法兰的这类法兰特别适用于传送烟气、气体混合物、强迫通风空气、液体、悬浮液和其它流体的管路和低压管道，往往采用钢板、波纹钢板、塑料、纤维增强树脂、硫化橡胶之类的较轻型管子制成，当然可用于和实际上也用于高压管路。

搭接或自由法兰的应用特别适用于如不锈钢、钛之类较昂贵材料制成的管路情形中，需要对流经管子的流体防腐蚀。这是由于可以用不太贵的材料来制造与流体不直接接触的搭接法兰。

一般说，在管端焊接一个平焊环之前，搭接法兰松套在管道上.

在这些管路中，管道的端“法兰”往往是一个焊在管端与管道材料相同的较窄平焊环。

在由薄壁管制成的较低压管道中，可以采用适当工具对管端扩口来产生管子的端法兰，它产生扩口并最终弯曲和展平成这种端法兰密封面。

这些管道或管子的焊接环或端法兰上没有孔，径向宽度较小，并且在许多情形下它们具有的固有刚度不足以保证法兰对插在管子端法兰和另外管子或管接头端法兰之间垫圈的液压密封。在这些应用中，搭接法兰除了提供用于紧固连接的螺栓或拉杆的固定之外，还必须考虑管子端部扩口坚固性的不足。

搭接法兰可以用被它们松套在上面的管道(管道上设有平焊环或端部扩口)的相同材料制成，但更经常地是它们用不同的材料制成，通常是比管道材料便宜的材料，其机械特性适于作为一个可承受应力的元件，最好可在型模中成形，并具有适当的尺寸稳定性和刚度特性。

除了常见的减少重量的要求之外，暴露室外的气候条件，或在特定使用环境中的抗腐蚀要求，均是正确选择搭接法兰构造材料的其它考虑因素。

搭接法兰一般由一个环状体构成，环状体具有一个尺寸适于容许搭接法兰在管子或管道上松套的孔，以及多个用于紧固螺栓杆身的孔。

环状体内部的大多数区域靠在管道的端环或扩口上，把它推向***的垫圈上，并且依靠拧紧穿过搭接法兰和联接法兰孔的螺栓或拉杆来联结法兰，孔沿着垫圈周边和管道端环或扩口区周边之外的圆周均匀间隔。

通常，搭接法兰是平的，环绕通过管道的中心孔可以设有一个柱形环，并且具有一定数目的孔，用于穿过紧固螺栓或拉杆的杆身。

它们往往用锻造来制造，更常见的是在型模中模制或铸造。

一般说，制造搭接法兰的锻造和模制技术容许得到基本上完成的产品，不需要任何另外的机械加工。

刚度是搭接法兰的一个突出的机械特性。

特别是在由于管子本身的端部扩口固有刚度不足而需要法兰提供对填实连接刚度的应用中，为了保持防漏的连接，搭接法兰的正确机械尺寸变得很重要。载荷下的位移必须保持在非常严格的范围内，以防止在关键部位的泄漏，这通常在相邻法兰孔之间分开距离的中间可以识别到。

在离开穿过搭接法兰孔的螺栓或拉杆施加紧固力的点最远的点上，内压倾向于弯曲管子端部扩口或焊在管端的环。

一个方案是增加孔数(即减少相邻孔之间的距离)，因而增加螺栓或拉杆的数目，另一个方案是增加搭接法兰的截面积来提高刚度和抗弯曲能力，同时采用较少数目的孔和螺栓，对两种方案之间的选择具有优化的准则。

与这个现有技术相比较，现在已经发现一种方法来显著提高刚度和保证防漏密封的能力，而不需要明显增加搭接法兰的厚度和整个重量，从而容许更有效地优化沿管路的搭接连接，甚至每个连接的螺栓或拉杆数目。

一种特定的搭接法兰几何构形达到了这个重要的结果。与已知的构形不同，法兰的环状体由一个内区和一个外区所确定，内区基本上为平的并垂直于环状体轴线，从而确定了一个靠在管子扩口端或焊接端环上的基本平的接合面，外区具有穿过紧固螺栓或拉杆的杆身的孔，具有截锥或平截棱锥形状。

通过大致为柱形的凸台状突起形成了穿过紧固螺栓的孔，孔从法兰体外区的截锥或平截棱锥凹面延伸。可适当确定成形或铸造法兰的型模形状来提供这些突起或凸台。这些柱形突起或凸台的功能一方面是提供垂直于法兰轴线的平端面来支承紧固螺母或紧固螺栓头，以及改进法兰环状体的截锥或平截棱锥区域的应力分布。

在平截棱锥形情形中，这些凸台状的突起(紧固螺栓的杆身穿过它的中心孔)被形成沿着法兰环形体的平截棱锥区中凹面的两面角，并在整体上增强了法兰的环形体。

已经发现，被螺栓施加紧固力的搭接法兰外区的截锥或平截棱锥形状明显改进了刚度特性，这意味着与先前技术的相似厚度和/或重量的基本平搭接法兰相比较，对同样紧固载荷减少了弯曲度(定义为法兰最外边对连接的另一个法兰最外边的弯曲度)。这些提高刚度的有利特征容许本发明的搭接法兰性能可以与同样构造材料的较大厚度和重量的常规平法兰相比。

即使为了在同样保证防漏密封的性能下优化用于连接的螺栓或拉杆数目，也可以“花费”本发明搭接法兰提高的刚度。

按照本发明的另一个特性，可以进一步提高这种即使用较少紧固螺栓数目也可保持防漏密封的能力，为此把靠在管道法兰端的较平的环状法兰内区表面做成环形波浪，其峰点与圆扇形段(由贯穿两个相邻紧固螺栓孔轴线的半径所确定)的中点相一致，其谷点与贯穿法兰孔(紧固螺栓的杆身穿过其中)轴线的半径相一致。这种法兰接合面的轻微环形波浪沿径向不具有相同的幅值。

其幅值在靠近法兰接合面的外周边为最大并逐渐降低，接近法兰接合面的内边缘，即法兰中心孔圆周时实际变为零。

这种轻微环形波浪的效果使得由于紧固连接施加在垫圈上的压力更均匀，实际上补偿了搭接法兰的剩余柔度和避免了在紧固螺栓附近垫圈材料的过大载荷(与离它最远的部位相比)。环形波浪和它向着法兰接合面外区的升高造成了垫圈的均匀挤压，保证了即使在内压限制条件下防漏密封的增强。

图1，2和3是本发明四孔搭接法兰的平面视图、沿截面轴线A和B的剖视图和放大视图。

图4，5和6是本发明八孔法兰的平面视图、沿截面轴线A和B的剖视图和放大视图。

图7，8和9是本发明平截棱锥形法兰的平面视图、剖视图和放大视图。

图10是采用本发明一对搭接法兰的管道连接的三维分解图。

附图表示了本发明搭接法兰的几个重要实施例。显然它们不完全包括所有可能的实施例。为了易于交叉参照，在所有图中同样的功能零件采用同样的标号。

参照图1、2和3，本发明的搭接法兰在适当形状的型模中模制而成，并且可以用模制工艺制造而基本上不需任何后续的机械加工。

法兰的环状体1由一个内区2和一个外区4所确定，内区2基本上为平的，确定了一个靠在管道或管子焊接端环或扩口端上的接合面3，通常它是平的，但最好是有轻微波浪形，其方式将在后面作更详细描述，外区4在所示例子中具有截锥形状，它与环状体的平内区2相汇合。

在法兰体的截锥区中具有四个用于穿过紧固螺栓或拉杆杆身的孔5，每个孔通过由环状体模制工艺确定的大致为柱形的凸台状突起。

在所示实施例中，柱形凸台除了从法兰体截锥区的凹面突出，也从其凸面突出，虽然可以限制它们仅存在于凹面，从而提供了一个垂直于法兰轴线的适当表面，可以支承螺栓头或紧固螺母。

按照本发明法兰的一个优先的、虽然是次要的特性，垂直于法兰轴线靠在管子的扩口端或焊于管端的平焊环上的接合面3不完全为平的，而具有轻微的环形波浪，峰点被夸大描绘在图2中并用字母P指示，它与圆扇形段(它由贯穿法兰两个相邻孔轴线的两条半径所确定)的中间位置(图1中B)相一致。谷点与贯穿孔轴线的半径(图1中A)相一致。

环形波浪的幅值沿径向不是常数。环形波浪的幅值在相应或靠近法兰接合面3的最外边为最大并逐渐降低，在接近法兰接合面3的最内边缘之前或附近时变为零。环形波浪的幅值可以在法兰接合面3的最内边缘上，或者相应于法兰接合面3的最外半径和最内半径之间的中间半径上变为零。

在图3的详细视图上可以看到，沿轴线B本身一个观察点看到的图1轴线B附近的波浪外形。

不管是管子扩口端具有不足的刚度，还是管道具有本身基本为刚性的焊接端环，本发明的搭接法兰接合面3的轻微波浪补偿了法兰体在应力作用下的剩余柔度，即紧固点之间的位移，从而使得搭接连接的弹性垫圈的压缩尽可能均匀。

已经发现，法兰接合面3的环形波浪幅值H在第一级近似中应该满足经验关系式：H＝K*P*D*L/(E*B)，这里K是包括在25到120之间的系数，P是管道中流体的压力，D是搭接法兰的内径，L是法兰两个相邻孔轴线之间的距离，E是法兰环状体材料的弹性系数，以及B是在法兰平面区中的法兰厚度。

图4、5和6表示了具有八个孔的法兰实施例。

图7、8和9表示了本发明八个孔法兰的替代实施例，其特征在于具有一个八角形状和法兰体外区4是一个替代了截锥形的平截棱锥形。按照这个替代实施例，穿过用于紧固螺栓杆身的孔的凸台6被形成与法兰环状体平截棱锥区的八个两面角相一致。由于存在沿着每个两面角的柱形凸台而增强了结构的两面角，因此这个几何构形显示出非常好的刚性。

当然，可以形成进一步增强本发明法兰环状体截锥或平截棱锥区的加强肋，例如连接相邻柱形凸台的肋。

即使在这种情形，靠在管子扩口端或管端焊接环上的法兰1的接合面3，可以有利地提供如上述的环形波浪来改进垫圈压缩的均匀性以及有助于即使在管路内压限制条件下提高保持密封的能力。

图10是一个透视分解图，表示了采用本发明两个搭接法兰所实现的两个管道之间的典型连接。

制造本发明搭接法兰的材料可以是各种类型，取决于所设想的用途和技术要求。

可以用型模铸造或热成形的钢、型模铸造的铸铁或铜、铝或铝合金、填入或未填入增强纤维和/或颗粒的热固性树脂、填入或未填入增强纤维的热塑性树脂、钛以及其它适于法兰应用的材料来制造法兰环状体1。也可以把法兰环状体制成一个复合形式，例如包含金属嵌入物或增强芯的模制塑料。

Claims (6)

1.一种用于连接带法兰管子或管道的搭接法兰，包括一个具有多个孔的环状体形式，靠着管子的法兰端松套在管子上，以及被多个其杆身穿过环状体孔的螺栓拧紧，其特征在于：上述环状体具有一个基本为平的和垂直于环状体轴线的内区，确定了靠在管子法兰端的接合面，并且具有一个截锥或平截棱锥形的外区，具有穿过紧固螺栓杆身的上述多个孔。

2.按照权利要求1的搭接法兰，其中穿过紧固螺栓杆身的每个孔通过一个凸台状的突起，它至少在截锥或平截棱锥区的凹面上。

3.按照权利要求1的搭接法兰，其中上述环状体具有多角形的外周边，上述平截棱锥区被多个孔通过，孔的轴线贯穿环状体平截棱锥区的两面角。

4.按照权利要求1的搭接法兰，其中靠在管子法兰端的接合面具有环形波浪，其峰点与两个相邻孔轴线之间分开距离的中点相一致，其谷点与贯穿上述孔轴线的半径相一致，从接合面的外周边到接合面的内边缘，上述环形波浪的幅值沿径向逐渐减低。

5.按照权利要求4的搭接法兰，其中上述波浪的幅值H满足如下经验关系式：H＝K*P*D*L/(E*B)，这里K是包括在25到120之间的系数，P是管道内压，D是环状法兰的内径，L是法兰两个相邻孔轴线之间的直线距离，E是法兰环状体材料的弹性系数，以及B是法兰平内区的厚度。

6.按照以上权利要求中任何一条的搭接法兰，其中上述环状体的材料属于一组材料，包括铸铁、铜、钢、钛、铝、铝合金、有增强或无增强材料的热固性树脂、以及有增强或无增强材料的热塑性树脂。

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