小口径的PP法兰,一块平板打孔就能用。到了大口径,同样的做法装上去就会翘、会漏。原因在于受力方式随口径变化而变化。

法兰是怎么受力的

法兰的作用是把螺栓的集中力,转化成密封面上均匀分布的压紧力。螺栓在外圈一圈,密封面在内圈一圈,中间隔着法兰盘。这个转化过程本质上是法兰盘在做悬臂弯曲——螺栓把外缘往下压,密封面顶住内缘,法兰盘被弯。

小口径时,螺栓到密封面的距离短,弯矩小,法兰盘本身的刚度足够,变形可以忽略。口径增大以后,这个距离随之增大,弯矩迅速上升,而法兰盘的厚度不可能等比例增加(那样太重太贵),于是变形开始显现。

变形以后会怎样

法兰盘外缘被压下、内缘翘起,整片法兰变成一个浅碟形。后果是:密封面上靠外的部分压得很紧,靠内的部分压不到。而介质恰恰是从内侧来的——压不到的地方就是渗漏的起点。

更糟的是这个过程会自我加剧:漏了以后有人去拧螺栓,越拧变形越大,压不到的区域越大,漏得越厉害。“越紧越漏”就是这么来的。

塑料法兰比钢法兰严重得多,因为PP的弹性模量只有钢的几十分之一,同样的几何尺寸,变形量是一个数量级的差别。

加筋是怎么解决问题的

在法兰盘背面、螺栓孔与管壁之间加径向的三角形加强筋(俗称“筋板”或者“耳板”),把螺栓的压力直接传递到管壁上,绕开了法兰盘的悬臂弯曲。有了筋以后,法兰盘不再是一块单纯被弯的板,而是一个有支撑的结构。

加筋的效果比单纯加厚显著得多。要靠加厚达到同样的刚度,法兰盘厚度要增加很多,重量和材料成本都不划算,而且太厚的塑料件本身的成型质量也难保证。

加筋的几个要点

  • 筋的数量与螺栓对应。常规做法是每两个螺栓之间一块筋,或者每个螺栓对应一块。数量不足,未加筋的区段仍然会变形。
  • 筋要同时焊在法兰盘和管壁上。只焊一边等于没加。两条焊缝的质量都要保证。
  • 筋的高度要够。太矮的筋抗弯贡献有限。一般筋高与法兰外径、盘厚有比例关系,具体按结构定。
  • 筋的根部要圆滑过渡。直角根部是应力集中点,容易起裂。
  • 不要挡住螺栓。筋的位置要避开螺栓孔,并且要给扳手留出操作空间——这一条经常被忘掉,做出来的法兰装不上。

另外两条降低变形的办法

用活套法兰。活套结构的密封由翻边端面承担,法兰盘只提供压紧力,本身不接触介质。而且活套盘可以用金属背环(外面包防腐层或者做防护),刚度问题直接解决。大口径管上这是很常见的做法。

增加螺栓数量、减小间距。螺栓密一点,每个螺栓之间的跨距小,法兰盘的弯曲变形自然减小。这比把单个螺栓拧得更紧有效得多。

安装环节别把好法兰装坏

再好的法兰,紧固方法错了也会变形。塑料法兰必须对角交叉、分三到四遍逐步加力,每一遍的扭矩递增,最后一遍达到规定值。扭矩要用扳手控制,不能凭手感——塑料件的容错区间比钢件小得多。

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