帶壓堵漏技術之法蘭夾具設計

楊懷奇

摘 要：介紹帶壓堵漏技術的法蘭夾具結構，詳細介紹法蘭夾具的設計方法。

關鍵詞：帶壓堵漏；密封；法蘭夾具

中圖分類號： TE969 文獻標識碼： B 文章編號： 1673-1069（2016）35-178-2

1 法蘭夾具結構及計算

石油化工行業中，法蘭處的泄漏是最為常見的。而法蘭夾具的設計合理與否是帶壓堵漏成功與否的關鍵。

1.1 夾具結構

法蘭夾具的基本結構見下圖1。該夾具是由兩個半圓形的構件組成，夾具本體經機械加工而成，耳板與夾具采用焊接形式連接，兩個構件是用螺栓連接在一起，形成一個整體，最終作為法蘭泄漏處的新的密封空腔。

1.2 相關尺寸說明

①夾具的內徑D內：原則上等于泄漏的法蘭外徑，但該尺寸需要通過實際測量確定。因為各生產裝置所用的法蘭標準種類比較多，又由于法蘭制造時的偏差及長期運行造成的金屬材料表面氧化等，都影響法蘭外徑的實際尺寸。所以，夾具的內徑D內必須經現場測量法蘭外徑后確定。

夾具內徑D內與法蘭外徑之間的允許間隙尺寸：包括測量法蘭外徑誤差、夾具制造偏差及其熱膨脹量在內，總的間隙量應控制在0.1～0.5mm范圍內。允許間隙量的大小與系統壓力高低成反比。即系統壓力越高，間隙量應越小。

②夾具的外徑D外，先要計算出夾具的厚度a（后面詳細介紹a的計算公式），D外=D內+2a。

③夾具凸臺內徑d：為了減少空腔的容積和密封劑的消耗量，同時便于安裝夾具，法蘭夾具設計成帶有凸臺的結構。凸臺內徑以不接觸原法蘭螺栓為原則，按實際尺寸確定。具體方法是：測量泄漏法蘭的外邊緣與緊固螺栓之間的最小凈距，然后用法蘭外徑減去該距離的二倍即得到凸臺內徑d的數值。為了得到較準確的數值，需要在泄漏法蘭圓周內測量4～5點，取其中的最大計算尺寸作為凸臺內徑d的最終數值。

④夾具凸臺寬度b：通過對兩片法蘭之間的間隙進行測量后確定。最少在法蘭圓周內測量4～5點，取其中的最小尺寸。

⑤夾具寬度B：以兩片法蘭的間隙尺寸b為基礎，向兩側分別延伸10～20mm。法蘭公稱直徑大，系統壓力高，夾具寬度需要相應的加大。

⑥密封劑注入孔：孔數與孔位的配置應盡量減少密封劑在注入區段內的流動距離、減少擠壓力對夾具的負荷。孔數等于泄漏法蘭的緊固螺栓數。泄漏法蘭有多少個螺栓就配多少個注入孔。一般設M12內螺紋與標準注射閥連接，配鉆φ4mm密封劑通道。夾具上的注入孔在安裝時要放在兩個螺栓之間的位置。

⑦耳板定位：夾具耳板焊接在剖分面上5～10mm處，用來連接兩片法蘭夾具。

⑧夾具厚度a：由后面的強度計算確定。

1.3 夾具計算

1.3.1 受力分析

密封劑在空腔內以最大擠壓力p注作用在夾具的內壁，經多點分別注入后，由局部擠壓力過渡到均勻分布。另外，還有系統壓力以均布載荷同時作用在夾具內壁。由系統壓力和單點擠壓到均布擠壓的合力F可以用以下公式推導。見圖2。

∵ 合力F=dF·sinθ

dF=ds·p=dl·B·p=R中·dθ·B·p

∴ 合力F=R中·dθ·B·p·sinθ=2R中·B·p

=D中·B·p（1）

式中ds：單位角度所對應的面積，單位mm2；

p：單位面積上夾具所承受的壓力（即壓強），單位MPa；

dl：單位角度所對應的弧長，單位mm；

B：夾具寬度，單位mm；

a：夾具厚度，單位mm；

R中：夾具半中徑，單位mm；

D中：夾具中徑，單位mm；

D內：夾具內徑，單位mm。

1.3.2 夾具的緊固螺栓截面計算

夾具是由兩個半圓構件組成的，通過螺栓將兩側耳板連接在一起。假設連接螺栓數目為n條，每條螺栓所承受的拉力為T，則兩側緊固螺栓所承受的總拉力nT應與夾具均布內壓合力F相平衡。

即 nT=F

T=

螺栓截面積A==（2）

式中，[σ]t——螺栓在t℃時的許用應力，單位MPa。

1.3.3 夾具的厚度計算

為了保證夾具具有足夠的強度，應使夾具截面上的應力不高于所用金屬材料的許用應力。

即=≤[σ] （3）

式中，S——夾具的截面積，單位mm2。

把（1）式代入（3）式得≤[σ]（4）

式中，[σ]——金屬材料的許用應力，單位MPa。

如果夾具的各部分不是整體制造，而是由幾塊焊接組成，則許用應力要乘以一個與焊縫結構等有關的焊縫系數?。

（4）式變成≤[σ]·?（5）

把D中=D內+a帶入（5）式，整理可得夾具的厚度a

a=（6）

由于帶溫帶壓封堵泄漏，夾具必然受泄漏介質的溫度影響，因此，應把改成金屬材料在實際工作溫度下的許用應力[σ]t。

最終公式應為a=+C （7）

式中，P——系統壓力或密封劑擠壓力，MPa，按照《中國石油化工總公司帶壓堵漏技術暫行規定》及經驗，P的選取應按照以下原則確定：系統壓力低于7 MPa時，以擠壓力為主，P取7 MPa；系統壓力大于7 MPa時，按系統壓力選取。

D內——夾具內徑，單位mm

[σ]t——t℃夾具材料的許用應力，單位MPa

?——焊縫系數，無單位

C——厚度附加量，單位mm

參 考 文 獻

[1] 鄭新兵.法蘭帶壓堵漏夾具設計淺析[J].石油化工設備技術，2007，01：55-56+61+69-70.

[2] 劉勇.夾具帶壓堵漏技術的應用研究與改進[J].管道技術與設備，2014，06：29-31.