CN106122625A - 一种长颈法兰及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长颈法兰，其包括法兰环、一体连接于法兰环上侧的锥颈、与锥颈顶端一体连接的端部坡口、设于法兰环底面的密封凸台、纵向贯通长颈法兰的内通孔，锥颈的圆锥面与法兰环的相交线向外越过法兰螺母旋转的内侧边缘。通过增加锥颈大端径向厚度，提高法兰刚度，从而提高法兰密封的可靠性。本发明还公开一种长颈法兰设计方法，用于承压设备部件大直径开口处连接法兰的结构设计，与传统法兰设计中在满足强度的基础上尽量减少法兰成品重量的成本理念相比，虽然法兰成品重量有所增加，但法兰毛坯的重量不会增加，毛坯加工成成品的车削量反而减少，不增加法兰的制造成本，更充分利用材料资源，有利于石油化工装置安稳长满优运行。

Description

一种长颈法兰及其设计方法

技术领域

本发明涉及用于石油炼制与化工、煤化工、化肥工业、及其它各种化工、空调、空冷、电力设施的承压设备(例如：锅炉、压力容器、换热器、压力管道、储气瓶等)开口连接的密封技术，特别适用于高温高压工况大开孔长颈法兰及其设计方法。

背景技术

现有的承压设备开口连接的密封技术中，法兰螺栓强制密封系统是应用最为广泛的一种，法兰的结构种类很多，包括有平焊法兰、对焊法兰、长颈法兰、宽面法兰、窄面法兰、反向法兰和圆筒形端部、圆锥形端部、凸缘、换热器管板、盲盖板，还有松套法兰等结构。

现有技术中典型的法兰密封副结构如图1所示，每个法兰一般是由法兰盘11、安装螺栓螺母紧固件的螺栓孔12、颈部13、与承压壳体对接的端部坡口14和垫片15组成。螺栓穿过上下两个法兰的螺栓孔12，螺栓端部上紧螺母，使两个法兰的密封面压紧垫片15，使法兰内部压力p的介质无法通过压紧垫片15及其与法兰之间的密封面流窜到法兰外部。

上述传统结构普遍存在的实际问题是，当使法兰内部介质的压力p、温度T升高或波动时，各种载荷的综合作用使法兰产生箭头所示的张开效应，密封系统松弛，垫片15没有足够的回弹继续保持与法兰密封面的紧密贴合，高温高压介质通过密封面流窜到法兰外部，引发爆炸燃烧事故。由此可见，承压设备开口连接的密封技术是整台设备的关键之一。

从结构行为层面分析，法兰内部介质泄漏的根本原因是：密封系统载荷升高后，法兰发生了偏转，因为结构没有足够的刚性保持原来的形状与法兰密封面继续紧密贴合。

长期以来，人们虽然一直致力于开口连接密封结构的研究，但是主要研究方向在于如何在满足强度的基础上尽量减少长颈法兰成品的重量，从而降低设备成本。这种思路存在的不足主要表现在：一是以应力计算和强度校核为主导，忽略了影响法兰重量的其他因素，过分强调充分利用材料强度的满应力原则，也没有限定法兰的外形尺寸；二是简单化地把法兰成品重量的大小与法兰的价钱挂钩，而现实是法兰的价钱与法兰毛坯重量及其加工成成品的机加工量两个因素关联。

随着装置的大型化、环境保护意识的增强，油品质量的提升需要采取更高温高压下的工艺，装置中起缓冲和储备作用的压力容器减少，反应器和换热器等核心设备的操作难度增大，经常直接受到流体介质压力和温度的波动冲击，原有的设备开口密封结构难以适应新形势的工艺和管理要求，由此可见，针对量大且面广的法兰强制式密封结构，结合存在的问题进行改进，研发一种密封可靠性好、加强密封功能，且结构简单、装卸效率高且成本不增加的长颈法兰，在工程技术领域具有极为深远和重大的意义。

发明内容

本发明的目的之一在于避免现有技术中的不足之处而提供一种结构简单并能够提高刚性且密封性能高效的长颈法兰。同时本发明之二在于提供一种提供法兰刚度保证高效密封性能的长颈法兰设计方法。

本发明的目的之一通过以下技术方案实现：一种长颈法兰，其包括法兰环、一体连接于法兰环上侧的锥颈、与锥颈顶端一体连接的端部坡口、设于法兰环底面的密封凸台、纵向贯通长颈法兰的内通孔，锥颈的圆锥面与法兰环的相交线向外越过法兰螺母旋转的内侧边缘。

作为一种长颈法兰的技术方案的改进：所述锥颈大端设有竖向直身段。

作为一种长颈法兰的技术方案的改进：所述锥颈大端直径与法兰环直径相同。

作为一种长颈法兰的技术方案的改进：所述锥颈设有多个可容纳螺母并与螺母外形适配的沉槽。

作为一种长颈法兰的技术方案的改进：所述法兰环设有多个垂直于底面并开口于底面的螺纹孔，所述螺纹孔是螺纹盲孔或螺纹通孔。

作为一种长颈法兰的技术方案的改进：所述内通孔具有整体式缩口圆锥面或局部的缩口圆锥面；所述缩口圆锥面为单向或双向。

作为一种长颈法兰的技术方案的改进：所述内通孔内壁面或/和锥颈外壁面设有径向延伸的加强筋。

作为一种长颈法兰的技术方案的改进：所述加强筋高度突出于所述端部坡口的顶端面。

本发明的目的之二通过以下技术方案实现：一种长颈法兰设计方法，用于承压设备部件大直径开口处连接法兰的结构设计，在设计过程中，依据法兰设计的最小载荷原则和满应力原则，按标准选用成品法兰的结构尺寸或按强度公式计算校核所设计的合格法兰尺寸，确定法兰的外形尺寸；再按轴向应力更小的原则协调增加锥颈大端的径向厚度和法兰环的径向厚度，或者在确定法兰外径的基础上再增加锥颈大端的径向厚度，或者保持法兰毛坯矩形横截面的宽度和高度不变而增加锥颈大端的径向厚度。

作为一种长颈法兰设计方法的技术方案的改进：在锥颈的外侧预留扳手旋转空间或使用免扳手工艺；所述免扳手工艺包括设置下沉镶嵌式螺母槽取代扳手，或在法兰盘原螺栓穿孔位置对应设置轴向螺纹孔。

本发明的有益效果在于：一种长颈法兰，其包括法兰环、一体连接于法兰环上侧的锥颈、与锥颈顶端一体连接的端部坡口、设于法兰环底面的密封凸台、纵向贯通长颈法兰的内通孔，锥颈的圆锥面与法兰环的相交线向外越过法兰螺母旋转的内侧边缘，即锥颈的圆锥面与法兰环的相交线距离法兰环的外环面小于法兰螺母旋转的内侧边缘轨迹与法兰环外环面的距离，使得锥颈部分更加粗壮，使得法兰本体的刚性得到提高，然后改进紧固件的安装，也即在满足强度的基础上提高法兰的刚度，从而提高法兰密封的可靠性。

本发明的长颈法兰设计方法，用于承压设备部件大直径开口连接法兰的结构设计，通过调整尺寸，改善结构，同时对设计顺序进行改进，形成等一系列技术对策。在法兰的设计过程中，依据法兰设计的最小载荷原则和满应力原则，按标准选用成品法兰的结构尺寸或按强度公式计算校核所设计的合格法兰尺寸，确定法兰的外形尺寸；再按轴向应力更小的原则协调增加锥颈大端的径向厚度和法兰环的径向厚度，或者在确定法兰外径的基础上再增加锥颈大端的径向厚度，或者保持法兰毛坯矩形横截面的宽度和高度不变而增加锥颈大端的径向厚度。设计过程改进紧固件的安装方式，使得锥颈部分更加粗壮，使得法兰本体的刚性得到提高，也即在满足强度的基础上提高法兰的刚度，从而提高法兰密封的可靠性。

与传统法兰设计中在满足强度的基础上尽量减少法兰成品重量的成本理念相比，本发明采用的高刚度调整法只需利用原有的设计软件再次运算，设计简便，虽然设计的法兰成品重量有所增加，但是法兰毛坯的重量不会增加，而且把毛坯加工成成品的车削量反而减少，不会增加法兰的制造成本，更加充分利用材料资源，密封可靠性高的法兰有利于石油化工装置安稳长满优运行，社会效益明显。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是现有技术中的长颈法兰的典型结构示意图。

图2是本发明的一种长颈法兰的第一种结构示意图。

图3是本发明的一种长颈法兰的第二种结构示意图。

图4是本发明的一种长颈法兰的第三种结构示意图。

图5是本发明的一种长颈法兰的第四种结构示意图。

图6和图7是本发明的一种长颈法兰的第五种结构示意图。

图8是本发明的一种长颈法兰的第六种结构示意图。

图9是本发明的一种长颈法兰的第七种结构示意图。

图10是本发明的一种长颈法兰的第八种结构示意图。

图11和图12是本发明的一种长颈法兰的第九种结构示意图。

图13和图14是本发明的一种长颈法兰的第十种结构示意图。

图15是本发明的一种长颈法兰的第十一种结构示意图。

图16是本发明的一种长颈法兰的第十二种结构示意图。

图17是本发明的一种长颈法兰的第十三种结构示意图。

在上述附图中包括有：11——法兰盘、12——螺栓孔、13——颈部、14——端部坡口、15——垫片，16——密封面凸台、17——螺母支承垫、18——内壁局部高度圆锥面、19——内壁整体高度圆锥面、20——缩口双锥面、21——内加强筋、22——圆筒体、23——外加强筋、24——下沉式螺母支承面、25——螺纹盲孔、26——盲板盖或换热器管板、27——螺母、28——螺栓、29——密封垫片、30——螺纹通孔。

P——承压设备内介质的压力，D_o——法兰外径，D_i——法兰内径，δ₁——法兰锥颈大端厚度，δ′₁——法兰锥颈大端增厚后的厚度，δ₀——法兰锥颈小端厚度，M——法兰外力矩，[σ]——法兰材料设计温度下的许用应力，h——法兰锥颈高度，δ_f——法兰盘的厚度，δ′_f——法兰盘增厚后的厚度。

x₁、x₂、x₃、y₁、y₂、y₃、z₁、z₂、z₃都是长颈法兰上各种法兰颈大端与法兰环结构上的交点。

具体实施方式

参考图2～图5所示，图中展示了本发明的一种长颈法兰，其包括法兰环、一体连接于法兰环上侧的锥颈、与锥颈顶端一体连接的端部坡口、设于法兰环底面的密封凸台、纵向贯通长颈法兰的内通孔，锥颈的圆锥面与法兰环的相交线向外越过法兰螺母旋转的内侧边缘，即锥颈的圆锥面与法兰环的相交线距离法兰环的外环面小于法兰螺母旋转的内侧边缘轨迹与法兰环外环面的距离，使得锥颈部分更加粗壮，使得法兰本体的刚性得到提高，然后改进紧固件的安装，也即在满足强度的基础上提高法兰的刚度，从而提高法兰密封的可靠性。

本发明同时通孔了一种长颈法兰设计方法，用于承压设备部件大直径开口处连接法兰的结构设计，通过调整尺寸，改善结构，同时对设计顺序进行改进，形成等一系列技术对策。在法兰的设计过程中，依据法兰设计的最小载荷原则和满应力原则，按标准选用成品法兰的结构尺寸或按强度公式计算校核所设计的合格法兰尺寸，确定法兰的外形尺寸；再按轴向应力更小的原则协调增加锥颈大端的径向厚度和法兰环的径向厚度，或者在确定法兰外径的基础上再增加锥颈大端的径向厚度，或者保持法兰毛坯矩形横截面的宽度和高度不变而增加锥颈大端的径向厚度。通过调整尺寸，改善结构，同时对设计顺序进行改进，形成等一系列技术对策。设计过程改进紧固件的安装方式，使得锥颈部分更加粗壮，使得法兰本体的刚性得到提高，也即在满足强度的基础上提高法兰的刚度，从而提高法兰密封的可靠性。

与传统法兰设计中在满足强度的基础上尽量减少法兰成品重量的成本理念相比，本发明采用的高刚度调整法只需利用原有的设计软件再次运算，设计简便，虽然设计的法兰成品重量有所增加，但是法兰毛坯的重量不会增加，而且把毛坯加工成成品的车削量反而减少，不会增加法兰的制造成本，更加充分利用材料资源，密封可靠性高的法兰有利于石油化工装置安稳长满优运行，社会效益明显。

进一步地，在锥颈的外侧预留扳手旋转空间或使用免扳手工艺；所述免扳手工艺包括设置下沉镶嵌式螺母槽取代扳手，或在法兰盘原螺栓穿孔位置对应设置轴向螺纹孔。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本发明的一种长颈法兰设计方法的具体实施方式之一，用于承压设备部件开口之间连接的密封结构，长颈法兰的结构参考图2所示，包括11——法兰盘(即是法兰环)、12——螺栓孔、13——颈部、14——端部坡口、16——密封凸台。

本发明的设计步骤如下：

(1)影响毛坯重量的主要结构尺寸分析。参考图2，其端部坡口14是与圆筒体组焊的必需结构，密封凸台16是与垫片装配的必需结构，因此，法兰毛坯截面范围如图中右半侧的矩形虚线所示，毛坯截面的宽度约为法兰外径D_o与法兰内径D_i之差的一半，即0.5(D_o-D_i)，法兰内径D_i是与圆筒体组焊的必需结构，法兰外径D_o主要通过垫片设计和螺栓的布置来决定，因此，不考虑端部坡口14和余留的机加工余量等因素的话，环形毛坯重量横截基本面积A为宽与高相乘

A＝0.5(D_o-D_i)(h+δ_f) (1)

环形毛坯截面中心直径

D＝D_i+0.5(D_o-D_i)＝0.5(D_o+D_i) (2)

环形毛坯基本体格

$\begin{array}{c}V=0.5\mathrm{\π}(D_o+D_i)\×A=0.5\mathrm{\π}(D_o+D_i)\×0.5(D_o-D_i)(h+{\mathrm{\δ}}_f)\\ =0.25\mathrm{\π}(D_o^2-D_i^2)(h+{\mathrm{\δ}}_f)\end{array}---\left(3\right)$

环形毛坯基本重量等于环形毛坯基本体格与钢材比重的乘积。

综合前面和式(3)的分析，影响毛坯重量的主要结构尺寸是毛坯宽度中的法兰外径D_o，毛坯截面的高度中的法兰锥颈高度h和法兰盘的厚度δ_f(法兰的有效厚度)等三个尺寸。

(2)法兰锥颈大端厚度δ₁设计。在按GB 150.3-2011《压力容器》中表7-5整体法兰计算表设计时，没有给出法兰锥颈大端厚度的设计指引，这里引入《化工容器及设备》(余国琮，化学工业出版社，1980)中的式(5-46)计算：

${\mathrm{\δ}}_1=7\sqrt{\frac{M}{D_i\[\mathrm{\σ}\]}}---\left(4\right)$

其中，以调整尺寸为主要内容，式中，δ₁是法兰锥颈大端厚度，mm；M是法兰外力矩，N·mm；D_i是法兰内径，mm；[σ]是法兰材料设计温度下的许用应力，MPa。

(3)法兰外径D_o设计。传统的设计观念是“先厚度δ₁再外径D_o”的设计。在法兰锥颈大端厚度δ₁已确定的前提下，法兰外径D_o主要通过垫片设计和螺栓的布置来决定，其中包含了法兰所受力矩的最小载荷设计原则，也就是垫片材料选择及垫片结构设计要使垫片所需的密封压力要尽可能小，而螺栓的布置要使法兰环所受作用力的力臂要尽可能短。

(4)按传统的标准方法校核应力。设计法兰锥颈高度h可按GB 150.3-2011《压力容器》中表7-5整体法兰计算表中的公式：

h≥1.5δ₀

可先取等号再经后续计算验证。式中，h是法兰锥颈高度，mm；δ₀是法兰锥颈小端厚度，mm，是与圆筒体组焊的必需结构，一般取与圆筒体等壁厚。

法兰盘的厚度δ_f则采用先假设，后经应力计算来验证，使法兰的轴向应力、径向应力、切向应力以及它们的组合应力分别满足许用应力的要求，并经过调整使各项应力接近各自的许用应力，以实现满应力设计。

(5)按传统方法判断法兰锥颈结构。计算(δ₁-δ₀)/h，是否大于1﹕3。否则，增调δ₁。即便略大于1﹕3，也可尝试增调δ₁。

(6)协调法兰锥颈结构一。增调δ₁为δ′₁后，法兰锥颈大端与法兰盘的交点由原来的y₁移到y₂点，这会妨碍紧固螺母和上紧扳手的旋转，因此应调整法兰盘的厚度δ_f增加为δ′_f，使调整后法兰锥颈大端与法兰盘的交点变为y₃，保持原有的扳手空间。此处提出了设计方法的创新。

重新对调整尺寸后的法兰进行应力计算校核，使法兰的轴向应力、径向应力、切向应力以及它们的组合应力分别满足许用应力的要求，但是不一定要使各项应力接近各自的许用应力，不再强求满应力设计。

此外，借助上述设计方法，可以设计出本发明的一种刚性更佳的长颈法兰，该长颈法兰通过实施例4及其后的实施例对其结构作进一步改进。

实施例2

本发明的一种长颈法兰设计方法的具体实施方式之二，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。参考图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，具体的，增调法兰盘的厚度δ_f增加为δ′_f后，法兰锥颈大端与法兰盘的交点由原来的x₁移到x₂点，这会妨碍紧固螺母和上紧扳手的旋转，因此应调整法兰锥颈大端δ₁为δ′₁，使调整后法兰锥颈大端与法兰盘的交点变为x₃，保持原有的扳手空间，是设计方法的一种创新。

重新对调整尺寸后的法兰进行应力计算校核，使法兰的轴向应力、径向应力、切向应力以及它们的组合应力分别满足许用应力的要求，但是不一定要使各项应力接近各自的许用应力，不再强求满应力设计。

实施例3

本发明的一种长颈法兰设计方法的具体实施方式之三，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。参考图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，具体的，初步设计法兰锥颈大端与法兰盘的交点为z₁，法兰环毛坯横截面的外环面顶角为z₂，沿着z₁z₂线把z₁移至z₃，使法兰锥颈大端由δ₁增加为δ′₁的同时，法兰盘的轴向厚度由δ_f增加为δ′_f，这有可能无法保持原有的扳手空间，会妨碍紧固螺母和上紧扳手的旋转，可通过单头螺栓解决问题，单头螺栓的螺栓头部与支承面配合后不需要旋转，不需要大的旋转空间和扳手空间。这是设计方法的另一种创新。

重新对调整尺寸后的法兰进行应力计算校核，使法兰的轴向应力、径向应力、切向应力以及它们的组合应力分别满足许用应力的要求，但是不一定要使各项应力接近各自的许用应力，不再强求满应力设计。

实施例4

本发明的一种长颈法兰的具体实施方式之二，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，具体的，如图5所示，法兰环是一个带有台阶的圆环，即锥颈大端设有竖向直身段，法兰锥颈大端与外径较小的法兰环等宽度相接于z₃，外径较大的法兰环作为螺栓的支承垫。法兰盘的厚度由δ_f增加为δ′_f，而法兰锥颈大端δ₁不变，保持原有的扳手空间。这是改善结构为主要内容的另一个设计创新。

实施例5

本发明的一种长颈法兰的具体实施方式之三，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，具体的，所述法兰螺栓孔配有螺母支承垫。其中：所述法兰螺栓孔配有螺母支承垫。如图6所示的支承垫是每个螺栓孔都单独配置一个支承垫，支承垫的俯视图见图7，该支承垫俯视图外形是矩形的，其外形也可以设计成圆形的，还可以把各个螺栓孔的支承垫化零为整设计成相互连接成一个整圆的。

实施例6

本发明的一种长颈法兰的具体实施方式之四，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，具体的，如图15所示；所述法兰锥颈大端和法兰环等宽度，即所述锥颈大端直径与法兰环直径相同，并且所述锥颈设有多个可容纳螺母并与螺母外形适配的沉槽，即在法兰锥颈上设计下凹式螺母支承面24，下凹的最浅深度等于螺母的厚度，下凹的宽度等于螺母的宽度，利用下凹部位的壁面作为呆扳手。

该结构最大程度放大了法兰锥颈大端的宽度，保留更多的原材料，所取得的强度和刚度显著提高。该结构适用于与盲板盖或换热器管板26相配合的结构，其设计宜采用有限元分析方法进行，其制造要保证螺母支承面与法兰密封面平行，缺点之二也是下凹部位底部的螺母支承面加工困难，要采用铣削机加工工艺。

同时，作为本发明的长颈法兰设计方法的另一创新就是对传统设计观念的改进，与实施例1中(3)传统的“先厚度δ₁再外径D_o”的设计观念存在区别，采用“先外径D_o再厚度δ₁”的顺序倒置设计新理念。主要结合内径和垫片设计以及螺栓的布置来先决定一个法兰外径D_o，然后再反过来校核确定法兰锥颈大端厚度δ₁，如果按传统结构无法满足要求，则通过法兰锥颈大端和法兰环等宽度的新结构来解决问题，具体创新之处分别在实施例6、实施例7、实施例8中体现。

与调整尺寸及改善结构的创新方法相比，此处的设计方法创新中已同时包含有设计顺序的理念创新和结构创新。

实施例7

本发明的一种长颈法兰的具体实施方式之五，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，具体的，如图16所示，所述法兰锥颈大端和法兰环等宽度，并且在法兰锥颈上设计螺纹盲孔25，螺纹的深度不小于螺母的厚度；即所述法兰环设有多个垂直于底面并开口于底面的螺纹孔，所述螺纹孔是螺纹盲孔，并采用单头螺栓一端旋接与该螺纹盲孔。

该结构最大程度放大了法兰锥颈大端的宽度，保留最多的原材料，所取得的强度和刚度最大化。该结构适用于与盲板盖或换热器管板26相配合的结构，其设计宜采用有限元分析方法进行，其制造过程需要保证螺纹孔中心线与法兰密封面垂直。盲板盖或换热器管板26通过螺栓28和螺母27锁定连接于法兰盘11，并通过密封垫片29实现与密封面凸台16之间密封对接。

实施例8

本发明的一种长颈法兰的具体实施方式之六，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，具体的，如图17所示；所述法兰锥颈大端和法兰环等宽度，并且在法兰锥颈上设计螺纹通孔30，螺纹的深度不小于螺母的厚度，即所述法兰环设有多个垂直于底面并开口于底面的螺纹孔，所述螺纹孔是螺纹通孔，并采用单头螺栓一端旋接与该螺纹通孔。

该结构最大程度放大了法兰锥颈大端的宽度，保留较多的原材料，所取得的强度和刚度最大化。该结构适用于与盲板盖或换热器管板26相配合的结构，其设计宜采用有限元分析方法进行，其制造关键是要保证螺纹孔中心线与法兰密封面垂直。

进一步地，所述内通孔具有整体式缩口圆锥面或局部的缩口圆锥面；所述缩口圆锥面为单向或双向。缩口圆锥面是开口处向中段位置逐渐缩小的圆锥面。单向缩口圆锥面设于锥颈小端或圆锥面大端位于内通孔顶端，可以是局部，也可以是内通孔整体内壁面。另一种形式是内通孔两端开口双向设有缩口圆锥面，均为开口处直径大，并向内逐渐缩小；可以中间具有直身段。具体实施例如实施例9和10。

实施例9

本发明的一种长颈法兰的具体实施方式之七，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，具体的，所述法兰内圆壁面带有缩口圆锥面。缩口圆锥面相当于从内壁方向增加法兰颈大端的厚度，内壁局部高度圆锥面18结构如图8所示，内壁整体高度圆锥面19结构如图9所示。缩口圆锥面也可以设计成缩口段和非缩口段圆滑过渡的弧面或曲线面。这种内壁直径变化的法兰其设计宜采用有限元分析方法进行。其虽然增加毛坯的重量，但是与扩大外径或增加高度相比，该方法论所增加的毛坯重量相对较少。

该种内壁结构的法兰可应用于大型换热器的管箱。

实施例10

本发明的一种长颈法兰的具体实施方式之八，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，具体的，如图10所示，所述法兰内圆壁面带有缩口双锥面20。缩口圆锥面相当于从内壁方向增加法兰颈大端的厚度。由于内压作用下法兰环的偏转使得厚度靠近锥颈的部分直径增大而受到拉应力作用，而厚度靠近法兰口密封面的部分直径缩小而受到压应力作用，因此，法兰口拐角处设计成喇叭口也是一种合理的结构。缩口圆锥面也可以设计成缩口段和非缩口段圆滑过渡的弧面或曲线面。

这种内壁直径变化的法兰其设计宜采用有限元分析方法进行。该种内壁结构的法兰可应用于大型换热器的管箱。

进一步地，所述内通孔内壁面或/和锥颈外壁面设有径向延伸的加强筋。具体参考实施例11和实施例12。

实施例11

本发明的一种长颈法兰的具体实施方式之九，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，具体的，如图11和图12所示，所述法兰内圆壁面设置有轴向加强筋。所述加强筋高度突出于所述端部坡口的顶端面。内加强筋可延伸至与法兰组焊的圆筒体段，内加强筋与法兰及圆筒体22内壁组焊可提高法兰锥颈13和法兰环11的抗转动刚度，内加强筋21等效折算为法兰及圆筒体22内壁的壁厚增加，对于大直径法兰可以相对较少的内筋板金属取得较好的强度和刚度效果，避免法兰毛坯重量的明显增加。

这种内壁带加强筋的法兰可应用于大型换热器的管箱，其设计宜采用有限元分析方法进行，其尺寸大小不应阻碍人员进出内部检修，其材料应具有可焊性并容易施焊，还要避免介质腐蚀，其原料可由各种钢板边角料拼合而成。

内加强筋与法兰及圆筒体内壁的组焊应通过筋板开坡口全焊透，以免开口缝隙引起腐蚀，闭口缝隙内的气体受操作热膨胀引起附加应力。如果内加强筋组焊后需要进行消除焊接应力热处理，则法兰的密封面应在该热处理后再精加工。

内壁加强筋会减少法兰内的流通面积，但是这对于大直径法兰连接的流通效果影响很小，当流体经过这些筋板之后，很快就会恢复原来的流通面积和流速。

实施例12

本发明的一种长颈法兰的具体实施方式之十，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，具体的，如图13和图14所示，所述法兰锥颈段外壁面设置有纵向加强筋，即外加强筋23。外加强筋23可延伸至与法兰组焊的圆筒体段，外加强筋23与法兰及圆筒体内壁组焊可提高法兰锥颈13和法兰环11的抗转动刚度，外加强筋23等效折算为法兰及圆筒体内壁的壁厚增加，对于大直径法兰可以相对较少的外筋板金属取得较好的强度和刚度效果，避免法兰毛坯重量的明显增加。

这种带外加强筋23的法兰其设计宜采用有限元分析方法进行，其尺寸大小不应阻碍螺栓螺母紧固件的装拆，其材料具有可焊性并容易施焊即可。外加强筋与法兰及圆筒体外壁的组焊不必开坡口全焊透，只需定位焊即可，但是焊缝应留有开口，以免闭口缝隙内的气体受操作热膨胀引起附加应力。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种长颈法兰，其特征在于：包括法兰环、一体连接于法兰环上侧的锥颈、与锥颈顶端一体连接的端部坡口、设于法兰环底面的密封凸台、纵向贯通长颈法兰的内通孔，锥颈的圆锥面与法兰环的相交线向外越过法兰螺母旋转的内侧边缘。

2.根据权利要求1所述的一种长颈法兰，其特征在于：所述锥颈大端设有竖向直身段。

3.根据权利要求1所述的一种长颈法兰，其特征在于：所述锥颈大端直径与法兰环直径相同。

4.根据权利要求3所述的一种长颈法兰，其特征在于：所述锥颈设有多个可容纳螺母并与螺母外形适配的沉槽。

5.根据权利要求3所述的一种长颈法兰，其特征在于：所述法兰环设有多个垂直于底面并开口于底面的螺纹孔，所述螺纹孔是螺纹盲孔或螺纹通孔。

6.根据权利要求1所述的一种长颈法兰，其特征在于：所述内通孔具有整体式缩口圆锥面或局部的缩口圆锥面；所述缩口圆锥面为单向或双向。

7.根据权利要求1所述的一种长颈法兰，其特征在于：所述内通孔内壁面或/和锥颈外壁面设有径向延伸的加强筋。

8.根据权利要求7所述的一种长颈法兰，其特征在于：所述加强筋高度突出于所述端部坡口的顶端面。

9.一种长颈法兰设计方法，用于承压设备部件大直径开口处连接法兰的结构设计，其特征在于：依据法兰设计的最小载荷原则和满应力原则，按标准选用成品法兰的结构尺寸或按强度公式计算校核所设计的合格法兰尺寸，确定法兰的外形尺寸；再按轴向应力更小的原则协调增加锥颈大端的径向厚度和法兰环的径向厚度，或者在确定法兰外径的基础上再增加锥颈大端的径向厚度，或者保持法兰毛坯矩形横截面的宽度和高度不变而增加锥颈大端的径向厚度。

10.根据权利要求9所述的一种长颈法兰设计方法，其特征在于：在锥颈的外侧预留扳手旋转空间或使用免扳手工艺；所述免扳手工艺包括设置下沉镶嵌式螺母槽取代扳手，或在法兰盘原螺栓穿孔位置对应设置轴向螺纹孔。