專利名稱：自由法蘭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種搭接法蘭，用于連接管路的帶法蘭管道。
在很多情形中，采用所謂的搭法蘭或自由法蘭來替代在管端永久焊接的連接法蘭，建立兩個管道端部的防漏搭接連接，或者一個管道與流體出入口的帶法蘭或擴口管接頭、或與如閥門、泵之類其它帶法蘭部件的防漏搭接連接。
也稱為自由或浮動法蘭的這類法蘭特別適用于傳送煙氣、氣體混合物、強迫通風(fēng)空氣、液體、懸浮液和其它流體的管路和低壓管道，往往采用鋼板、波紋鋼板、塑料、纖維增強樹脂、硫化橡膠之類的較輕型管子制成，當(dāng)然可用于和實際上也用于高壓管路。
搭接或自由法蘭的應(yīng)用特別適用于如不銹鋼、鈦之類較昂貴材料制成的管路情形中，需要對流經(jīng)管子的流體防腐蝕。這是由于可以用不太貴的材料來制造與流體不直接接觸的搭接法蘭。
一般說，在管端焊接一個平焊環(huán)之前，搭接法蘭松套在管道上。
在這些管路中，管道的端“法蘭”往往是一個焊在管端與管道材料相同的較窄平焊環(huán)。
在由薄壁管制成的較低壓管道中，可以采用適當(dāng)工具對管端擴口來產(chǎn)生管子的端法蘭，它產(chǎn)生擴口并最終彎曲和展平成這種端法蘭密封面。
這些管道或管子的焊接環(huán)或端法蘭上沒有孔，徑向?qū)挾容^小，并且在許多情形下它們具有的固有剛度不足以保證法蘭對插在管子端法蘭和另外管子或管接頭端法蘭之間墊圈的液壓密封。在這些應(yīng)用中，搭接法蘭除了提供用于緊固連接的螺栓或拉桿的固定之外，還必須考慮管子端部擴口堅固性的不足。
搭接法蘭可以用被它們松套在上面的管道(管道上設(shè)有平焊環(huán)或端部擴口)的相同材料制成，但更經(jīng)常地是它們用不同的材料制成，通常是比管道材料便宜的材料，其機械特性適于作為一個可承受應(yīng)力的元件，最好可在型模中成形，并具有適當(dāng)?shù)某叽绶€(wěn)定性和剛度特性。
除了常見的減少重量的要求之外，暴露室外的氣候條件，或在特定使用環(huán)境中的抗腐蝕要求，均是正確選擇搭接法蘭構(gòu)造材料的其它考慮因素。
搭接法蘭一般由一個環(huán)狀體構(gòu)成，環(huán)狀體具有一個尺寸適于容許搭接法蘭在管子或管道上松套的孔，以及多個用于緊固螺栓桿身的孔。
環(huán)狀體內(nèi)部的大多數(shù)區(qū)域靠在管道的端環(huán)或擴口上，把它推向插入的墊圈上，并且依靠擰緊穿過搭接法蘭和聯(lián)接法蘭孔的螺栓或拉桿來聯(lián)結(jié)法蘭，孔沿著墊圈周邊和管道端環(huán)或擴口區(qū)周邊之外的圓周均勻間隔。
通常，搭接法蘭是平的，環(huán)繞通過管道的中心孔可以設(shè)有一個柱形環(huán)，并且具有一定數(shù)目的孔，用于穿過緊固螺栓或拉桿的桿身。
它們往往用鍛造來制造，更常見的是在型模中模制或鑄造。
一般說，制造搭接法蘭的鍛造和模制技術(shù)容許得到基本上完成的產(chǎn)品，不需要任何另外的機械加工。
剛度是搭接法蘭的一個突出的機械特性。
特別是在由于管子本身的端部擴口固有剛度不足而需要法蘭提供對填實連接剛度的應(yīng)用中，為了保持防漏的連接，搭接法蘭的正確機械尺寸變得很重要。載荷下的位移必須保持在非常嚴(yán)格的范圍內(nèi)，以防止在關(guān)鍵部位的泄漏，這通常在相鄰法蘭孔之間分開距離的中間可以識別到。
在離開穿過搭接法蘭孔的螺栓或拉桿施加緊固力的點最遠(yuǎn)的點上，內(nèi)壓傾向于彎曲管子端部擴口或焊在管端的環(huán)。
一個方案是增加孔數(shù)(即減少相鄰孔之間的距離)，因而增加螺栓或拉桿的數(shù)目，另一個方案是增加搭接法蘭的截面積來提高剛度和抗彎曲能力，同時采用較少數(shù)目的孔和螺栓，對兩種方案之間的選擇具有優(yōu)化的準(zhǔn)則。
與這個現(xiàn)有技術(shù)相比較，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種方法來顯著提高剛度和保證防漏密封的能力，而不需要明顯增加搭接法蘭的厚度和整個重量，從而容許更有效地優(yōu)化沿管路的搭接連接，甚至每個連接的螺栓或拉桿數(shù)目。
一種特定的搭接法蘭幾何構(gòu)形達(dá)到了這個重要的結(jié)果。與已知的構(gòu)形不同，法蘭的環(huán)狀體由一個內(nèi)區(qū)和一個外區(qū)所確定，內(nèi)區(qū)基本上為平的并垂直于環(huán)狀體軸線，從而確定了一個靠在管子擴口端或焊接端環(huán)上的基本平的接合面，外區(qū)具有穿過緊固螺栓或拉桿的桿身的孔，具有截錐或平截棱錐形狀。
通過大致為柱形的凸臺狀突起形成了穿過緊固螺栓的孔，孔從法蘭體外區(qū)的截錐或平截棱錐凹面延伸?？蛇m當(dāng)確定成形或鑄造法蘭的型模形狀來提供這些突起或凸臺。這些柱形突起或凸臺的功能一方面是提供垂直于法蘭軸線的平端面來支承緊固螺母或緊固螺栓頭，以及改進法蘭環(huán)狀體的截錐或平截棱錐區(qū)域的應(yīng)力分布。
在平截棱錐形情形中，這些凸臺狀的突起(緊固螺栓的桿身穿過它的中心孔)被形成沿著法蘭環(huán)形體的平截棱錐區(qū)中凹面的兩面角，并在整體上增強了法蘭的環(huán)形體。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，被螺栓施加緊固力的搭接法蘭外區(qū)的截錐或平截棱錐形狀明顯改進了剛度特性，這意味著與先前技術(shù)的相似厚度和/或重量的基本平搭接法蘭相比較，對同樣緊固載荷減少了彎曲度(定義為法蘭最外邊對連接的另一個法蘭最外邊的彎曲度)。這些提高剛度的有利特征容許本發(fā)明的搭接法蘭性能可以與同樣構(gòu)造材料的較大厚度和重量的常規(guī)平法蘭相比。
即使為了在同樣保證防漏密封的性能下優(yōu)化用于連接的螺栓或拉桿數(shù)目，也可以花費”本發(fā)明搭接法蘭提高的剛度。
按照本發(fā)明的另一個特性，可以進一步提高這種即使用較少緊固螺栓數(shù)目也可保持防漏密封的能力，為此把靠在管道法蘭端的較平的環(huán)狀法蘭內(nèi)區(qū)表面做成環(huán)形波浪，其峰點與圓扇形段(由貫穿兩個相鄰緊固螺栓孔軸線的半徑所確定)的中點相一致，其谷點與貫穿法蘭孔(緊固螺栓的桿身穿過其中)軸線的半徑相一致。這種法蘭接合面的輕微環(huán)形波浪沿徑向不具有相同的幅值。
其幅值在靠近法蘭接合面的外周邊為最大并逐漸降低，接近法蘭接合面的內(nèi)邊緣，即法蘭中心孔圓周時實際變?yōu)榱恪?br> 這種輕微環(huán)形波浪的效果使得由于緊固連接施加在墊圈上的壓力更均勻，實際上補償了搭接法蘭的剩余柔度和避免了在緊固螺栓附近墊圈材料的過大載荷(與離它最遠(yuǎn)的部位相比)。環(huán)形波浪和它向著法蘭接合面外區(qū)的升高造成了墊圈的均勻擠壓，保證了即使在內(nèi)壓限制條件下防漏密封的增強。


圖1，2和3是本發(fā)明四孔搭接法蘭的平面視圖、沿截面軸線A和B的剖視圖和放大視圖。
圖4，5和6是本發(fā)明八孔法蘭的平面視圖、沿截面軸線A和B的剖視圖和放大視圖。
圖7，8和9是本發(fā)明平截棱錐形法蘭的平面視圖、剖視圖和放大視圖。
圖10是采用本發(fā)明一對搭接法蘭的管道連接的三維分解圖。
附圖表示了本發(fā)明搭接法蘭的幾個重要實施例。顯然它們不完全包括所有可能的實施例。為了易于交叉參照，在所有圖中同樣的功能零件采用同樣的標(biāo)號。
參照圖1、2和3，本發(fā)明的搭接法蘭在適當(dāng)形狀的型模中模制而成，并且可以用模制工藝制造而基本上不需任何后續(xù)的機械加工。
法蘭的環(huán)狀體1由一個內(nèi)區(qū)2和一個外區(qū)4所確定，內(nèi)區(qū)2基本上為平的，確定了一個靠在管道或管子焊接端環(huán)或擴口端上的接合面3，通常它是平的，但最好是有輕微波浪形，其方式將在后面作更詳細(xì)描述，外區(qū)4在所示例子中具有截錐形狀，它與環(huán)狀體的平內(nèi)區(qū)2相匯合。
在法蘭體的截錐區(qū)中具有四個用于穿過緊固螺栓或拉桿桿身的孔5，每個孔通過由環(huán)狀體模制工藝確定的大致為柱形的凸臺狀突起。
在所示實施例中，柱形凸臺除了從法蘭體截錐區(qū)的凹面突出，也從其凸面突出，雖然可以限制它們僅存在于凹面，從而提供了一個垂直于法蘭軸線的適當(dāng)表面，可以支承螺栓頭或緊固螺母。
按照本發(fā)明法蘭的一個優(yōu)先的、雖然是次要的特性，垂直于法蘭軸線靠在管子的擴口端或焊于管端的平焊環(huán)上的接合面3不完全為平的，而具有輕微的環(huán)形波浪，峰點被夸大描繪在圖2中并用字母P指示，它與圓扇形段(它由貫穿法蘭兩個相鄰孔軸線的兩條半徑所確定)的中間位置(圖1中B)相一致。谷點與貫穿孔軸線的半徑(圖1中A)相一致。
環(huán)形波浪的幅值沿徑向不是常數(shù)。環(huán)形波浪的幅值在相應(yīng)或靠近法蘭接合面3的最外邊為最大并逐漸降低，在接近法蘭接合面3的最內(nèi)邊緣之前或附近時變?yōu)榱恪－h(huán)形波浪的幅值可以在法蘭接合面3的最內(nèi)邊緣上，或者相應(yīng)于法蘭接合面3的最外半徑和最內(nèi)半徑之間的中間半徑上變?yōu)榱恪?br> 在圖3的詳細(xì)視圖上可以看到，沿軸線B本身一個觀察點看到的圖1軸線B附近的波浪外形。
不管是管子擴口端具有不足的剛度，還是管道具有本身基本為剛性的焊接端環(huán)，本發(fā)明的搭接法蘭接合面3的輕微波浪補償了法蘭體在應(yīng)力作用下的剩余柔度，即緊固點之間的位移，從而使得搭接連接的彈性墊圈的壓縮盡可能均勻。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，法蘭接合面3的環(huán)形波浪幅值H在第一級近似中應(yīng)該滿足經(jīng)驗關(guān)系式H＝K*P**D*L/(E*B)，這里K是包括在25到120之間的系數(shù)，P是管道中流體的壓力，D是搭接法蘭的內(nèi)徑，L是法蘭兩個相鄰孔軸線之間的距離，E是法蘭環(huán)狀體材料的彈性系數(shù)，以及B是在法蘭平面區(qū)中的法蘭厚度。
圖4、5和6表示了具有八個孔的法蘭實施例。
圖7、8和9表示了本發(fā)明八個孔法蘭的替代實施例，其特征在于具有一個八角形狀和法蘭體外區(qū)4是一個替代了截錐形的平截棱錐形。按照這個替代實施例，穿過用于緊固螺栓桿身的孔的凸臺6被形成與法蘭環(huán)狀體平截棱錐區(qū)的八個兩面角相一致。由于存在沿著每個兩面角的柱形凸臺而增強了結(jié)構(gòu)的兩面角，因此這個幾何構(gòu)形顯示出非常好的剛性。
當(dāng)然，可以形成進一步增強本發(fā)明法蘭環(huán)狀體截錐或平截棱錐區(qū)的加強肋，例如連接相鄰柱形凸臺的肋。
即使在這種情形，靠在管子擴口端或管端焊接環(huán)上的法蘭1的接合面3，可以有利地提供如上述的環(huán)形波浪來改進墊圈壓縮的均勻性以及有助于即使在管路內(nèi)壓限制條件下提高保持密封的能力。
圖10是一個透視分解圖，表示了采用本發(fā)明兩個搭接法蘭所實現(xiàn)的兩個管道之間的典型連接。
制造本發(fā)明搭接法蘭的材料可以是各種類型，取決于所設(shè)想的用途和技術(shù)要求?？梢杂眯湍ｈT造或熱成形的鋼、型模鑄造的鑄鐵或銅、鋁或鋁合金、填入或未填入增強纖維和/或顆粒的熱固性樹脂、填入或未填入增強纖維的熱塑性樹脂、鈦以及其它適于法蘭應(yīng)用的材料來制造法蘭環(huán)狀體1。也可以把法蘭環(huán)狀體制成一個復(fù)合形式，例如包含金屬嵌入物或增強芯的模制塑料。
權(quán)利要求
1.一種用于連接帶法蘭管子或管道的搭接法蘭，包括一個具有多個孔的環(huán)狀體形式，靠著管子的法蘭端松套在管子上，以及被多個其桿身穿過環(huán)狀體孔的螺栓擰緊，其特征在于上述環(huán)狀體具有一個基本為平的和垂直于環(huán)狀體軸線的內(nèi)區(qū)，確定了靠在管子法蘭端的接合面，并且具有一個截錐或平截棱錐形的外區(qū)，具有穿過緊固螺栓桿身的上述多個孔。
2.按照權(quán)利要求1的搭接法蘭，其中穿過緊固螺栓桿身的每個孔通過一個凸臺狀的突起，它至少在截錐或平截棱錐區(qū)的凹面上。
3.按照權(quán)利要求1的搭接法蘭，其中上述環(huán)狀體具有多角形的外周邊，上述平截棱錐區(qū)被多個孔通過，孔的軸線貫穿環(huán)狀體平截棱錐區(qū)的兩面角。
4.按照權(quán)利要求1的搭接法蘭，其中靠在管子法蘭端的接合面具有環(huán)形波浪，其峰點與兩個相鄰孔軸線之間分開距離的中點相一致，其谷點與貫穿上述孔軸線的半徑相一致，從接合面的外周邊到接合面的內(nèi)邊緣，上述環(huán)形波浪的幅值沿徑向逐漸減低。
5.按照權(quán)利要求4的搭接法蘭，其中上述波浪的幅值H滿足如下經(jīng)驗關(guān)系式H＝K*P*D*L/(E*B)，這里K是包括在25到120之間的系數(shù)，P是管道內(nèi)壓，D是環(huán)狀法蘭的內(nèi)徑，L是法蘭兩個相鄰孔軸線之間的直線距離，E是法蘭環(huán)狀體材料的彈性系數(shù)，以及B是法蘭平內(nèi)區(qū)的厚度。
6.按照以上權(quán)利要求中任何一條的搭接法蘭，其中上述環(huán)狀體的材料屬于一組材料，包括鑄鐵、銅、鋼、鈦、鋁、鋁合金、有增強或無增強材料的熱固性樹脂、以及有增強或無增強材料的熱塑性樹脂。
全文摘要
一種用于連接帶法蘭管道的搭接法蘭(1),包括一個具有緊固螺栓或拉桿孔的環(huán)狀體,松套在具有法蘭端的管子上,以及被多個穿過法蘭環(huán)狀體孔的螺栓擰緊,環(huán)狀體具有一個垂直于環(huán)狀體軸線的平內(nèi)區(qū)(2),確定了靠在管子法蘭端的接合面(3),并且具有一個截錐或平截棱錐形的外區(qū)(4),被穿過緊固螺栓的上述孔(5)通過。通過一個柱形凸臺狀的突起(6)形成穿過緊固螺栓桿身的孔,突起至少在截錐或平截棱錐區(qū)(4)的凹面上。
文檔編號F16L23/00GK1334908SQ99815847
公開日2002年2月6日 申請日期1999年11月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月25日
發(fā)明者福斯托·法齊尼 申請人:費茨尼鑄造廠有限責(zé)任公司