绝缘法兰设计技术规定SY/T 0516-1997

5．2 Ⅰ型和Ⅱ型绝缘法兰，均应采用带锥颈的对焊法兰；只有当法兰的公称通径DN小于或等于400mms时．Ⅰ型绝缘法兰的法兰才可采用平焊法兰。
5．3 在保证绝缘法兰使用性能要求的前提下，设计者也可采用本标准规定的Ⅰ型和Ⅱ型绝缘法兰以外的其他结构型式的绝缘法兰。
6 法兰和短管的设计与制造

6．1 法兰的强度计算
6．1．1 Ⅰ型绝缘法兰的法兰强度计算，可按GB 150中对窄面法兰规定的计算方法进行。
6．1．2 Ⅱ型绝缘法兰的法兰强度计算，可按附录A(标准的附录)规定的计算方法进行。
6．2 法兰的材质和锻坯
6．2．1 法兰的材质应能满足法兰工作条件和机加工的要求，并与选定的短管材质有良好的可焊性。
6．2．2 法兰锻坯应按JB 4726的规定制造和验收．当公称压力PN小于或等于6．4MPa时，锻坯应符合Ⅱ级的要求；当公称压力PN大于6．4MPa时，锻坯应符合Ⅲ级的要求。
6．3 法兰的机加工
6．3．1 法兰的密封面均应采用光滑平密封面。
6．3．2 Ⅰ型绝缘法兰的法兰密封面机加工后的表面粗糙度Ra。应不低于6．3；Ⅱ型绝缘法兰密封面机加工后的表面粗糙度Ra应不低于1．6。当法兰锻坯采用模锻加工，锻坯各尺寸的尺寸公差和各部位的形位公差又符合本标准的规定时，除密封面、螺栓孔内表面和带锥颈对焊法兰小端的焊缝坡口以外的其他表面，可不再机加工。
6．3．3 法兰各部分尺寸的极限偏差，除法兰螺栓孔尺寸的极限偏差应按GB／T 1800中规定的H14外其余尺寸的极限偏差均应按GB／T 1804中m级的规定。
6．3．4 法兰各螺栓孔轴线的位置度公差应按GB／T 1182的规定，以法兰的密封面和法兰内圆柱面的轴线所构成的三基准体系给出。
　　公差值t_F按式(1)计算，计算值还应按表1就近圆整为该数系的标准值。

式中：t_F—法兰各螺栓孔轴线的位置度公差值，mm；
　　　K—间隙利用系数，可取K=0．6；
　　　D_min—法兰螺栓孔的最小极限尺寸，mm；
　　　d_max—螺栓绝缘衬套外径的最大极限尺寸，mm。

表1 位置度公差值数系

6．3．5 法兰除螺栓孔轴线位置度公差外，其他部位的形状和位置公差在图纸中可不注出，这些未注项目的公差值应符合GB／T 1184中C级的规定。
6．4 短管
6．4．1 短管的材质应与使用绝缘法兰的埋地管道的管子材质相同或相近；短管与埋地管道的管子和绝缘法兰的法兰都应有良好的可焊性。
6．4．2 用作短管的管子，其质量要求应与埋地管道的管子要求一致，符合同样的质量标准，并具有管子的出厂质量合格证明书。
6．4．3 短管的长度可取为管子的外径，但应不小于300mm。
6．4．4 短管的壁厚、应按使用绝缘法兰的管道在计算埋地管子壁厚时所采用的计算方法来进行计算。当短管的计算壁厚小于管道的已知管子实际壁厚时，应取为管道的已知管子实际壁厚。
　　当埋地管道的管子材质和绝缘法兰的法兰材质不同，且机械性能相差较大时，短管应选择合适的材质和壁厚来满足短管两端分别与法兰和管道的管子间的焊接要求。这时，短管的壁厚可大于按强度计算得的壁厚计算值。
6．4．5 当短管的公称通径大于或等于350mm时，短管也可用与管道的管子材质相同或相近的钢板卷制。卷制短管的钢板应符合焊接流体输送用管或压力容器制造用板的要求，并具备出厂质量合格证明书。
6．4．6 卷制短管的纵焊缝焊接，应由经考试合格的焊工担任。卷制短管的纵焊缝应采用双面焊。
6．4．7 卷制短管的纵焊缝应进行无损检测。无损检测方式、检测率和质量等级以及焊缝返修要求，均按使用绝缘法兰的埋地管道的工作条件及相应的管道设计标准来确定，且应不低于管道相同部位的管子的要求，并标注在绝缘法兰的设计图纸上。
6．4．8 短管与管道的管子焊接一端的焊缝坡口型式，应在绝缘法兰设计图上标明，并在绝缘法兰制造厂加工。

7 绝缘密封件和紧固件绝缘零件的设计与制造

7．1 材质的一般要求
7．1．1 绝缘密封件(含单一绝缘密封零件和绝缘密封组合件)在管输介质中应有足够的化学安定性；紧固件绝缘零件在大气中应不易老化。
7．1．2 绝缘密封件和紧固件绝缘零件的材料均应有一定的机械强度，以保证这些零件在安装和使用的过程中不易破损。
7．1．3 绝缘密封件和紧固件绝缘零件在绝缘工作表面间的电阻值均应在500kΩ以上。
7．2 单一绝缘密封零件(用于Ⅰ型绝缘法兰的绝缘密封件)
7．2．1 单一绝缘密封零件应具有一定的强度和良好的回弹性，能满足绝缘法兰在工作条件下的密封要求。
7．2．2 单一绝缘密封零件的电绝缘性能，应能满足绝缘法兰的电绝缘要求，且不低于该材料的出厂电绝缘性能指标。
7．2．3 单一绝缘密封零件的结构如图3所示。

7．2．4 可用表2所列的材料来制作单一绝缘密封零件。

7．3 绝缘密封组合件(用于Ⅱ型绝缘法兰的绝缘密封件)
7．3．1 绝缘密封组合件由硬质绝缘体和位于绝缘体两侧密封槽内的两个O形橡胶密封圈组成，其结构如图4所示。
7．3．2 绝缘体材料的电绝缘性能和抗流体渗透的能力应能满足绝缘法兰在工作状况下的电绝缘性能和抗渗漏的要求，且用于加工绝缘体的材料的电绝缘性能不低于该材判出厂时的指标。
7．3．3 绝缘体材料的抗拉强度应在60MPa以上，且不低于该材料出厂时的抗拉强度指标。
7．3．4 绝缘体材料应具有良好的切削加工性能。
7．3．5 绝缘体两侧密封槽底间的最薄厚度，应根据绝缘法兰的工作条件和绝缘体材料的强度来确定，一般应在12mm以上。
7．3．6 绝缘体内表面应做成如图5所示的圆弧状，圆弧部分的弦高f=0．02B，但应在4mm以内。

7．3．7 绝缘体两侧面处的密封槽，其形状，尺寸和尺寸公差均可按GB／T 3452．3的规定。但推荐将密封槽的顶部加工成如图5所示的台阶形状。
7．3．8 除密封槽尺寸的公差外，绝缘体其余尺寸的公差均可按GB／T 1804中m级的规定。
7．3．9 绝缘体螺栓孔直径dt的基本尺寸可比螺栓直径的基本尺寸大1．5～2mm
7．3．10 绝缘体各螺栓孔轴线的位置度公差应按GB／T 1182的规定，以绝缘体任一端面和内圆弧表面的轴线所构成的三基准体系为基准给出。公差值t2按式(2)计算，计算值也应按表1就近圆整为该数系的标准值。

式中： t₂—绝缘体各螺栓孔轴线的位置度公差值，mm；
　　　K—间隙利用系数，可取K=0．6；
　　　d_1，min—绝缘体螺栓孔的最小极限尺寸，mm；
　　　d_b．max—螺栓外径的最大极限尺寸，mm。
7．3．11 绝缘体除各螺栓孔轴线的位置度公差外，其余形状和位置度公差值在图纸中可不标注。这些项目的公差值按GB／T 1184中C级的规定。
7．3．12 绝缘体可采用表3中所列的材料或与这些材料性质相近的其他材料来制造。

7．3．13 设计压力达6．4MPa时，应选用环氧层压玻璃布板来制作绝缘体；若设计压力达4．0MPa而又有气密性试验要求时，有时还应对绝缘体作增加其内部密实度的处理。
7．3．14 绝缘体内部密实度处理沿绝缘体接触管榆介质的已加工表面进行。在这些表面上先涂刷上一定比例的乙二胺和环氧树脂混合液，然后作密闭气体亢压处理。以设计压力加压10min后，再拆开干燥24h即可。
7．3．15 O形橡胶密封圈可根据工作介质的不同，采用耐油橡胶，氯丁橡胶或氖橡胶制作，材料的性能应符合相应材料标准的规定。
7．3．16 O型橡胶密封圈的尺寸可按GB 3452．1的规定。
7．4紧固件绝缘零件
7．4．1 螺栓绝缘衬套和螺栓绝缘垫圈的结构分别如图6和图7所示。

　　对Ⅰ型绝缘法兰：

　　对Ⅱ型绝缘法兰：

式中：t—法兰厚度(对Ⅰ型绝缘法兰包括密封面突出部分高度)，mm；
　　t₁—单一绝缘密封零件的厚度，mm。
7．4．2 螺栓绝缘衬套和螺栓绝缘垫圈应能在其所处的绝缘工作表面间形成7．1．3要求的电阻，且其材料的电绝缘性能不低于该材料的出厂指标。
7．4．3 螺栓绝缘垫圈材料的抗拉强度应在150MPa以上。
7．4．4 螺栓绝缘衬套的内径与螺栓外径间的间隙应力求最小，一般可取0．5～1mm。当使用弹性良好的弹性材料来制作这种衬套时，也可作成与螺栓外径过盈配合的结构。
　　螺栓绝缘衬套的厚度，一般可取1．5～3mm。
7．4．5 螺栓绝缘垫圈的内径d2可与螺栓绝缘衬套的内径d4相同，但当螺栓绝缘衬套与螺栓外径成过盈配合的结构时，d2仍应比螺栓外径大0．5～1mm。
　　螺栓绝缘垫圈的外径吨应比GB／T 97．2中规定的同规格垫圈大2～3mm。
7．4．6 可用表4所列的材料或与这些材料性质相近的其他材料来制作螺栓绝缘衬套。

7．4．7 可用表5所列的材料或与这些材料性质相近的其他材料来制作螺栓绝缘垫圈。

7．4．8 螺栓绝缘衬套和螺栓绝缘垫圈宜分两件分别制作，但当这两种零件都用符合螺栓绝缘垫圈要求的同样材料来制作时，也可将这两种零件合为整体式结构—螺栓绝缘套。螺栓绝缘套的结构如图8所示。
L3—螺桂绝缘套有效长度，mm

　　对Ⅰ型绝缘法兰：

　　对Ⅱ型绝缘法兰：

 9 绝缘法兰的组装和检验

9．1 组装
9．1．1 法兰和短管的焊接应由经考试合格的焊工担任．焊缝的无损检测方式、检测率、质量等级和焊缝返修要求等，均应与使用绝缘法兰的埋地管道对相同部位管子的焊接要求相同，遵循同样的标准。
9．1．2 当要求对绝缘法兰作电绝缘材料的内涂层处理时，应在法兰和短管焊接完毕并经检验合格后，再对绝缘法兰的内圆柱表面涂刷内涂层。
9．1．3 绝缘法兰组装前，应对绝缘密封件、紧固件和紧固件绝缘零件逐件作外观检查，有破损或变形的零件不得使用。
9．1．4 Ⅰ型绝缘法兰组装时，应使各螺栓均匀预紧到绝缘密封件达到要求的密封比压为止。
9．1．5 Ⅱ型绝缘法兰的O形橡胶密封圈装入绝缘体两侧的密封槽前，应将密封槽清理干净并填人适量的润滑脂，再将O形橡胶密封圈干整安放到槽内，不允许扭曲。
9．1．6 Ⅱ型绝缘法兰组装时，只须将各螺栓预紧到两法兰端面与绝缘体两侧完全贴合，有轻度预紧即可。
9．1．7 绝缘法兰组装完毕后，应尽目视所能检查各绝缘零件是否完好，发现有破损或已过度变形的应即时更换。
9．2 检验
9．2．1 组装完毕后的绝缘法兰应在试验台上逐台进行水压试验和两法兰间的电绝缘检查，两项检查均合格方能出厂。
9．2．2 水压试验压力为1．5倍设计压力，且至少应比设计压力大0．1MPa。水压试验中法兰连接址无泄漏、各绝缘零件无损坏，法兰和各紧固件以及紧固件绝缘零件无目视可见的残余变形为合格。
9．2．3 输送易燃、易爆和有毒气体的管道所用的绝缘法兰．出厂前还应用空气在设计压力下进行气密性试验。
9．2．4 电绝缘检查按SYJ 23的规定执行。

附录A  Ⅱ型绝缘法兰的法兰强度计算方法

A1 适用范围

A1．1 本计算方法可用于本标准中Ⅱ型绝缘法兰的法兰强度计算。在保证法兰强度和密封可靠性的情况下，设计者也可以采用其他可靠的计算方法。
A1．2 法兰强度计算过程中没有考虑法兰的腐蚀裕量。腐蚀裕量应由设计人根据管输介质的腐蚀性和绝缘法兰的使用寿命要求来自行选定，并体现在绝缘法兰的法兰设计图纸中。
A1．3 本计算方法取自美国机械工程师协会(ASME)《锅炉和压力容器标准》的第Ⅷ卷。

A2法兰强度计算

A2．1 法兰强度计算中的符号约定和计算用简图
A2．1．1 法兰强度计算中的符号约定：
　　B₁—法兰小端平均直径，mm：
　

　　h₀—系数，mm：
　

　　h_c—法兰接触反力作用圆到法兰螺栓中心圆的径向距离，mm；
　　h_D—法兰螺栓孔中心圆到HD作用圆的径向距离，mm：
　

　　h_T—法兰螺栓孔中心圆到HT作用圆的径向距离,mm：
　

　　H—流体静压产生的总轴向力，N：
　

　　K—法兰外径对法兰内径的比值：
　

　　L₃—法兰螺栓的计算长度，mm：
　

　　M—法兰螺栓的螺纹公称直径，mm
　　M_H—作用在法兰盘状部分和锥颈部分交界处的弯矩，N·mm；
　　M_S—由于法兰锥颈的作用，作用在法兰盘状部分上的弯矩，N·mm；
　　M_p—法兰的总弯矩，N·mm；
　　p—法兰的设计压力，MPa；
　　Q—作用在法兰盘状部分和锥颈部分交界处的剪力，N；
　　r_E—法兰材料的弹性模量(E_f)与螺栓材料的弹性模量(E_b)的比值：
　

　　r_S—法兰螺栓的预紧系数，一般可取r_S=0．7～0．8：
　
　
　S—绝缘垫圈的厚度，mm；
　　S₁—金属垫圈的厚度，mm；
　　S_i—螺栓的预紧应力，MPa；
　　Z—系数：
　

　　[σ]_b—螺栓材料在工作温度下的许用应力，MPa；
　　[σ]_f—法兰材料在工作温度下的许用应力，MPa；
　　σ_fR1—工作状态下，法兰在螺栓圆处的径向应力．MPa；
　　σ_fR2—工作状态下，法兰盘状部分上在与锥颈交界处的径向应力，MPa；
　　σ_H1—工作状态下，锥颈大端在与法兰盘状部分交界处的纵向应力，MPa；
　　σ_H2—工作状态下，锥颈大端在与法兰盘状部分交界处的环向应力，MPa；
　　σ_fT—法兰盘状部分上，在与锥颈大端交界处的环向应力，MPa；
　　θ_A—法兰外径处的转角，rad；
　　θ_B—法兰内径处的转角，rad；
　　α—法兰的形状系数：
　

　　β—法兰的形状系数：
　

　　μ—法兰材料的泊松比。
A2．1．2 法兰强度计算用简图如图A1所示。
A2．2 法兰的强度计算
A2．2．1 法兰厚度试算过程中的厚度初始值t按式(A1)计算：
　

　　估算得t值只供计算法兰各部分应力时作初值使用。应根据法兰各部分的应力值对t值作修正，直到法兰尺寸满足强度要求而又经济合理为止。
A2．2．2 法兰的总弯矩按式(A2)计算：
　

A2．2．3 法兰在工作状态下的螺栓总裁荷W按式(A3)计算：
　

　　　　　A—法兰外径，mm；
　　　　　B—法兰内径，mm；
　　　　　c—法兰螺栓孔中心圆直径，mm；
　　　　　d—法兰螺栓孔直径，mm；
　　　　　G—O形橡胶密封圈槽的平均直径，mm；
　　　　　g₀—法兰锥颈小端处的厚度mm；
　　　　　g₁—法兰椎颈大端的厚度，mm：
　

　　　　　H_C—工作状态下法兰接触圆上的接触反力，N；
　　　　　H_D—工作状态下流体静压在法兰内径范围内产生的轴向力，N：
　

　　　　　H_T—工作状态下流体静压产生的总轴向力与在法兰内径范围内产生的釉向力的差值，N：
　

　　　　　h—法兰的锥颈高度，推荐h=(2．5～3)g₀，mm；
　　　　　h₀₀—法兰锥顶小端处直段部分的高度，mm：
　

　　　　　n—法兰螺栓数；
　　　　　t—法兰厚度，mm；
　　　　　t_S—绝缘体的厚度mm；
　　　　　W—工作状态下的螺栓总荷载，N
　

A2．2．4 工作状态下，法兰接触圆上的接触反力H_C按式(A4)计算：
　

考虑了法兰锥颈的作用后，作用在法兰盘状部分上的弯矩M_S，按式(A5)计算：
　



A2．2．5 法兰接触反力H_C的作用圆到法兰螺栓中心圆的径向距离h_C按式(A6)计算：
　

A2．2．6 作用在法兰盘状部分和锥颈部分交界处的剪力Q和弯矩M_H分别按式(A7)和式(A8)计算：
　

式中：C₁～C₅—系数，由图A2～A6查得；
　　　j—系数，由图A7查得；
　　　k—系数，由图A8查得。
A2．2．7 法兰内径处的转角θ_B按式(A9)计算：
　

式中：r_B—形状系数，由图A9查得。
　

A2．2．8 法兰外径处的转角θ_A按式(A10)计算：
　

A2．2．9 工作状态下，法兰在螺栓圆处的径向应力σ_fR1按式(A11)计算：
　

A2．2．10 法兰盘状部分上，在与锥颈大端交界处的径向应力σ_fR2按式(A12)计算：
　

A2．2．11 法兰盘状部分上，在与锥颈大端交界处的环向应力σ_fT按式(A13)计算：
　

A2．2．12 锥颈上，在与法兰盘状部分交界处的纵向应力σ_H1按式(A14)计算：
　

A2．2．13 锥颈上，在与法兰盘状部分交界处的环向应力σ_H2按式(A15)计算：
　

A2．2．14 法兰螺栓的螺纹小径按式(A16)计算，计算值应按GB／T 196的规定圆整成标准普通螺纹的小径值，并选定螺栓的螺纹公称直径。
　

式中：d’_b—螺栓螺纹小径的计算值，mm。
A2．2．15 法兰和螺栓材质的许用应力，均应符合GB 150的规定。
A2．2．16 法兰各应力计算公式中的±符号规定如下：
　　法兰接触面一侧或锥颈的内恻用+号；
　　法兰背面一侧或锥颈的外侧用-号。
A2．2．17 法兰强度条件：
　

　　注： 在不同情况下，σfR分别表示σfR1或σfR2，σH分别表示σH1或σH2°
A2．2．18 螺栓强度条件：
　

附录B  Ⅱ型绝缘法兰的法兰强度计算示例

B1 已知条件

　　法兰公称通径DN：250mm；
　　法兰公称压力PN：10MPa；
　　法兰材质：20号锻钢；
　　法兰工作温度：小于100℃；
　　螺栓材质：35CrMoA。

B2　法兰锥颈部分的尺寸计算

B2．1 法兰材质的许用应力[σ]f
　　按GB 150中对符合JB 4726要求的20号锻钢的规定，取[σ]_f=110MPa。
B2．2 法兰锥颈部分小端厚度g0的计算和小端直段部分长度h00的确定
　



　　圆整后取g₀=13mm。按h₀₀≥1．5g₀的要求，取h₀₀=20mm。
B2．3 法兰锻颈部分大端的厚度g1和锥颈高度h的确定
　　按g₁≥1．5g₀的要求取g₁=20mm。
　　按锥颈斜度小于1/3的要求，取h=40mm。

B2．4 法兰锥颈大端到法兰盘形部分转角处的圆角半径R的确定
　　按R≥0．25g₀且R≥1．5mm的要求，取R=4mm。

B3法兰的强度计算

B3．1 法兰各部分尺寸假定如图B1所示。
B3．2 法兰的总弯距M_p按式(A2)计算。
　 H_D=0．785B²p
=0．785×247²×10
=478921 (N)
h_D=0．5[C-(B+g₁)]
=0．5(C-B-g₁)
=0．5×(383-247-20)
=58 (mm)
H_T=H-H_D
=0．785G²p-H_D
=0．785×279²×10-478921
=132131 (N)
h_T=0．25(2C—B—G)
=0．25×(2×383-247-279)
=60 (mm)
M_p=H_Dh_D+H_Th_T
=478921×58+132131×60
=35705278 (N·mm)




图B1 法兰各部分尺寸假定图 B3．3 按式(A1)估算法兰厚度t。
　


　　取t=45mm，作法兰强度试算。
B3．4 按假定出的法兰尺寸求取一些中间数据。
　　有：
　



　　可由图A2～图A6查得：
　 C₁-1．48
C₂=1．18
C₃=1．21
C₄=0．57
C₅=0．36　　由图A7和图A8查得：


  

　　由图A9查取r_B，步骤如下：
　　过图上n=16,d=34两点连线(线1)；
　　过线1与r_B轴的交点和C=383两点连线(线2)，在F₁轴上读得F₁=0．7；
　　将F₁=0．7移到d轴的左侧；
　　将已移到d轴左侧的F₁=0．7点与n=16点连线(线3)，在线3与r_B轴的交点上读得r_B=0．046。
　　计算得：
　







 B3．5试算M_S值：
B3．5．1按式(A6)计算hc。
　　先假定M_s=-0．32M_p,
　







B3．5．2 计算J₅、J₆、θ_B诸值。
　



B3．5．3 计算MH，Q和MS，并将计算得的MS值与假定的MS值相比较。
　





　　与假定的M_s=-0．32M_p相差太多，重新假定M_s=-0．48M_p再算。这时相应有：
　




 　　与假定值M_s=-0．48M_p相差仍太大，应再重新假定Ms值进行试算。
　　再重新假定M_s=-0．46M_p，相应有：
　








B3．6 法兰各部分的应力计算：
B3．6．1 法兰盘状部分，在螺栓圆处的径向应力σ_fR1，按式(A11)计算。
　



B3．6．2 法兰盘状部分上，在与锥颈大端交界处的径向应力σ_fR2按式(A12)计算。
　

B3．6．3 法兰盘状部分上，在与锥颈大端交界处的环向应力σ_fT按式(A13)计算。
　




B3．6．4 锥颈上，在与法兰盘状部分交界处的纵向应力σ_H1按式(A14)计算。
　




B3．6．5 锥颈上，在与法兰盘状部分交界处的环向应力σ_H2按式(A15)计算。
　



B3．7 法兰强度条件：
　





　　法兰强度条件满足。
B3．8 法兰螺栓的计算：
B3．8．1 工作状态下，法兰接触圆上的接触反力H_c按式(A4)计算。
　



B3．8．2 工作状态下螺栓的总载荷W按式(A3)计算。
　 W=H+H
=0．785G²P+H_c
=0．785×279²×10+589889
=1204940 (N)B3．8．3 法兰螺栓的螺纹小径d′_b按式(A16)计算。
　



B3．8．4 螺栓螺纹基本尺寸的选定：从GB／T196中查得，相应于螺纹小径计算值22．386mm的螺纹基本尺寸为M27×3。
　　螺纹M27×3的根部直径为：
　




　　现d_根＞d’_b。