第9章　法兰及绝缘接头

9.1　普通管法兰

9.1.1　概述

普通管法兰（flange）是使管子与管子相互连接的零件，其连接于管端。法兰上有孔眼，可穿螺栓，使两法兰紧连，法兰间用衬垫密封。法兰管件（flanged pipe fittings）指带有法兰（突缘或接盘）的管件。它可由锻造而成，也可由螺纹连接或焊接构成。法兰连接（flange joint）由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓、螺母组成，垫片放在两法兰密封面之间，拧紧螺母后，垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使连接严密不漏。有的管件和器材已经自带法兰盘，也是属于法兰连接。法兰连接是管道施工的重要连接方式之一。

法兰连接使用方便，能够承受较大的压力。在工业管道中，法兰连接的使用十分广泛。一般适用于压力为0.25～42.0MPa输送水、油、空气、煤气、蒸汽等的管路上，如锅炉房、水泵房、输水管道等，到处都是法兰连接的管道和器材。

管法兰的标准种类很多，有平面整体（对焊、带颈平焊、带颈承插焊、板式平焊）管法兰、凸面整体（对焊、带颈平焊、带颈承插焊、板式平焊、对焊环松套板式）管法兰、凹凸面整体（对焊、带颈平焊、带颈承插焊、对焊环松套板式）管法兰、榫槽面整体（对焊、带颈平焊、带颈承插焊、对焊环松套板式）管法兰、环连接面整体（对焊、带颈平焊、对焊环松套带颈）管法兰、凸面带颈螺纹管法兰、板式翻边松套管法兰等。

按照GB/T 9124—2010《钢制管法兰　技术条件》的规定，管法兰分为PN标记法兰和Class标记法兰，各种管法兰的类型与代号见GB 9112，其公称通径、公称压力、结构形式及尺寸分别按GB/T 9113～GB/T 9122标准进行，尺寸公差按GB/T 9124—2010《钢制管法兰　技术条件》中表36和表37的规定。大直径钢制法兰（DN650～DN1500）A、B系列各压力等级管法兰的结构形式及尺寸、尺寸公差见GB/T 13402—2010《大直径钢制管法兰》中的规定。

制作管法兰的原材料包括：铸件、锻件、钢板、钢管、棒材或型材，材料的选用应符合GB/T 9124.3中表1或表2的要求；大直径钢制管法兰使用的材料应符合GB/T 13402中4的要求，并具有相应的质量证明文件。

9.1.2　管法兰的制作

①原材料检验、验收：原材料进厂后核查铸件、锻件、钢板、钢管、棒材或型材的数量、规格与质量证明书是否相符，然后对质量证明书进行编号，并按技术要求送检。

②根据管法兰的类型按GT/T9124中表39的要求选择对应的坯料。

③按管法兰结构尺寸要求锻造、铸造或切割毛坯料。

④按图纸要求对毛坯件进行粗机加工成半成品。

⑤对半成品进行退火处理（需要时）。

⑥对半成品进行精机加工成成品。

⑦按技术要求对成品进行无损检测、测试硬度、尺寸检验、压力测试等。

⑧对成品采取必要的防护措施以防止密封面锈蚀、划伤和撞击，并进行防腐处理。

⑨产品包装，入库。

9.1.3　管法兰的检验

①法兰表面应光滑，不得有伤痕、裂纹等缺陷。

②机加工表面不得有毛刺、有害的划痕和其他降低法兰强度及连接可靠性的缺陷。

③环连接面法兰的密封面应逐件进行检查，环槽的密封面不得有裂纹、划痕或撞伤等缺陷。

④用对应量程的卡尺逐件检验法兰的结构尺寸，各尺寸的公差应在GB/T 9124或GB/T 13402规定的尺寸公差范围内。

9.2　绝缘法兰

9.2.1　概述

对同时具有埋地钢质管道要求的密封性能和电化学保护工程所要求的电绝缘性能的管道法兰的统称。它包括一对钢法兰、两法兰间的绝缘密封件、法兰紧固件和紧固件绝缘零件以及与两片法兰已分别相焊的一对钢质短管。

绝缘法兰按其绝缘密封件结构的不同分为Ⅰ型绝缘法兰（即比压密封型绝缘法兰）和Ⅱ型绝缘法兰（即自紧密封型绝缘法兰）两种。

Ⅰ型绝缘法兰（比压密封型绝缘法兰）是靠预紧具有良好回弹性能和电绝缘性能的单一绝缘密封零件到规定的密封比压，来同时实现法兰连接处密封和电绝缘的绝缘法兰，见图1-9-1。

Ⅱ型绝缘法兰（自紧密封型绝缘法兰）是由O形橡胶密封圈和绝缘密封件组成，在法兰密封面间同时实现自紧式密封和电绝缘要求的绝缘法兰，见图1-9-2。

9.2.2　绝缘法兰的构造和工作原理

绝缘法兰由法兰、紧固件、绝缘密封件、紧固件绝缘零件、短管组成。在绝缘法兰的左、右法兰对接端面间夹有绝缘密封件，两法兰依靠若干个紧固件均匀地紧固在一起，紧固件与两法兰依靠紧固件绝缘零件绝缘，形成具有绝缘性能的密封结构，保留了法兰原有的基本功能，又具有了良好的绝缘性能。

9.2.3　产品特点

①绝缘性能好。2500V摇表测试绝缘电阻大于等于10MΩ，击穿电压大于等于2.5kV。

②寿命长。设计寿命不少于2年。

③强度高。压力试验压力大于等于1.5PN（设计压力），承受弯矩大，与管线等强度。

④使用温度。-30～90℃。

⑤适用介质。油、气、水、化工原料、煤浆等。

⑥组装拆卸方便。在组装和安装状态下方便拆卸和更换各可拆卸零件。

Ⅰ型和Ⅱ型绝缘法兰均采用带锥颈的对焊法兰；只有当法兰的公称通径小于或等于400mm时，Ⅰ型绝缘法兰才可以采用平焊法兰。

Ⅰ型绝缘法兰只应用于公称压力PN小于或等于2.5MPa的场合。

9.2.4　绝缘法兰的制造与组装

（1）原材料的选择　绝缘法兰金属材料应选用电炉或氧气转炉冶炼的镇静钢。受压元件采用锻件并符合NB/T40008或NB/T47009的规定，并根据设计压力、重量和尺寸大小，选用相应的锻件级别。Ⅰ型绝缘法兰的单一绝缘密封件宜采用非石棉纤维类橡胶板、氯丁橡胶板、聚四氟乙烯板材等材料制作。螺栓绝缘垫圈材料的抗拉强度应不低于150MPa；螺栓绝缘垫圈和螺栓绝缘衬套应选用能在绝缘工作表面间形成500kΩ以上电阻的材料。

（2）原材料的检验与验收　原材料进厂后核查钢板和锻件数量、规格与质量证明书是否相符，然后对质量证明书进行编号，并送检。

（3）卷制筒节　将切割好的钢板送入卷板机，卷成筒状，再运用自动焊机将接缝处焊接成筒节。

（4）法兰的加工　将锻制好的锻件送入车床及钻床按工艺卡片进行精细加工，机械加工表面和非机械加工表面的线性尺寸的极限偏差，应符合GB/T 1804中m级的规定。

（5）绝缘密封件和紧固件绝缘零件的加工　绝缘密封件和紧固件绝缘零件的加工应按SY/T 0516—2008中7.4、7.5的规定执行。

（6）组装　按图明细表备齐各零件，并使用干净的纱布对各零件表面进行清洁，不得存在油污、铁屑等杂物。将法兰Ⅰ、密封圈、绝缘密封件、法兰Ⅱ、紧固件、紧固件绝缘件按图纸装成组件，然后置于工装上用50t千斤顶压紧，压紧后均匀紧固各紧固件。

（7）焊接　组对短节Ⅰ与法兰Ⅰ、短节Ⅱ与法兰Ⅱ，点焊，按照焊接工艺卡进行施焊。

（8）焊缝的检测　焊接表面不得有裂纹、夹渣、焊瘤、弧坑等缺陷，焊接区不得有飞溅物。所有对接接头进行100％射线检测和100％超声波检测。不能进行射线和超声波检测的焊缝，采用磁粉、渗透或其他可靠的方法进行表面检测，确认无裂纹或其他危害性的缺陷存在。管端坡口表面应进行磁粉或着色检测，确认无裂纹和分层存在。

（9）外观检验　绝缘法兰的外观应平整美观，端部坡口内侧以及锻件本体内侧应与所接管线内侧齐平。外表面无碰伤、毛刺、凸凹不平；焊接接头表面圆滑、平整。

其他试验及检验按本章4.4.3中的试验和检验进行。

（10）包装　绝缘法兰检验合格后，管端坡口以金属环形保护罩保护，确保法兰在运输和现场储存过程中不受污染、腐蚀和机械损伤对焊接头端部应用有效方法给予保护。绝缘法兰采用塑料密封，并用木箱包装。

9.3　整体式绝缘接头

整体式绝缘接头（简称绝缘接头）是长输油气管道、城市管网等管道工程中不可缺少的压力管道元件之一，是管线输送中为防止电化腐蚀，对管线实行阴极保护所需的重要构件，用于切断钢质管道的纵向电流，把有阴极保护的管段和无阴极保护的管段隔离开，具有埋地钢制管道要求的强度、密封性能和电化学保护工程所要求的电绝缘性能，是绝缘法兰的换代产品。绝缘接头比绝缘法兰刚度高，可承受弯矩大，绝缘性能高，寿命长，并可埋地安装。

9.3.1　绝缘接头结构、型号及技术参数

（1）绝缘接头的构造　绝缘接头包括：左、右法兰、固定环、短节、两绝缘环、密封件、绝缘密封填充物、外防腐涂层。在绝缘接头的左、右法兰对接端面间，夹有两绝缘环和密封件，形成具有绝缘性能的双密封结构。固定环一端开坡口与左法兰直接焊接，另一端的凸环压紧在绝缘环和右法兰上，将绝缘环和左、右法兰牢固封裹在里面，形成“密封绝缘容器”，从而既保证了良好的绝缘效果，又大大提高了绝缘结构的承压能力。

绝缘接头的基本结构如图1-9-3所示，也可采用其他有良好工程实践应用的结构形式。

（2）绝缘接头的型号

（3）绝缘接头的主要技术参数

①适用介质：油、气、水、矿浆等。

②适用温度：-40～100℃。

③压力范围：PN≤10MPa。

④产品规格：DN40～DN1000。

9.3.2　绝缘接头的特点

（1）结构特点　绝缘接头采用整体挤压焊接形式，不得采用螺栓、法兰连接形式。绝缘接头将绝缘和密封材料夹入并固定于套筒（组合件）内。绝缘接头组装完后，内部元件应固定在相应位置。在土壤压力、规定的管道操作压力和厂内或现场的水压测试下，整个绝缘接头保持完好。绝缘接头密封元件在接头内部紧靠绝缘板，具有永久弹性，且密封元件的两面直接与裸露金属表面接触，不会移动，确保了接头的紧密性。

（2）产品特点

①绝缘性能好。2500V摇表测试绝缘电阻大于等于200MΩ，击穿电压大于等于3kV。

②寿命长。与管线同寿命，可埋地安装。

③强度高。压力试验大于等于1.5PN（设计压力），承受弯矩大，与管线等强度。

④使用温度。-40～100℃。

⑤适用介质。油、气、水、化工原料、煤浆等。

（3）材料特点　绝缘接头所采用的材料应满足以下要求。

①绝缘材料：高强度环氧树脂和玻璃纤维层状复合材料（ASTM D709G11）。

②弯曲强度：纵向，≥390MPa；横向，≥290MPa；

③拉伸强度：纵向，≥340MPa；横向，≥240MPa；

④抗压强度：≥340MPa；

⑤吸水性：≤30mg；

⑥浸水后电阻：≥5×108Ω；

⑦击穿电压：≥35kV；

⑧组合钢体：16Mn、JB4726、ASTM A694F52、F60；

⑨短管：20、16Mn（GB 8163—99）；X80、X70、X65、X56、X52、X46（APISPEC.5L）。

⑩密封材料：O形或U形密封环，材料为氟橡胶、腈基丁二烯橡胶（ASTM D2000）。

填充材料：冷固性树脂；

绝缘涂料；液体环氧树脂；

防腐材料：热缩防腐材料。

（4）整体式绝缘接头的优点

①与普通绝缘接头和绝缘法兰相比，整体式绝缘接头密封性能好，性能更加优越。

②整体式绝缘接头具有独特的U形密封结构和高电压保护措施，绝缘效果更加显著。

③整体式绝缘接头承受管道热应力或地壳自然运动带来的弯矩效果更加突出，可以承受的相接管线产生的轴向应力达到其材料屈服强度的0.72。

9.3.3　绝缘接头的制造、组装及检验

（1）安装基本要求

①绝缘接头安装处50m内，避免有待焊死口。

②绝缘接头与管线连接后，不许在接头5m内起吊管线。

③绝缘接头与管线仪器试压。

④绝缘接头与管线连接后，应按要求补口、防腐作业时不准使绝缘接头表面温度高于120℃。

⑤绝缘接头可安装在地下直管段上。

⑥绝缘接头采用地面安装时，应安装在距弯头20m外的直管段上并设置支架。

⑦绝缘接头避免安装在立管上。

⑧埋地安装时应避免安装在常年积水处。

绝缘接头不同压力等级的型号、规格、钢管材质、结构尺寸见SY/T 0516《绝缘接头和绝缘法兰技术规范》。

（2）原材料的选择　整体式绝缘接头材料应选用电炉或氧气转炉冶炼的镇静钢。受压元件采用锻件并符合NB/T40008或NB/T47009的规定，并根据设计压力、重量和尺寸大小，选用相应的锻件级别。绝缘环采用高强度环氧玻璃布层压板作为绝缘环材料，性能应不低于GB/T 1303.1的相关规定，抗拉强度大于等于350MPa。

（3）原材料的检验、验收　原材料进厂后核查钢板和锻件数量、规格与质量证明书是否相符，然后对质量证明书进行编号，并送检。

（4）卷板、焊接、机加工　将切割好的钢板送入卷板机卷成筒状，再用自动焊机将接缝处焊接成筒节。

（5）法兰及固定环的加工　将锻制好的锻件送入车床及钻床按工艺卡片进行精细加工，机械加工表面和非机械加工表面的线性尺寸的极限偏差，应符合GB/T 1804中m级的规定。

（6）绝缘环和U形密封圈的加工　按施工图纸将高强度环氧玻璃布层压板切割成绝缘环，并用模具将U形密封圈压制成形，保证其具有良好的残余弹性。

（7）组装　按明细表备齐各件，并使用干净的纱布对各零件表面进行清洁，不得存在油污、铁屑等杂物。将各零件按图纸装成组件，然后置于龙门工装上用50t千斤顶压紧，压紧后将法兰、固定环点焊牢固。

（8）焊接　按焊接工艺卡焊接固定环与法兰Ⅰ焊缝；将短节Ⅰ与法兰Ⅰ、短节Ⅱ与法兰Ⅱ组对、点焊，按照焊接工艺卡进行施焊。

（9）焊缝的检测　焊接表面不得有裂纹、夹渣、焊瘤、弧坑等缺陷，焊接区不得有飞溅物。所有对接接头进行100％射线检测和100％超声波检测。不能进行射线和超声波检测的焊缝，采用磁粉、渗透或其他可靠的方法进行表面检测，确认无裂纹或其他危害性的缺陷存在。管端坡口表面应进行磁粉或着色检测，确认无裂纹和分层存在。

（10）绝缘电阻测试　组装完成后对每个绝缘接头进行电绝缘测试。绝缘接头垂直放置，用合适量程的兆欧表进行测量。500V直流电压下，绝缘接头的电阻值须大于10MΩ。绝缘接头的电阻值若达不到规定值，则将其与测试设备分开，用热空气再次吹干后测量电阻值，如仍达不到规定值，则认为该绝缘接头不合格。

（11）电绝缘强度试验　绝缘接头垂直放置试验，施加电压2.5kV，频率50～60Hz的正弦波交流电，电压从初始值不大于1.2kV逐步上升，30s内达到2.5kV，保持60s，测试过程中无绝缘损坏和表面电弧为合格。

（12）压力试验　整体式绝缘接头完成制造7天后进行水压试验。压力试验前，内表面应清扫干净，内部没有松散的锈垢、脏物和杂质。焊接打压盲板，安装打压管道及设备、压力表等为压力试验做好准备。向筒体内充水并排尽空气。试压时压力应缓慢上升，达到1.5倍设计压力保压时间不小于30min，确认无泄漏后将压力降至设计压力，并保持压力足够长时间对所有接头和连接部分进行检查，不渗不漏、无变形为合格。如果发现任何泄漏或缺陷，修复和重新试验。

上述水压试验合格后，绝缘接头应采用空气进行气密性试验，试验压力为设计压力，通过肥皂泡或其他合适的方法检查，无泄漏为合格。

水压加载试验——同种规格产品的5％，但不少于1个，应进行水压加弯矩试验：在保持试验压力的同时，使用加载设备在中部施加弯矩（按图纸技术参数要求）。试验后无渗漏、无可见变形、试验过程无异常的响声、表面经无损检测抽查未发现裂纹为合格。

水压压力循环——同种规格产品的5％，但不少于1个，应进行水压压力循环（疲劳）试验：在内压作用下，连续施加40个疲劳周期。每个周期，内压从1MPa到设计压力，再到1MPa。结束以上疲劳测试后，维持1.5倍设计压力最少30min。温度需恒定。无任何泄漏或破坏为合格。

（13）填充　将合格产品按图纸要求开坡口并保证长度要求。绝缘接头内部填充绝缘密封填充物环氧树脂。

（14）防腐处理　整体式绝缘接头内、外表面进行喷砂除锈处理，喷砂除锈等级不低于GB/T 8923—1998中Sa2.5级为合格。绝缘接头内、外表面涂刷非导电的环氧树脂漆和面漆（距焊接端100mm范围内不涂环氧树脂漆，但应涂一道防锈底漆，以保证管端不生锈），涂层干膜厚度应大于300μm。

（15）涂层检测　在至少2.5kV电压下，用漏电检测器对每个绝缘接头内、外涂层进行缺陷检查，发现外涂层和内涂层上的缺陷后应予以修补，对缺陷处进行清理、打磨、涂覆后，应重新测试，直至合格。每一个绝缘接头进行涂层干膜厚度测量。用于测量局部厚度的每个基准表面面积应不小于1cm2，基准表面的个数应使基准表面的总面积不小于有效表面面积的5％，基准表面的位置应均匀分布在整个有效表面上，在选择的基准面内做5点测量。单点干膜厚度应大于360μm，基准表面内的平均厚度应大于300μm，且能通过漏电检测器的检测。

黏附力测试：按ISO2409对绝缘接头内、外涂层进行黏附力测试，测试结果小于等于2级为合格。如涂层黏附力不够，需将原来的内、外涂层用喷射方法清除，然后重新涂敷，重新测试。

（16）外观检验　绝缘接头的外观应平整美观，端部坡口内侧以及锻件本体内侧应与所接管线内侧齐平。外表面无碰伤、毛刺、凸凹不平；焊接接头表面圆滑、平整。

（17）包装　整体式绝缘接头检验合格后，管端坡口以金属环形保护罩保护，确保接头在运输和现场储存过程中不受污染、腐蚀和机械损伤，对焊接接头端部应用有效方法给予保护。整体式绝缘接头采用塑料密封，并用木箱包装。