2025年法兰基础试题及答案

2025年法兰基础试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列法兰类型中，属于松套法兰的是（）。A.带颈对焊法兰B.平焊法兰C.翻边短管法兰D.承插焊法兰答案：C2.石化装置中，介质为高度危害的剧毒气体（如光气），设计压力6.3MPa、设计温度300℃时，优先选用的密封面形式是（）。A.突面（RF）B.凹凸面（MFM）C.榫槽面（TG）D.环连接面（RJ）答案：D3.根据最新版《钢制管法兰》（GB/T9112-2024），公称压力PN40的法兰在400℃时的最大允许工作压力（）。A.等于PN40（4.0MPa）B.小于PN40C.大于PN40D.由材料许用应力单独决定答案：B4.下列法兰材料中，适用于-196℃低温环境的是（）。A.Q345RB.06Cr19Ni10（304）C.16MnDRD.20R答案：B5.法兰连接中，螺栓预紧力的主要作用是（）。A.防止螺栓松动B.压缩垫片形成初始密封比压C.提高法兰刚度D.平衡介质内压产生的分离力答案：B6.某管道设计压力10MPa、设计温度200℃，选用PN16（16MPa）的对焊法兰，其压力-温度等级校核的核心依据是（）。A.法兰材料在200℃时的许用应力B.法兰公称直径C.垫片类型D.螺栓材料强度答案：A7.与突面法兰相比，凹凸面法兰的主要优势是（）。A.加工成本低B.垫片定位更可靠C.适用更高压力D.对中要求低答案：B8.下列垫片中，属于半金属垫片的是（）。A.石棉橡胶板B.金属缠绕垫（带内环）C.聚四氟乙烯包覆垫D.柔性石墨复合垫答案：B9.法兰厚度设计时，最关键的计算参数是（）。A.法兰内径B.螺栓中心圆直径C.法兰承受的力矩D.垫片宽度答案：C10.海上平台盐雾环境中，法兰连接的防腐蚀措施优先选择（）。A.普通碳钢法兰+红丹底漆B.316L不锈钢法兰C.碳钢法兰热浸锌D.涂覆环氧树脂涂层答案：B二、判断题（每题1分，共10分。正确填“√”，错误填“×”）1.平焊法兰的颈部厚度通常小于对焊法兰，因此更适用于高温高压场合。（）答案：×2.金属环垫（如八角垫）与环连接面法兰配合时，需通过螺栓预紧使垫片发生塑性变形实现密封。（）答案：√3.法兰压力-温度等级表中，同一公称压力下，材料为15CrMoR的法兰允许工作压力高于Q245R。（）答案：√4.为提高密封可靠性，法兰连接中螺栓预紧力越大越好。（）答案：×5.承插焊法兰适用于DN100以上的大口径管道。（）答案：×6.非金属垫片（如石棉橡胶垫）的密封比压通常小于金属垫片。（）答案：√7.法兰与管道焊接时，平焊法兰只需单面焊接，对焊法兰需双面焊接。（）答案：×8.当管道介质为强腐蚀性酸液时，可选用全聚四氟乙烯法兰。（）答案：√9.法兰刚度不足会导致垫片压缩量不均匀，降低密封性能。（）答案：√10.按照ASMEB16.5标准，Class300法兰的公称压力相当于PN50（5.0MPa）。（）答案：×三、简答题（每题6分，共30分）1.简述法兰连接的密封原理，并说明影响密封性能的主要因素。答案：法兰密封的核心是通过螺栓预紧力压缩垫片，使垫片产生弹塑性变形，填充法兰密封面的微观缺陷（如粗糙度、划痕），形成阻止介质泄漏的密封比压。当介质压力产生的分离力不超过垫片的剩余密封比压时，即可实现密封。影响因素包括：（1）垫片性能（材料、尺寸、压缩回弹率）；（2）法兰密封面质量（粗糙度、平面度）；（3）螺栓预紧力大小及均匀性；（4）介质参数（压力、温度、腐蚀性）；（5）法兰刚度（厚度、颈部结构）。2.对比带颈对焊法兰与平焊法兰的结构特点及适用场合。答案：带颈对焊法兰的颈部与管道采用全熔透对接焊连接，颈部厚度逐渐过渡到法兰本体，能有效降低焊接应力集中，刚性大、承载能力强；平焊法兰的颈部较短且与管道采用角焊连接，焊接应力集中明显，刚性较低。适用场合：对焊法兰适用于高温（＞300℃）、高压（＞4.0MPa）、介质毒性或可燃性高的重要管道；平焊法兰适用于常温、低压（≤2.5MPa）、介质无特殊危害的一般管道。3.说明法兰材料选择需考虑的主要因素，并举例3种常用材料及其适用场景。答案：材料选择需考虑：（1）介质腐蚀性（如酸液选不锈钢，碱液选碳钢）；（2）工作温度（低温选06Cr19Ni10，高温选15CrMoR）；（3）压力等级（高压选高强度低合金钢）；（4）成本（普通场合选Q345R）。常用材料举例：（1）Q345R：常温、低压、非腐蚀性介质（如水、蒸汽）；（2）06Cr19Ni10（304）：腐蚀性介质（如稀硫酸）、低温（-196℃～400℃）；（3）12Cr1MoVR：高温高压（500℃、10MPa以上）的电站锅炉管道。4.解释法兰“压力-温度等级”的含义，并说明其工程应用意义。答案：压力-温度等级（简称温压等级）是指某一材料的法兰在不同温度下允许的最大工作压力，通常以表格形式列出。其核心是考虑材料在高温下许用应力下降的特性，对公称压力进行修正。工程意义：避免直接使用公称压力（常温下的基准压力）导致超压风险，确保法兰在实际工况（温度、压力）下的安全性；为设计人员提供快速查取不同材料、温度对应的最大允许压力的依据，简化计算流程。5.列举3种常见法兰失效模式，并分析其主要原因。答案：（1）泄漏失效：主要原因包括垫片选型错误（如耐温不足）、螺栓预紧力不足或松弛、法兰密封面损伤（划痕、变形）；（2）法兰本体断裂：原因可能是材料缺陷（如夹渣）、长期超温超压导致蠕变失效、焊接缺陷（未熔合）；（3）螺栓断裂：可能因预紧力过大（超过螺栓屈服强度）、疲劳载荷（管道振动）、应力腐蚀（如Cl⁻环境下的304螺栓）。四、计算题（每题15分，共30分）1.某管道设计参数：设计压力P=6.4MPa，设计温度t=300℃，介质为无腐蚀性气体，采用带颈对焊法兰（材料16MnR，20℃许用应力[σ]₀=170MPa，300℃许用应力[σ]ᵗ=140MPa），公称直径DN200（内径Dᵢ=219mm），螺栓中心圆直径D=340mm，螺栓数量n=8，螺栓规格M24（螺纹小径d₁=20.752mm），垫片为金属缠绕垫（垫片宽度b₀=6mm，垫片系数m=3，比压力y=68MPa）。（1）计算垫片压紧力所需的最小螺栓载荷W₁；（2）计算操作状态下螺栓载荷W₂；（3）判断该法兰是否需进行厚度校核（无需计算具体厚度）。答案：（1）垫片压紧力W₁=π×D×b×y，其中b=2√b₀（当b₀≤6.4mm时），b=2×√6≈4.899mm。W₁=3.14×340×4.899×68≈3.14×340×333.13≈3.14×113264.2≈355,600N（取356kN）。（2）操作状态载荷W₂=π/4×Dᵢ²×P+π×D×b×m×P介质内压产生的轴向力F=π/4×219²×6.4≈3.14/4×47961×6.4≈3.14×11990.25×6.4≈241,000N（241kN）；垫片操作载荷F'=π×340×4.899×3×6.4≈3.14×340×94.06≈3.14×31,980≈100,400N（100kN）；W₂=241+100=341kN。（3）需校核法兰厚度。因W₁（356kN）＞W₂（341kN），法兰设计由预紧状态控制，需通过法兰力矩计算法兰环的径向、环向应力，验证是否满足[σ]₀和[σ]ᵗ的要求。2.某DN300对焊法兰（材料Q345R），设计压力10MPa，设计温度200℃（Q345R在200℃许用应力[σ]ᵗ=180MPa），法兰外径D₀=500mm，法兰厚度δ=50mm，螺栓中心圆直径D=400mm，螺栓数量12×M27（d₁=23.752mm），计算法兰在操作状态下的环向应力是否满足要求（法兰力矩M=2.5×10⁶N·mm，法兰平均直径Dm=(D₀+Dᵢ)/2，Dᵢ=325mm）。答案：法兰平均直径Dm=(500+325)/2=412.5mm；法兰环向应力σH=6M/(Dm×δ²)=6×2.5×10⁶/(412.5×50²)=15×10⁶/(412.5×2500)=15×10⁶/1,031,250≈14.54MPa；因σH=14.54MPa＜[σ]ᵗ=180MPa，满足要求。五、案例分析题（20分）某炼油厂催化裂化装置循环油管道（介质为含H₂S的重质油），设计压力4.2MPa，设计温度380℃，原采用PN6.3（6.3MPa）突面平焊法兰（材料Q235B），配石棉橡胶垫片（最高使用温度300℃）。投用半年后，法兰连接部位出现周期性泄漏，尤其在装置开停车温度波动时泄漏加剧。请分析泄漏原因，并提出改进措施。答案：泄漏原因分析：（1）垫片选型错误：石棉橡胶垫片最高耐温300℃，实际操作温度380℃，高温下垫片老化、炭化，失去弹性，无法维持密封比压；（2）法兰类型不当：平焊法兰刚性低，高温下因热膨胀导致法兰变形，密封面间隙增大；（3）材料匹配问题：Q235B为普通碳素钢，高温（＞350℃）下许用应力下降明显，法兰本体易发生蠕变变形；（4）介质腐蚀性：含H₂S的重质油对碳钢有一定腐蚀，可能导致法兰密封面减薄、粗糙度过大。改进措施：（1）更换垫片：选用金属缠绕垫（带内外环，耐温可达600℃）或柔性石