Flange 是甚麼 – 深入解析法蘭的定義、種類、應用與重要性

【Flange 是甚麼？】 — 法蘭的全面解析：管道連接的基石

在現代工業與工程領域中，無論是石化、電力、水處理、船舶還是建築的管道系統，都離不開一種關鍵的連接元件，它就是我們今天將深入探討的——「法蘭」（Flange）。

對於許多非專業人士來說，法蘭可能是一個陌生的詞彙，但它在確保流體（液體、氣體、蒸氣）安全、高效輸送方面扮演著不可或缺的角色。本文將從最基礎的定義出發，全面解析「Flange 是甚麼」，並詳細說明其種類、材料、壓力等級、密封原理及廣泛應用，幫助您徹底理解這個工業世界的無名英雄。

法蘭（Flange）的本質定義與核心功能

什麼是法蘭？

簡單來說，法蘭是一種用於連接管道、閥門、泵浦、壓縮機或其他設備的圓盤狀或環狀結構。它通常成對使用，透過螺栓將其與另一端帶有法蘭的組件緊密連接在一起，形成一個可拆卸、密封且堅固的管道或設備接口。

「法蘭的存在，使得複雜的管道系統在組裝、拆卸、維護與更換時，能夠保持高度的靈活性和效率，而不必破壞整個系統。」

法蘭的核心功能

法蘭之所以廣泛應用，主要歸因於其以下幾個核心功能：

• 連接與固定： 提供穩固的介面，將兩段管道、或管道與設備牢固地連接在一起，確保流體的連續輸送。
• 密封： 搭配墊片（Gasket）使用，並透過螺栓施加壓力，確保連接處在預定壓力與溫度下不發生洩漏，保障系統的安全運行。
• 方便維護與檢修： 相較於永久性的焊接連接，法蘭連接允許在不損壞整體系統的前提下，方便地進行拆卸、檢修、清洗或更換設備，大大降低了維護的時間和成本。
• 適應性： 能夠連接不同材料、不同尺寸或不同壓力等級的組件，提供設計上的彈性。
• 應力分散： 法蘭的設計有助於分散管道系統中因溫度變化、壓力波動或機械振動引起的應力。

法蘭的種類：多樣化的設計以應對不同需求

根據其連接方式、結構設計和應用場景，法蘭有多種不同的類型。了解這些類型對於正確選擇和應用法蘭至關重要。

1. 滑套法蘭（Slip-On Flange, SO Flange）

• 特點： 法蘭內徑稍大於管道外徑，管道可以直接滑入法蘭的孔內。通常需要內外雙面焊接，以提供足夠的強度和密封性。
• 優點： 安裝成本較低，安裝對中容易，不易變形。
• 缺點： 焊接量較大，強度不如對焊法蘭，不適用於高壓、高溫或對接頭強度要求高的場合。
• 應用： 常見於低壓、中壓、低溫或常溫的流體輸送管道系統，如水處理、消防系統、低壓蒸汽管道等。

2. 對焊法蘭（Weld Neck Flange, WN Flange）

• 特點： 具有一個逐漸變細的頸部（或稱為「長頸」），可以直接與管道對焊。頸部的厚度與管道壁厚相匹配，可提供良好的應力分散。
• 優點： 結構強度高，密封性能極佳，能承受高壓、高溫和嚴苛的應力條件，抗疲勞性能好。
• 缺點： 製造成本較高，安裝焊接要求嚴格，需要高水準的焊工。
• 應用： 廣泛應用於石化、電力、天然氣、核能等高壓、高溫或低溫管道系統，以及對洩漏有嚴格要求的關鍵應用。

3. 盲法蘭（Blind Flange, BL Flange）

• 特點： 沒有中心孔，是一個實心的圓盤。
• 優點： 用於封閉管道系統的末端、閥門或其他設備的開口，或作為檢修孔使用，便於將管道系統進行隔離或擴展。
• 應用： 適用於需要暫時或永久封閉管道的場合，如壓力測試、維護檢修或未來擴展預留。

4. 承插焊法蘭（Socket Weld Flange, SW Flange）

• 特點： 法蘭內徑設計為承插孔，管道插入法蘭的承插孔內，然後在法蘭的外側進行角焊。
• 優點： 安裝定位方便，不需要開坡口，焊接量相對較少，成本較低。適用於小口徑、高壓的管道系統。
• 缺點： 存在內徑死角（縫隙），可能導致腐蝕積累，不適用於含有固體顆粒或需要內部光滑的流體。
• 應用： 常見於化學工業、蒸汽、空氣、天然氣和非腐蝕性流體的小口徑高壓管道。

5. 螺紋法蘭（Threaded Flange, TH Flange）

• 特點： 法蘭內孔帶有螺紋，可直接與外部螺紋的管道連接，無需焊接。
• 優點： 安裝簡單快捷，無需焊接設備和焊工，可重複拆卸。
• 缺點： 密封性相對較差，只適用於低壓、低溫、非關鍵或非易燃易爆的場合，且存在螺紋洩漏的風險。
• 應用： 常用於水、壓縮空氣、儀器管道等低壓系統，或在易燃易爆場所因焊接存在危險而採用。

6. 套焊法蘭／搭接法蘭（Lap Joint Flange, LJ Flange）

• 特點： 由兩部分組成：一個搭接環（Stub End）和一個自由旋轉的法蘭環。搭接環與管道對焊，而法蘭環可以自由旋轉，便於對齊螺栓孔。
• 優點： 螺栓孔對齊方便，無需旋轉管道，安裝維護便利。法蘭環可以重複使用，節省成本。搭接環的材料可以與管道材料相同，而法蘭環可以使用較便宜的碳鋼。
• 缺點： 強度相對較低，適用於較低壓力的場合。
• 應用： 常用於需要頻繁拆卸、檢修，或使用特殊合金管道的系統（如不鏽鋼管道，但法蘭環使用碳鋼以節省成本）。

其他常見類型

• 孔板法蘭（Orifice Flange）： 專門用於安裝孔板流量計，測量流體流量。
• 長對焊頸法蘭（Long Weld Neck Flange）： 類似於對焊法蘭，但頸部更長，通常用於壓力容器、反應器等設備的連接。
• 錨固法蘭（Anchor Flange）： 用於管道的固定，限制管道的軸向移動。

法蘭的材料選擇：環境與介質的考量

法蘭的材料選擇至關重要，它直接影響到法蘭的耐壓、耐溫、耐腐蝕性能以及使用壽命。常見的法蘭材料包括：

• 碳鋼（Carbon Steel）： 如 ASTM A105、A350 LF2 等。這是最常見且成本效益高的材料，適用於非腐蝕性介質和常規溫度壓力條件。
• 不鏽鋼（Stainless Steel）： 如 ASTM A182 F304/304L、F316/316L 等。具有優異的耐腐蝕性能，適用於腐蝕性介質、食品級、醫藥級以及對清潔度要求高的場合。
• 合金鋼（Alloy Steel）： 如 ASTM A182 F5、F9、F11、F22 等。含有鉻、鉬等合金元素，具有更高的強度、韌性和耐高溫性能，適用於高溫高壓環境。
• 鑄鐵（Cast Iron）： 如 ASTM A126 Class B。成本較低，但強度和韌性較差，主要用於低壓、低溫的水、氣管道。
• 其他特殊材料： 如鎳合金（Inconel, Hastelloy）、鈦合金、非金屬（如塑膠）等，用於極端腐蝕性、超高溫或特殊潔淨要求的應用。

材料的選擇需綜合考慮管道內流體介質的性質（腐蝕性、溫度）、管道系統的工作壓力、環境溫度以及成本等因素。

法蘭的壓力等級與標準：確保兼容性與安全性

法蘭的壓力等級（Pressure Rating 或 Class）決定了它能夠承受的最大壓力和溫度。不同的標準體系有不同的表示方式：

• 美標（ASME/ANSI 標準）： 採用“Class”或“#”表示，如 Class 150、Class 300、Class 600、Class 900、Class 1500、Class 2500 等。數字越大，表示可承受的壓力和溫度越高。
• 歐標（DIN/EN 標準）： 採用“PN”表示，如 PN6、PN10、PN16、PN25、PN40、PN64、PN100 等。PN 值代表公稱壓力（Nominal Pressure），通常為巴（Bar）為單位。
• 日標（JIS 標準）： 採用“K”表示，如 5K、10K、20K 等。

選擇法蘭時，其壓力等級必須與管道系統的工作壓力、溫度以及所選材料相匹配。不同國家和地區的工業標準確保了法蘭的設計、製造和尺寸具有互換性，例如：

• ASME B16.5： 管道法蘭和法蘭配件（尺寸 NPS 1/2 至 NPS 24）。
• ASME B16.47： 大直徑鋼法蘭（尺寸 NPS 26 至 NPS 60）。
• EN 1092-1： 鋼製法蘭。
• JIS B2220： 鋼製管道法蘭。

法蘭密封面類型：實現可靠密封的關鍵

法蘭的密封面形狀對其密封性能至關重要，不同的密封面需要搭配不同類型的墊片。

• 突面（Raised Face, RF）： 最常見的密封面類型。其密封接觸面高於螺栓圓周面。這使得墊片能夠承受更高的壓力，同時將墊片力集中在較小的區域上，提高密封效率。
• 平面（Flat Face, FF）： 密封面與螺栓圓周面在同一平面上。通常用於低壓應用，特別是與鑄鐵或非金屬法蘭連接，因為它們對法蘭面上的應力比較敏感。
• 環連接面（Ring Type Joint, RTJ）： 在法蘭面上加工有梯形凹槽，與金屬環墊片配合使用。這種密封面提供非常堅固且可靠的密封，適用於高壓、高溫和嚴苛的工況。
• 凹凸面（Male and Female Face, M&F）： 由一個凸面法蘭和一個凹面法蘭組成。這種設計有助於對準墊片，並提供更好的防吹出保護，通常用於蒸汽、液體或氣體應用。
• 榫槽面（Tongue and Groove Face, T&G）： 類似於凹凸面，但接觸面更窄，提供更精確的對準和墊片保護。常用於特殊應用或某些閥門連接。

法蘭如何形成密封？墊片與螺栓的協同作用

法蘭連接的密封性不僅取決於法蘭本身的質量，更需要合適的墊片和正確的螺栓安裝程序。

• 墊片（Gasket）： 墊片是一種介於兩個法蘭密封面之間的軟性或半軟性材料，它在螺栓壓緊力作用下發生彈性或塑性變形，填充法蘭密封面上的微小凹凸不平，從而阻止流體洩漏。墊片材料多樣，包括非石棉纖維、石墨、PTFE、橡膠、螺旋纏繞墊片、金屬墊片等，需根據流體介質、溫度和壓力選用。
• 螺栓（Bolts）與螺帽（Nuts）： 螺栓穿過法蘭孔，搭配螺帽擰緊，對法蘭施加預緊力，將墊片壓縮，形成密封。螺栓的材料（如碳鋼、合金鋼、不鏽鋼）、尺寸和擰緊扭矩都至關重要，必須嚴格按照標準和規範執行，以確保均勻的預緊力並防止洩漏。

法蘭的廣泛應用領域

法蘭因其可拆卸、易維護的特性，幾乎存在於所有需要管道連接的工業和商業應用中：

• 石油和天然氣工業： 油氣開採、輸送、煉化、儲存中的各種管道、閥門、泵浦連接。
• 化工產業： 化學品生產、輸送管道，反應器、儲罐接口。
• 電力產業： 火力發電廠、核電廠的蒸汽管道、水循環系統、冷卻系統。
• 水處理與供水系統： 自來水廠、污水處理廠、水泵站的管道連接。
• 船舶製造： 各類船隻的流體輸送系統，如壓載水、燃料油、冷卻水管道。
• 暖通空調（HVAC）系統： 建築物內的冷卻水、熱水、蒸汽管道連接。
• 製藥與食品工業： 對清潔度要求高的生產線，通常使用不鏽鋼法蘭。
• 其他： 消防系統、採礦、造紙、冶金等各行各業。

結語：法蘭——工業連接的基石

透過本文的深入解析，相信您對「Flange 是甚麼」已經有了全面且深入的理解。法蘭作為管道和設備連接的關鍵元件，其多樣的類型、精選的材料以及嚴格的標準，共同確保了現代工業系統的安全、可靠和高效運行。

從低壓的日常用水管道到高壓高溫的石化輸送管線，法蘭無處不在，默默地發揮著其不可或缺的作用。正是這些看似微小的環狀結構，支撐起了龐大而複雜的工業骨架，成為流體輸送系統中名副其實的「連接藝術家」。

常見問題 (FAQ)

1. 如何選擇適合我需求的法蘭？

選擇法蘭時需綜合考慮多個因素：首先是管道內流體的性質（腐蝕性、溫度範圍）、系統的工作壓力。這將決定法蘭所需的材料（如碳鋼、不鏽鋼）和壓力等級（如Class 150、PN16）。其次，需考慮安裝空間和維護便利性，這會影響法蘭類型（如對焊法蘭、滑套法蘭、搭接法蘭）。最後，也要考量預算限制和所處行業的標準要求。

2. 為何法蘭連接比焊接連接更受歡迎？

法蘭連接的關鍵優勢在於其可拆卸性。相較於永久性的焊接連接，法蘭連接允許在不損壞整個管道系統的情況下，方便地進行設備的安裝、拆卸、檢修、清洗或更換，大大節省了維護時間和成本。此外，它還能在連接不同材料或壓力等級的管道時提供靈活性，並便於在現場進行組裝對中。

3. 法蘭的壓力等級（Pressure Rating）代表什麼？

法蘭的壓力等級（如 ASME Class 150 或 EN PN16）表示該法蘭在特定溫度下能夠安全承受的最大內部壓力。數字或字母值越高，表示法蘭的承壓能力越強。選擇法蘭時，其壓力等級必須大於或等於管道系統的設計工作壓力，並考慮到工作溫度對材料強度的影響，確保整個系統的安全性。

4. 如何確保法蘭連接的密封性？

確保法蘭連接密封性的關鍵在於正確選擇合適的墊片和精確控制螺栓的擰緊扭矩。墊片材料必須與流體性質、溫度和壓力兼容。在安裝時，法蘭密封面必須清潔無損，墊片應正確放置並居中。最重要的是，螺栓必須按照規定的順序和扭矩均勻地擰緊，以確保墊片受力均勻，從而形成可靠的密封。定期檢查和維護也對保持密封性至關重要。