法兰手册(法兰垫片连接接头的密封机理及失效形式)

Posted 2023-05-31

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法兰手册(法兰垫片连接接头的密封机理及失效形式)

　　1、法兰垫片连接接头的密封机理

　　螺栓法兰垫片接头结构由法兰、垫片和螺栓组成，其结构如图 1。法兰和垫片在螺栓紧固力及管道内介质压力的作用下，将中间密封面处的垫片压紧如图 2;当垫片受到的单位面积的预紧力达到一定程度后，垫片受力变形，将法兰因机加工形成的凹坑填平，从而在法兰与垫片间形成密封。密封性能的好坏受垫片材质影响。

　　研究表明同种材质的垫片，垫片越宽，垫片所需的螺栓预紧力越大，进而对螺栓或法兰材料有更高的强度要求或增加两者的尺寸;每种型号的法兰都有一个密封面，在未施加压力前，垫片与法兰密封面的接触宽度为垫片的接触宽度;当施加压力后，法兰会产生一定的偏转，造成法兰密封面内圈脱离垫片，是故这部分接触面达不到应有的密封效果，密封面外边沿被压紧部分称之为垫片基本密封宽度。其中基本密封宽度中实际能起有效密封作用的宽度只有靠近垫片外径的部分，称为垫片有效密封宽度。由上述可知，在实际应用中法兰与密封面的密封宽度=垫片有效密封宽度<垫片的基本密封宽度<垫片的接触宽度，所以在选用垫片时，垫片应当由足够的宽度，以便使其有效宽度增大。

　　2、法兰垫片密封失效形式

　　从连接整体角度来看，接头处密封失效形式可以分为强度失效和密封失效，相对于接头结构原因引起密封失效，在实际工程使用中一般不会发生，密封面处密封失效则是造成泄漏的主要原因。密封面处泄漏主要分为渗透泄漏和界面泄露;渗透泄漏一般与管路中介质压力、温度和垫片材质有关，根据工况选择合适材质垫片，一般不会出现工作介质通过垫片材料间隙泄漏即渗透泄漏这种情况;界面泄漏是指工作介质通过垫片与法兰接触面间隙泄漏[4]，据统计，界面泄漏占接头处泄漏总量的 80%~90%，在工程中很容易出现，其泄漏的大小主要和界面间隙有关。对于泄漏，一般在查明不是因接头结构强度失效引起渗透泄漏后，优先考虑泄漏由界面泄漏引起。

　　3、法兰垫片密封界面泄漏影响因素

　　(1)法兰机加工过程中会出现机械变形、震动等情况，从而造成法兰密封面处存在高低不平的间隙影响;在预紧力不足或选着垫片材质不合适的情况下垫片不能有效填充法兰密封面上的凹凸不平处，从而造成泄漏。

　　(2)垫片性能，如垫片的压缩回弹性能;蠕变松弛性能(垫片的蠕变松弛性能是影响法兰接头密封性能的一项十分重要的力学性能，它能导致垫片应力的下降，使接头最终趋向泄漏[7]);垫片材质;垫片结构形式影响;当设备或管道在工作状态时，介质内部轴向应力力拉伸螺栓，使得法兰密封面沿着彼此分离的方向移动如图 3，降低了密封面与垫片之间的压紧应力，从而起到密封作用的仅为垫片的有效密封压力。如果垫片具有足够的回弹能力，使压缩变形的回复能补偿螺栓和密封面的变形，则法兰密封面之间能够保持良好的密封状态。反之，垫片的回弹力不足，垫片单位面积所受压力达不到介质内部所需密封压力，密封处在内部压力的作用下重新出现缝隙，出现界面泄漏。

　　(3)紧固件安装载荷方面影响;提高紧固件预紧力，可以一定程度上增大垫片的密封能力，但过大的预紧力，会使导致连接法兰变形，有垫片效密封宽度变窄，甚至会对垫片边沿造成完全损坏，同时导致垫片回弹量无法填补因上下法兰偏转形成的缝隙，从而不能保证其在接头处的整体性能。另外，在实际安装中，大部分操作安装工具为气动枪和扳手，对于安装螺栓预紧力的大小基本依靠操作人员的经验，很难把握，不排除因施加预紧力过大而造成螺栓变形的情况发生，再有拧紧螺栓顺序不当，也可造成垫片弯曲或缠绕垫片解体如图 3 所示。

　　(4)法兰、紧固件强度和刚度影响;受安装预紧力和管道内介质工作压力影响，法兰与紧固件必须选用合适的材质，以避免因安装过程中受力造成法兰出现裂纹或者紧固件变形甚至断裂，造成泄漏。因此为满足连接处密封，必须使在管路或设备工作时，接头处有一定的残余应力。为此，螺栓和法兰都必须具有足够大的强度和刚度，使螺栓在内部压力作用下不发生过大的变形。

　　(5)工程中管道法兰支撑情况影响;在实际工程使用的工程中，应当按照设计工艺手册设计安装，按照合适的距离增加支架对管路进行有效支撑，避免出现因管路本身重量、震动等引起法兰连接处中心不对中形成剪力，引起紧固件变形，甚至密封面错位，不能形成有效密封，从而引起泄漏。

　　(6)工况条件(压力和温度)影响;罗从仁[5]实验研究发现在常温下对法兰密封机构内部施加力，螺栓应力减小，且在不超过 1.5MPa 情况下，螺栓应力与内部压力成反比;常压下升高温度，螺栓法兰密封结构的螺栓应力也会减小，说明压力和温度都会一定程度上影响螺栓法兰垫片的密封性能。李骏[6]等人通过正交试验法分析工作温度、工作压力、垫片宽度和螺栓直径等因素，发现垫片宽度是对结构泄漏率影响最大的因素。原因主要表现为以下几个方面：

　　高压引起法兰螺栓变形扭曲，如图 3，造成法兰密封面处间隙增大，引起界面泄露;压力增大情况下，因材质强度不够引发裂纹，造成强度失效;

　　高温引起法兰、螺栓蠕变，垫片性能变化，比压减少，导致法兰接头泄漏;

　　高温造成法兰、螺栓、垫片材料强度下降，变形增大，引起受力不均匀，导致法兰接头泄漏。

　　参考文献：

　　[4] 王铭松，李居海.静密封失效分析及垫片选型[J].聚酯工业，2007，20(4)：54-56.

　　[6] 罗从仁.法兰螺栓垫片系统高温密封性能研宄[D].大连：大连理工大学，2013.

　　[7] 《法兰用密封垫片实用手册》编委会法兰用密封垫片实用手册[M].北京：北京中国标准出版社，2004.

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