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【摘 要】在石油化工装置中,法兰连接是管道、管件、阀门、仪表、设备等自身和相互实现连接的最常见、最重要的连接形式.本文探讨了管法兰的泄漏及在设计工作中应注意的问题.

【关 键 词】法兰；垫片；螺栓；泄漏

0.概述

石油化工装置中,法兰连接是管道、管件、阀门、仪表、设备等自身和相互实现连接的最常见、最重要的连接形式之一.连接法兰主要依靠其连接螺栓产生的压紧力,通过法兰垫片达到足够的工作密封比压来阻止管道内介质外漏,实现密封.这种连接虽具有拆卸方便且不用动火等特点,但因其本身的结构特点,处理不当就会造成泄漏,不仅会造成资源浪费,而且还污染环境,甚至造成人员伤亡及财产损失.因此,探讨管法兰的泄漏对于设计工作具有较好的现实意义.

1.法兰的密封与泄漏

法兰的密封原理.

法兰连接,确切地说应该是螺栓、法兰、垫片连接,其密封是靠三者的协同作用来实现的.其中垫片是实现密封的核心部件.

1.1密封机理

通过螺栓的预紧力,是垫片和法兰密封面之间产生足够的压力,使垫片表面产生的变形足以填补法兰密封面的微观不平度,达到密封的目的.为达到上述目的所作用到垫片上的最小单位压紧力,称为比压力Y.当管系达到操作压力时,在内压的轴向作用力的作用下,两片法兰呈现分开的趋势,螺栓将产生弹性或塑性变形,作用在垫片上的压紧力将减少.当作用在垫片有效截面上的压紧力减小到某一临界值时,仍能保持密封.这时垫片上的剩余压紧力即为垫片的有效紧固力,当有效紧固力小到某一临界值以下时,就会发生泄漏,甚至能使垫片错位.因此,垫片的有效紧固力必须大于管系的操作压力,垫片的有效紧固力与管系的工作压力的比值称为垫片系数m.两片法兰密封面之间的距离,在操作状态要比初始状态大,这时候垫片与法兰密封面的紧密性是靠垫片的回弹力来保证的.可以这么说,在初始密封阶段,垫片的表面塑性变形填补法兰密封面的微观不平度起决定作用的；而在操作状态下法兰的密封,垫片内部的弹性回复起主导作用.

1.2密封过程中密封面的微观变化分析

对密封面加载过程的初期,两密封面间首先接触的是表面最突出部分的毛刺、颗粒状杂质等.但因此局部载荷很大,这些凸出部分很快被压平或嵌入对方.此时密封面大部分呈自由状态,间隙很大尚不能形成密封能力；随着螺栓载荷的增加,密封面间波峰、波谷相互穿插、嵌合,微间隙逐渐减小,直到密封面完全贴合.在此阶段中,流道截面积随压紧力的增加而逐渐减小,流道阻力随之增大,相应地泄漏率逐渐减小,故此阶段增加垫片的压力荷载可有效的控制泄漏,我们可称此阶段为正常密封阶段.正常密封阶段结束后,密封面初始的不平度所形成的微间隙基本上已被填死,密封面大部分已嵌合,泄漏通道主要是由表面缺陷如裂纹、划伤等形成,而要进一步消除这部分的间隙则是十分困难的.

卸载过程中,密封面上由于相互嵌合而产生的塑性变形不因卸载而恢复.此时,只要垫片未被完全压死,只要垫片的回弹能力能够补偿由介质压力所引起的密封面间的轴向位移,则其还有一定的密封能力.但是,由于初始密封面的不平度,密封面上的应力是很不均匀的,嵌合过程中并非垫片的整个密封面都能形成与法兰密封面相吻合的塑性变形,其中一部分受力较小的波谷处,仍处于弹性状态.这部分弹性变形将随着压紧载荷的减小而恢复.

1.3实行密封的法兰、垫片、螺栓的应力应变协调变化过程

在预紧状态下,若安装应力不计,螺栓的预紧力即为垫片所受到的压紧力.设垫片的比压力为Y,有效接触面积为S,则据此求得的最小预紧力为：

T等于SY

上式表明,T是个只跟垫片的性能有关,而与操作条件无关的数据.而事实上,螺栓的预紧力是一个与操作条件密切相关的数据,所以这个值对螺栓法兰垫片连接的密封没有实际意义.

预紧状态下,螺栓的预紧载荷仅仅由垫片的压紧力而引起的.在操作状态时,随着压力的升高,螺栓的荷载开始增大,螺栓也因载荷的增加而变长,螺栓荷载直到系统达到操作条件而稳定到一个值G.另一方面,因螺栓伸长,两法兰密封面的间距变大而是垫片回弹,垫片的压紧力减少；使螺栓的荷载减少.我们最关心的是操作状态下垫片所受到的压紧力F,使垫片在操作状态下所受到压紧力为F的螺栓的预紧力,才是我们直接控制的,设为f.若操作状态下螺栓垫片法兰的力平衡方程可表达为：

G等于M+F

设从预紧状态到操作状态垫片的压紧力变化为△F,垫片的回弹量为L1,螺栓的伸长量为△L2.垫片和螺栓的弹性系数分别为K1、K2,则有：

△L1等于△F/K1等等等等等等（1）

△L2等于（P-△F）/K2等等等等等（2）

由于螺栓法兰垫片是协变过程,假设法兰为刚性件,则垫片的回弹量应与螺栓的伸长量相等,可得应变协变方程如下：

△L1等于△L2等等等等等等（3）

将（1）（2）式代入（3）可得：

△F等于[K1/（K1+K2）]P等等等等（4）

因预紧力f等于预紧状态垫片的压紧力,也等于操作状态下垫片的压紧力F加上2从预紧状态到操作状态垫片加压紧力的变化.即：

f等于F+△F等等等等等等（5）

垫片的最小压紧力为：

Fmin等于SY等等等等等等（6）

其中S为有效密封接触面积,Y为垫片的比压力

将（4）（6）式代入（5）式,可得应力协变方程如下：

fmin等于SY+P等等等等（7）

从（7）式中可以看出,螺栓的最小预紧力由两部分组成：

SY：这一部分是垫片有关的量.P：是与垫片、螺栓、操作条件有关的物理量.

上式表明预紧力F不但与垫片本身的属性有关,还与操作条件、螺栓本身的刚度有关.

事实上影响预紧力f的因素很多,诸如螺栓、螺母的制造质量,螺纹的清洁程度、螺母与螺栓及法兰接触面的润滑状况、垫片的塑性变形、法兰的塑性和弹性变形、法兰的转角等等都是影响预紧力的因素.另外,系统的温度变化和垫片的蠕变和应力松弛也对（7）式产生重大影响.这些诸多因素的作用结果使得法兰、垫片、螺栓的协变关系变得十分复杂,很难从理论上推出它们之间的关系.

1.4垫片的蠕变和应力松弛

既然垫片承受很大的压紧力,肯定存在蠕变和应力松弛,且这和现象随温度的升高而增大.只不过在这个过程中应力和应变都是逐渐变化的,在螺栓、法兰、垫片这种结构中,垫片的应力松弛必然会有应变发生,蠕变必然导致螺栓荷载的变化,因此这种变化既不是理论上的纯蠕变,也不是纯应力松弛,这里既有蠕变,也有应力松弛,我们可称之为蠕变――松弛.

2.受内压管道法兰热瞬态密封分析

高温会降低垫片的回弹能力和实际密封性能,就法兰螺栓结构来看,温度引起的变形式影响密封的主要因素之一.

2.1瞬态温度场

升温过程中,法兰环从内到外存在一定的温度差,因热量是从法兰内壁向外壁传递的,法兰中靠近外壁部分的温度变化比内壁滞后一段时间.螺栓与法兰之间仅靠接触面传热,螺栓

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