墊片的密封應(yīng)力

1、螺栓法蘭接頭安全密封技術(shù)（四） 墊片密封應(yīng)力 摘要： 在法蘭接頭設(shè)計(jì)或選用中，墊片雖然成本相對(duì)較低，但在保證連接密封性能、控制泄漏要求方面起著重要的作用。人們往往容易將泄漏的原因集中在墊片上，當(dāng)然有墊片本身的原因，但更多的是法蘭連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或選用中存在的許多問(wèn)題，最后通過(guò)墊片密封應(yīng)力的降低表現(xiàn)了出來(lái)。 在法蘭接頭安裝過(guò)程以及后續(xù)的各種使用過(guò)程中，墊片密封應(yīng)力的大小和變化受到眾多因素的影響。當(dāng)墊片的密封應(yīng)力降低到低于設(shè)計(jì)要求的基準(zhǔn)值時(shí)，其結(jié)果是導(dǎo)致法蘭連接的密封失效、發(fā)生泄漏。本文分析了引起墊片密封應(yīng)力降低的影響因素及其原因，介紹了估算方法，提出要減小彌補(bǔ)這樣的影響，維持法蘭接頭的密封狀態(tài)，初

2、始安裝螺栓載荷應(yīng)足夠大。同時(shí)螺栓也要有足夠的強(qiáng)度，能承受相應(yīng)的拉伸載荷及其可能的增加量。前言 螺栓連接法蘭接頭的強(qiáng)度和密封性能對(duì)于承壓設(shè)備/裝置以及管道系統(tǒng)的正常、安全運(yùn)行非常重要。法蘭連接強(qiáng)度的保證，在承壓設(shè)備行業(yè)（包括鍋爐、壓力容器、壓力管道）長(zhǎng)期以來(lái)都非常重視，當(dāng)然這很重要，但對(duì)于其密封性能的保證或評(píng)估國(guó)內(nèi)卻較少有研究。 螺栓墊片法蘭連接的泄漏途徑，一個(gè)是通過(guò)墊片內(nèi)部的滲透泄漏，另一個(gè)是通過(guò)墊片與法蘭密封面之間的間隙的界面泄漏，界面泄漏是最難對(duì)付的。通常，我們考慮通過(guò)選用不同材料和類型墊片用于不同的設(shè)計(jì)工況條件以及在墊片表面途密封劑量等方法，達(dá)到減少/控制泄漏的目的。要控制法蘭接頭的泄漏

3、，僅僅通過(guò)采用各種措施消除墊片與法蘭密封面之間的間隙/泄漏通道是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，最重要的是無(wú)論在安裝階段、還是各種使用過(guò)程中，當(dāng)螺栓/墊片有蠕變松弛產(chǎn)生、當(dāng)有介質(zhì)壓力等外載荷/溫度等作用下，墊片與法蘭密封面上必須始終保持/維持有足夠的壓縮應(yīng)力，本文稱之為“墊片密封應(yīng)力”。所以，法蘭接頭的強(qiáng)度和密封需要通過(guò)螺栓提供足夠的夾緊力和墊片密封應(yīng)力，來(lái)承受介質(zhì)壓力或各種外載荷，保證墊片的密封應(yīng)力在安裝以及隨后的各種工況條件下都維持在設(shè)計(jì)要求的基準(zhǔn)值以上，才能獲得有效的密封、控制泄漏。在法蘭接頭設(shè)計(jì)選用中，雖然墊片的成本相對(duì)較低，但墊片是個(gè)核心的問(wèn)題，在保證連接密封性能、控制泄漏達(dá)到設(shè)計(jì)要求中起重要的作用。

4、由于螺栓連接法蘭接頭的強(qiáng)度和密封性能受到諸多因素的影響，其復(fù)雜的力學(xué)和變形關(guān)系，涉及到一個(gè)專題領(lǐng)域，要消除/控制法蘭接頭的泄漏是困難的。為了保證安全使用、控制泄漏，墊片必須正確選用設(shè)計(jì)、保證質(zhì)量、正確地安裝，在任何工況條件下法蘭密封面和墊片接觸表面之間應(yīng)具有足夠的壓緊應(yīng)力。所以，墊片的密封應(yīng)力（ = 總的螺栓載荷力/墊片的壓縮面積）是法蘭接頭密封設(shè)計(jì)/選用的關(guān)鍵性能參數(shù)。1、墊片的蠕變松弛非金屬墊片中，包括半金屬墊片用填充材料或覆蓋層，經(jīng)常使用合成橡膠、PTFE等各種彈性材料。這類材料的特點(diǎn)之一，是具有不同程度的蠕變松弛特性，它與溫度、時(shí)間、初始應(yīng)力水平、密封材料厚度等多種因素有關(guān)。對(duì)于法蘭接

5、頭，經(jīng)常遇到墊片的蠕變松弛問(wèn)題。當(dāng)安裝/預(yù)緊達(dá)到密封設(shè)計(jì)要求的墊片，隨著時(shí)間的推移，由于墊片的蠕變松弛行為，墊片密封面的壓縮應(yīng)力會(huì)降低/減少，并影響法蘭接頭的剛度。當(dāng)應(yīng)力值下降到某一臨界值以下時(shí)，即出現(xiàn)連接的密封失效或泄漏。尤其在高溫下長(zhǎng)期使用，對(duì)墊片密封應(yīng)力降低的影響更加明顯（表1，纏繞墊片的常溫和高溫蠕便松弛性能數(shù)據(jù)）。很多墊片都在一定溫度下使用，但關(guān)于墊片的高溫蠕變松弛性能的數(shù)據(jù)卻不多。應(yīng)該說(shuō)蠕變并不只是高溫的現(xiàn)象，在低溫下也會(huì)產(chǎn)生。但由于溫度低蠕變現(xiàn)象不明顯，不容易察覺(jué)，但幾乎所有的墊片多多少少有發(fā)生。不同材料和結(jié)構(gòu)類型的墊片，蠕變松弛程度不同，。表2為幾種墊片的常溫蠕變松弛性能。表1

6、 常溫和高溫蠕變松弛墊片蠕變松弛率，%室溫650表2 墊片的蠕變松弛率墊片室溫蠕變松弛率，%壓縮石棉1630壓縮芳綸纖維1825柔性石墨5純PTFE1055填充PFTE30 墊片的蠕變松弛行為是影響螺栓法蘭接頭發(fā)生密封的主要原因之一。用戶經(jīng)常碰到，使用PTFE材料為主的墊片需在法蘭接頭安裝24小時(shí)后進(jìn)行再擰緊的操作，以彌補(bǔ)由于墊片蠕變松弛引起的墊片壓縮應(yīng)力降低以及由此引起的螺栓緊固載荷的減少。在非金屬墊片中，橡膠類墊片安裝后由于蠕變松弛引起墊片壓縮應(yīng)力的降低較大，石墨材料墊片相對(duì)較小，但墊片的蠕變松弛程度與配合的法蘭密封面結(jié)構(gòu)有關(guān)，即墊片的變形是否有約束。圖1為氟橡膠（Viton）墊片產(chǎn)品的實(shí)

7、測(cè)應(yīng)力松弛曲線，圖2為柔性石墨墊片的實(shí)測(cè)應(yīng)力松弛曲線。圖3為增強(qiáng)柔性石墨板和具有石墨覆蓋層波紋板的長(zhǎng)期蠕變松弛性能（實(shí)驗(yàn)），由圖可見，1天后墊片的應(yīng)力降低約為23%59%。(a) 有約束，墊片初始應(yīng)力10500psi(b) 無(wú)約束圖1 氟橡膠（Viton）墊片應(yīng)力松弛曲線（硬度75）圖2 柔性石墨墊片應(yīng)力松弛（無(wú)約束）注：墊片A，增強(qiáng)柔性石墨板（316不銹鋼鋼板0.05mm，兩側(cè)石墨層厚0.79mm） 墊片B，具有石墨覆蓋層的波紋板（不銹鋼波紋板0.76mm，兩側(cè)石墨層厚0.79mm，節(jié)距3.2mm） 墊片C，具有石墨覆蓋層的波紋板（不銹鋼波紋板0.61mm，兩側(cè)石墨層厚0.79mm，節(jié)距3.

8、55mm）圖3 墊片的蠕變松弛性能EN1591法蘭計(jì)算方法中，墊片蠕變松弛對(duì)于使用工況條件下墊片壓縮應(yīng)力的影響，用參數(shù)PQR表示。PQR為墊片密封面的剩余壓縮應(yīng)力（使用條件）與初始?jí)嚎s應(yīng)力（安裝狀態(tài)）的比值，按EN13555:2004的方法測(cè)定，是表示墊片短期松弛性能的度量參數(shù)（4小時(shí)，未考慮長(zhǎng)期松弛影響）。表3為EN1591-2：2008中給出的PQR。表3 PQR溫度，PQR非石棉纖維增強(qiáng)柔性石墨（沖齒板）帶內(nèi)外環(huán)纏繞墊室溫1.00.981.01.001750.90.82000.812500.90.773001.00.780.944001.04500.620.93上述數(shù)據(jù)都是在一定時(shí)間內(nèi)墊

9、片試驗(yàn)的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際使用存在有多大差別，以及墊片的蠕變松弛其對(duì)于墊片密封應(yīng)力影響程度的確定的工程實(shí)用方法還有待進(jìn)一步研究。此外，由于墊片的非線性應(yīng)力-變形（粘彈塑性），經(jīng)歷一次加載和卸載，墊片的密封應(yīng)力增加和減小，即使螺栓夾緊力回到原來(lái)的水平，墊片的密封應(yīng)力降低。在墊片設(shè)計(jì)或選用計(jì)算時(shí)，考慮墊片的蠕變松弛對(duì)于法蘭接頭密封性能的影響，通?？梢栽O(shè)定比較高的螺栓載荷、選用抗松弛性能好的或者新的高性能材料墊片、再擰緊（熱擰緊）等措施，以減小墊片蠕變松弛的影響。2、法蘭或螺栓的蠕變/松弛（1）溫度由于法蘭或螺栓的蠕變松弛，會(huì)影響實(shí)際作用于墊片密封面的螺栓載荷大小。但與墊片相比，螺栓和法蘭蠕變松弛

10、的影響相對(duì)較小。但具體影響有多大、程度如何，目前也沒(méi)有可以使用的規(guī)范方法計(jì)算確定。在EN1591(EN13445-3附錄G）中法蘭接頭的計(jì)算，也沒(méi)有考慮到螺栓和法蘭蠕變松弛對(duì)于法蘭接頭密封性能的影響。究其原因可能是很少有螺栓選用設(shè)計(jì)用于其蠕變溫度范圍的應(yīng)用實(shí)例。 圖4為溫度對(duì)螺栓材料的應(yīng)力松弛的影響。除了常溫使用工況條件以外，法蘭和螺栓之間存在有一定的溫差，不同的熱膨脹量會(huì)引起法蘭接頭中力/變形平衡的變化，從而引起墊片密封應(yīng)力的變化。必要時(shí)應(yīng)考慮取一定的安全裕量，或進(jìn)行使用條件下蠕變松弛的評(píng)估，來(lái)確定使用條件下墊片的實(shí)際壓縮載荷。通常，對(duì)于法蘭和螺栓選用膨脹系數(shù)相近的材料，并正確安裝的法蘭連接

11、，一般認(rèn)為可以在260以下正常使用。實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)也表明，靜態(tài)或動(dòng)態(tài)溫度對(duì)于法蘭接頭密封性能的影響，大致相當(dāng)于10%屈服強(qiáng)度的螺栓載荷的減少。圖4 B7/B16/B8M螺栓蠕變松弛曲線（2）螺栓的短期應(yīng)力松弛 螺栓的短期應(yīng)力松弛會(huì)導(dǎo)致實(shí)際作用于墊片密封面載荷的減小。不同于溫度引起的材料的蠕變松弛行為，螺栓法蘭接頭在初始安裝后，每個(gè)螺栓的預(yù)緊載荷/法蘭接頭夾緊力或多或少會(huì)有減少。不考慮安裝過(guò)程程序、方法等原因，也排除安裝螺栓載荷超過(guò)材料屈服極限引起蠕變，主要原因是由于局部塑性變形，如螺母承壓面與法蘭背面之間、螺栓和螺母配合螺紋之間（螺母的第一個(gè)螺紋，螺紋配合面不平等）。所以，大部分螺栓的短期應(yīng)力松

12、弛發(fā)生在安裝擰緊后幾秒鐘或幾分鐘，在隨后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持在一個(gè)較低的水平。見圖5所示。 螺栓短期應(yīng)力松弛的大小和程度很難計(jì)算預(yù)測(cè)，大多數(shù)情況需通過(guò)實(shí)驗(yàn)大致確定。按照NASa(1998)提出的數(shù)據(jù)，由于螺栓的短期應(yīng)力松弛，螺栓預(yù)緊載荷的損失大約在2%-10%。一般，可以通過(guò)多次擰緊來(lái)減少其對(duì)墊片密封應(yīng)力降低的影響。對(duì)于螺栓來(lái)說(shuō)，除了材料的蠕變松弛，其他任何導(dǎo)致安裝螺栓載荷降低的因素，都將影響到墊片密封應(yīng)力的變化。通?？紤]選用合適的螺栓材料，消除/減小螺栓蠕變松弛的影響。圖5 法蘭接頭安裝擰緊后螺栓的短期松弛 圖6 法蘭接頭的轉(zhuǎn)角變形3、法蘭轉(zhuǎn)角實(shí)際上法蘭非完全剛性，安裝時(shí)在螺栓預(yù)緊載荷作用下產(chǎn)生

13、偏轉(zhuǎn)，如圖6所示。墊片內(nèi)徑處（圖6中B點(diǎn)）部分或全部卸載，墊片密封應(yīng)力沿徑向不均勻分布，墊片外徑處（圖6中A點(diǎn)）應(yīng)力高于內(nèi)徑處的應(yīng)力。當(dāng)有介質(zhì)內(nèi)壓以及管道系統(tǒng)外載荷（外力、外彎距、溫差等）作用時(shí)，將引起法蘭轉(zhuǎn)角變形的進(jìn)一步增加。同時(shí)，螺栓擰緊力降低。此外， 也就是說(shuō)，法蘭接頭安裝擰緊螺栓后，螺栓發(fā)生一定的拉伸變形。在使用工況條件下，法蘭的進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)的影響，使螺栓伸長(zhǎng)變形減少，擰緊載荷降低，導(dǎo)致墊片密封應(yīng)力減小，從而對(duì)法蘭接頭密封產(chǎn)生不利的傾向。這也可以用來(lái)解釋在實(shí)際工程應(yīng)用中，安裝時(shí)施加了很高的預(yù)緊力的法蘭接頭，使用中螺栓并沒(méi)有破壞。研究發(fā)現(xiàn)，法蘭轉(zhuǎn)角變形過(guò)大，容易引起法蘭接頭的密封失效，引起

14、泄漏。墊片接觸面密封應(yīng)力的這種變化，大尺寸法蘭接頭比較小尺寸法蘭接頭要大。圖7所示為采用纏繞墊的帶頸對(duì)焊法蘭接頭的FEA計(jì)算結(jié)果。分析表明，大直徑法蘭接頭由于轉(zhuǎn)角變形大，墊片密封面的應(yīng)力分布不均勻程度更大。即，隨著法蘭直徑的增加，法蘭的轉(zhuǎn)角變形對(duì)于法蘭接頭密封性能的影響增加。大尺寸法蘭的剛度比尺寸法蘭的剛度小，更加容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)角變形比如，大直徑奧氏體不銹鋼法蘭（剛度?。?，容易偏轉(zhuǎn)變形過(guò)大引起泄漏。 在ASME BPV VIII-2附錄2中，對(duì)法蘭安裝時(shí)的轉(zhuǎn)角變形有一個(gè)限制（法蘭剛度）。在EN1591(EN13445-3附錄G）中，有安裝和使用條件下法蘭轉(zhuǎn)角的計(jì)算，但計(jì)算方法復(fù)雜，也沒(méi)有提出限制要

15、求。圖7：墊片密封應(yīng)力的徑向分布注：r0：墊片內(nèi)半徑，0：墊片內(nèi)徑處密封應(yīng)力。4、介質(zhì)內(nèi)壓、外載荷 法蘭接頭安裝預(yù)緊后，法蘭、墊片、緊固件達(dá)到一個(gè)靜態(tài)力/變形平衡狀態(tài)。墊片上壓縮載荷FG = 螺栓預(yù)緊載荷Fb，圖8（a）所示。 在法蘭接頭設(shè)計(jì)或選用時(shí)，經(jīng)常是僅考慮介質(zhì)內(nèi)壓P的作用，其在法蘭接頭上產(chǎn)生一個(gè)軸向作用力W = 1/4D2P。如將由此產(chǎn)生的墊片壓縮載荷的變化設(shè)為FG，每個(gè)螺栓的拉伸載荷的變化為fb，則法蘭接頭達(dá)到新的力/變形平衡后墊片上的剩余壓縮載荷為 = Fb -FG(卸載)。圖8（b） 如果把螺栓載荷的變化fb與內(nèi)壓P引起的軸向載荷W/N的比值定義為載荷系數(shù)g（g = fb /（W

16、/N），可以看到，當(dāng)g為正值，螺栓載荷增加，當(dāng)g為負(fù)值時(shí)，螺栓載荷將降低。 實(shí)際使用工況條件下，除介質(zhì)內(nèi)壓力以外，管道系統(tǒng)中還可能有外載荷（外力、外彎距、溫度、壓力脈動(dòng)等）的作用，也有使法蘭接頭分離的趨勢(shì)，從而引起墊片接觸面實(shí)際壓縮應(yīng)力的降低，以及螺栓拉伸載荷的增加或減少，影響法蘭連接的密封性能。 因此，要彌補(bǔ)這樣的影響，維持法蘭接頭的密封狀態(tài)，初始安裝螺栓載荷應(yīng)足夠大。同時(shí)螺栓也要有足夠的強(qiáng)度，能承受相應(yīng)的拉伸載荷及其可能的增加量。 所以，當(dāng)有介質(zhì)內(nèi)壓或管道系統(tǒng)外載荷等作用時(shí)，法蘭接頭安裝時(shí)形成的初始力/變形平衡狀態(tài)將發(fā)生改變，也就是說(shuō)從安裝到后續(xù)的各個(gè)使用工況條件下，螺栓載荷和墊片密封面實(shí)

17、際的壓縮應(yīng)力水平都會(huì)有變化，變化數(shù)值的大小與安裝時(shí)螺栓預(yù)緊載荷的大小有關(guān)，這點(diǎn)很重要。（a） 安裝 （b）使用圖8 法蘭-墊片-螺栓接頭作用力墊片密封應(yīng)力的變化，在法蘭接頭密封性能評(píng)估中占有重要的位置。這可以用一個(gè)簡(jiǎn)化的示意圖來(lái)表示法蘭接頭中各組成元件之間力和變形的關(guān)系及其變化，稱之為法蘭接頭載荷平衡圖或密封圖。法蘭接頭密封圖經(jīng)常應(yīng)用于法蘭接頭的設(shè)計(jì)選用，可以直觀地說(shuō)明由于外載荷的作用引起法蘭接頭的力平衡變化的概念，特別是工作條件下墊片密封應(yīng)力的評(píng)估。最簡(jiǎn)單的密封圖用2條直線來(lái)表示，圖9所示，一條表示螺栓力和螺栓拉伸變形的關(guān)系（直線（c），另一條表示受壓元件的壓緊力和壓縮位移/變形的關(guān)系（直線

18、（b）。點(diǎn)對(duì)應(yīng)的兩條直線的交點(diǎn)表示螺栓預(yù)緊后的狀態(tài)，點(diǎn)表示介質(zhì)內(nèi)壓以及外載荷作用后新的力/變形平衡點(diǎn)。同時(shí)也可得到法蘭接頭安裝后螺栓力和壓緊力的變化（FG、Fb）。 這樣的密封圖非常簡(jiǎn)單，便于概念的理解，受壓件理想化為完全彈性（相當(dāng)于不考慮墊片以及法蘭的偏轉(zhuǎn)的影響）。一般，不能直接用于采用墊片密封的螺栓法蘭接頭的密封性能的評(píng)估。 圖9 法蘭接頭載荷平衡示意圖（無(wú)墊片）通常的（傳統(tǒng)的）觀點(diǎn)認(rèn)為，法蘭接頭安裝后增加的外載荷幾乎大部分是由螺栓來(lái)承擔(dān)的，即螺栓載荷增加。但對(duì)于一個(gè)剛度較大的法蘭接頭，也就是說(shuō)螺栓的剛度相比較法蘭/墊片的剛度要小得多的情況下，增加的外載荷部分實(shí)際由螺栓載荷增加而承擔(dān)的比例

19、很小。圖10（b）。也就是說(shuō)，當(dāng)法蘭接頭安裝完成后，介質(zhì)內(nèi)壓和外載荷的作用而產(chǎn)生的軸向力FP，使螺栓伸長(zhǎng)、法蘭/墊片卸載（墊片回彈，法蘭偏轉(zhuǎn)）。法蘭接頭上增加的外載荷的大小，實(shí)際是由螺栓和法蘭/墊片共同來(lái)承擔(dān)，并按照其剛度的大小進(jìn)行分?jǐn)?。相?duì)剛度大的，分?jǐn)?承擔(dān)的比例就大。如果是螺栓的相對(duì)剛度越大（法蘭/墊片相對(duì)剛度小，較“軟”接頭），則增加的外載荷越多的部分由螺栓載荷的增加來(lái)承擔(dān)，相應(yīng)地墊片的卸載就?。▓D10（a）。這種情況對(duì)于法蘭接頭的密封就有利。反之，墊片/法蘭的相對(duì)剛度大（較“硬”接頭），同樣的外載荷作用下，由墊片卸載來(lái)承擔(dān)得就越多(圖10（b）)，墊片密封應(yīng)力的降低越多，對(duì)于法蘭接頭

20、的密封就越不利。（a）“軟”接頭（b）“硬”接頭圖10 法蘭接頭載荷平衡示意圖（完全彈性體） 同樣的道理，對(duì)于螺栓的相對(duì)剛度較大的法蘭接頭，安裝螺栓載荷的確定應(yīng)考慮有一定的安全裕量（與最小屈服強(qiáng)度）。如安裝螺栓載荷的目標(biāo)值建議取螺栓材料最小屈服強(qiáng)度的50%。而對(duì)于法蘭/墊片的相對(duì)剛度較大的法蘭接頭，安裝螺栓載荷的目標(biāo)值可以適當(dāng)大些，如經(jīng)常建議取螺栓材料最小屈服強(qiáng)度的75%。這方面詳見本系列文章相關(guān)專題的內(nèi)容。 實(shí)際上，由于墊片的壓縮-回彈變形為非線性和粘彈性的特點(diǎn)，法蘭的偏轉(zhuǎn)變形以及法蘭/墊片與螺栓相對(duì)剛度的不同等因素的影響，對(duì)墊片密封應(yīng)力變化的影響是不一樣。圖11中考慮了法蘭的偏轉(zhuǎn)變形以及法

21、蘭/墊片與螺栓相對(duì)剛度的不同對(duì)于墊片密封應(yīng)力變化的影響。（a）載荷系數(shù)為正(b) 載荷系數(shù)為負(fù)注：（e）線表示在介質(zhì)內(nèi)壓及外載荷作用下螺栓載荷的變化；（e）線的斜率為kg/（1-g）, k為墊片回彈剛度系數(shù)。圖11 法蘭接頭載荷平衡示意圖圖中： (a)點(diǎn)為安裝時(shí)初始預(yù)緊達(dá)到的力平衡狀態(tài)，(d)點(diǎn)表示內(nèi)壓等外載荷作用后新的力平衡點(diǎn)，（e）線表示外載荷作用后螺栓載荷的變化?？梢?，由于外載荷的作用，墊片密封載荷降低（卸載），螺栓載荷依據(jù)法蘭接頭的載荷系數(shù)g的大小而增加或降低。法蘭接頭的載荷系數(shù)g與法蘭和墊片的剛度/柔性有關(guān)。當(dāng)載荷系數(shù)g為正時(shí)，螺栓載荷增加，載荷系數(shù)g為負(fù)時(shí)，螺栓載荷降低。有研究表明

22、，法蘭的公稱直徑增加，法蘭接頭的載荷系數(shù)降低，表示增加的外載荷由螺栓承擔(dān)的比例降低，相應(yīng)的墊片卸載增大，對(duì)于法蘭接頭的密封不利。表4為對(duì)于采用纏繞墊的2in20in、Class300的帶頸對(duì)焊法蘭，用FEM分析方法進(jìn)行的計(jì)算結(jié)果。通常，小直徑法蘭接頭的載荷系數(shù)為正，大直徑管法蘭接頭的載荷系數(shù)為負(fù)數(shù)因此，法蘭尺寸增加，墊片壓縮應(yīng)力降低越多，越容易發(fā)生泄漏。在確定安裝螺栓載荷時(shí)候，應(yīng)考慮這些影響，特別是大直徑法蘭接頭。表4管法蘭接頭的載荷系數(shù)g當(dāng)法蘭接頭的載荷系數(shù)為負(fù)數(shù)時(shí)，表示螺栓載荷降低螺栓載荷降低的部分以及作用的外載荷的部分都是由墊片的卸載來(lái)承擔(dān)的。在這種情況下，一是墊片的密封應(yīng)力降低，不利于

23、法蘭接頭的密封性能。二是當(dāng)墊片的密封應(yīng)力低于密封設(shè)計(jì)要求的基準(zhǔn)值、或螺栓載荷降低至密封設(shè)計(jì)要求的最小值以下時(shí)，則導(dǎo)致密封失效。圖12為考慮了墊片材料的非線形（粘彈塑性）特性的法蘭接頭密封圖，更接近于法蘭-墊片-螺栓連接接頭的實(shí)際密封行為。GL為墊片的壓縮變形曲線，GU為墊片的回彈（卸載）曲線。由作圖法可以獲得安裝預(yù)緊和使用工況條件下墊片的密封應(yīng)力，對(duì)法蘭接頭的密封性能進(jìn)行評(píng)估。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)除了墊片的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（壓縮和回彈）以外，還需要有安裝時(shí)墊片壓緊力作用下法蘭/螺栓的載荷-位移曲線（BFG）和使用工況下介質(zhì)內(nèi)壓等外載荷作用下法蘭/螺栓的載荷-位移曲線（BFP）。詳細(xì)的確定法蘭接頭中使用工

24、況條件下墊片的密封應(yīng)力水平的方法見參考文件6因此，使用工況條件下，介質(zhì)內(nèi)壓以及系統(tǒng)的外載荷的作用，對(duì)于墊片密封應(yīng)力降低的影響，與安裝時(shí)預(yù)緊螺栓載荷的大小、墊片材料和種類（壓縮-回彈特性）、法蘭/墊片與螺栓的相對(duì)剛度、法蘭的偏轉(zhuǎn)等因素有關(guān)。管道系統(tǒng)中的法蘭接頭，由于管道系統(tǒng)的布置，或安裝時(shí)不對(duì)中等原因承受外彎距的作用。在外彎距的作用下，法蘭接頭一側(cè)受拉伸，墊片密封應(yīng)力降低，容易導(dǎo)致泄漏或泄漏量增加。另一側(cè)受壓縮，墊片密封應(yīng)力增加，容易被壓壞。所以，外彎距的（存在）對(duì)于法蘭接頭的泄漏的影響是相當(dāng)大的。（a）墊片剛度較大 （b）墊片剛度較小圖12 法蘭接頭密封圖5、安裝過(guò)程法蘭接頭的安裝過(guò)程中，存在

25、眾多影響墊片密封應(yīng)力大小及其變化（降低）的因素，如螺栓的交互作用、不正確的擰緊方法、安裝誤差、使用工具、法蘭密封表面缺陷以及其他諸多不確定因素（操作載荷的不確定，溫度/壓力脈動(dòng)、熱循環(huán)等），從而引起各種偏差或偏離，導(dǎo)致螺栓載荷分布不均勻及目標(biāo)螺栓載荷的大小，也影響墊片密封面應(yīng)力的大小和分布，引起法蘭連接的密封失效。所以，從保證法蘭接頭使用密封性的觀點(diǎn)，應(yīng)保證有足夠的目標(biāo)安裝螺栓載荷，以保證在各種可能的使用工況條件下，墊片密封面始終具有足夠的壓縮應(yīng)力，以滿足法蘭接頭密封設(shè)計(jì)的要求。這方面的纖細(xì)內(nèi)容參見本系列文章的其他相關(guān)專題。6、ASME PCC-1-2010方法ASME PCC-1是關(guān)于承壓設(shè)

26、備用法蘭接頭安裝的指導(dǎo)性技術(shù)文件，目的是控制由法蘭接頭引起的泄漏，并已得到廣泛的工程應(yīng)用。ASME PCC-1依據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究的積累，推薦以B7螺栓屈服強(qiáng)度的50%作為目標(biāo)安裝螺栓應(yīng)力，并確認(rèn)對(duì)于大多數(shù)采用非金屬平墊片或半金屬平墊片用于Class系列標(biāo)準(zhǔn)法蘭是可行的。對(duì)于墊片的松弛系數(shù)，推薦在沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下可取0.7，即認(rèn)為法蘭接頭由安裝到使用過(guò)程中，螺栓緊固載荷的損失越為30%。由于，Class300帶頸對(duì)焊法蘭采用纏繞墊時(shí)，其墊片密封應(yīng)力的變化如表5所示。從安裝到使用過(guò)程中，墊片的密封應(yīng)力是降低的，相同壓力等級(jí)下，尺寸越大下降得越多。表5 纏繞墊的密封應(yīng)力變化DN墊片密封

27、應(yīng)力，%安裝使用15318.32220.013120302.56208.303125219.27149.523232203.04133.833440222.72148.443350224.06147.053465301.02198.953480205.54131.7336100140.9685.6539125118.4166.4544150123.6270.8043200125.1569.5344250179.34102.9543300160.7389.2944350184.54103.6944400169.3494.1144450141.3077.4645500128.2965.944960

28、0146.5476.2648650208.25113.2546700194.37101.0348750209.54108.8448800224.74116.6848850212.42105.5650900271.82144.4847950193.0472.22631000172.6768.42601050164.6760.16631100169.7564.45621150163.6657.85651200178.5665.46631250201.9178.85611300194.4371.11631350190.9665.87661400184.4158.78681450202.9268.93

29、661500196.4261.8968總結(jié) 在法蘭-墊片-螺栓連接的密封性能評(píng)估中，法蘭接頭安裝時(shí)以及后續(xù)的各個(gè)使用工況條件下的墊片密封接觸面的實(shí)際壓縮應(yīng)力水平，直接影響法蘭接頭的緊密性程度。所以，墊片密封應(yīng)力的大小及其變化，在法蘭接頭密封性能評(píng)估中占有重要的位置。特別是介質(zhì)內(nèi)壓和外載荷的作用對(duì)于墊片密封應(yīng)力降低的影響，急需確立適合工程實(shí)用的計(jì)算或評(píng)估方法。從法蘭接頭的安裝到各種使用條件下，最大安裝螺栓載荷、墊片/螺栓/法蘭材料的蠕變松弛性能、法蘭在彎距作用下的偏轉(zhuǎn)、法蘭/墊片與螺栓材的相對(duì)剛度大小、不同材料和類型墊片的壓縮回彈性能以及安裝過(guò)程中的諸多不確定因素都將影響墊片的密封應(yīng)力的降低，當(dāng)墊片密封應(yīng)力低于密封設(shè)計(jì)要求的基準(zhǔn)值時(shí)，則導(dǎo)致法蘭連接的密封失效和泄漏的發(fā)生。 可以說(shuō)泄漏對(duì)于墊片的密封應(yīng)力的降低是非常敏感的?？紤]安裝到使用期間，各種可能引起墊片密封應(yīng)力降低的因素的影響，在考慮有一定安全裕量的前提下，最簡(jiǎn)單也是最有效的方法就是盡量提高目標(biāo)安裝螺栓載荷，即提高墊片的目標(biāo)安裝應(yīng)力水平。尤其是高壓和大直徑法蘭接頭，這對(duì)于保證使用條件下法蘭連接的密封性能、控制泄漏的發(fā)生是有利的。參考文獻(xiàn)：1、Improved flange design method for the ASME 8,Div.22、Daniel F. Reid etc，“ A PRACTICAL AP