法蘭螺栓墊片系統高溫密封性能研究

趙子艷

摘要：近年來，社會主義經濟建設的飛速發展，大力推動了我國的石油開采行業、化工建設行業以及能源開發等行業的發展。法蘭螺栓墊片系統在這些行業中被廣泛使用，隨著這些化工行業的發展，企業對于法蘭螺栓墊片系統的耐高溫程度以及密封性能的要求都更為苛刻。文章對法蘭、螺栓以及墊片在高溫下的密封性能進行了探討。

關鍵詞：法蘭螺栓；墊片系統；法蘭連接系統；高溫環境；密封性能 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH136 文章編號：1009-2374（2016）20-0066-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.032

如今，隨著我國的高端機械制造行業飛速發展，我國要想保持這種高端機械制造行業的發展速度，就要保證我們所生產出的高端機械的質量不存在任何問題。而作為我國高端機械制造行業發展的基礎的法蘭螺栓墊片，其作用可謂是“四兩撥千斤”，這一個小小的零件就能夠決定一臺機器的好與壞。本文將簡單介紹法蘭螺栓墊片連接系統的歷史與現狀，了解在高溫情況下墊片的類型對于法蘭螺栓連接系統的密封性能的影響，深入分析法蘭螺栓墊片系統的泄露形式以及影響法蘭螺栓墊片系統泄露的主要因素。

1 法蘭螺栓墊片連接系統的歷史與現狀

近幾年來，我國一直在堅持對于法蘭螺栓墊片連接系統的研究，并且也取得了不少的科技成果。各大高等學校和國家研究院也積極響應國家的號召，專門成立了針對法蘭螺栓墊片連接系統的研究工作的有關部門，但是研究成果始終不盡如人意，因此我國科研教育工作者不僅僅要加強在理論知識上的積累，還要在科學實踐的道路上堅定不移地走下去，實踐才是檢驗真理的唯一標準。近十年以來，中國在法蘭螺栓的發展上令世人矚目，同時也令不少發達國家感到吃驚，但是在大家都驚訝的同時，也讓他們發現了一個以法蘭螺栓的連接系統的密封為基礎的新興市場。當今中國的法蘭螺栓市場已經不拘泥于大量生產普通的標準螺栓，我國已經發現，傳統的發展已經不能真正地為企業帶來核心的競爭力，反而會受制于原材料、人力成本等條件的變化，因此我國現階段將市場打入研究法蘭螺栓的連接系統的密封性能上，而且在生產技術水平上也已經基本接近世界先進水平。傳統的對于法蘭螺栓墊片連接系統的研究工作還很不完善。首先，我們要明確，法蘭到底是什么？法蘭是法蘭螺栓墊片連接系統中的一個環節，主要是用于管端之間連接的零件，法蘭既可以用于管子與管子之間的連接，也可以用于設備與設備之間的連接。法蘭都是成對使用的，不同的情況使用不同的法蘭，如低壓管道可以使用絲接法蘭、4公斤以上壓力的使用焊接法蘭。不同壓力的法蘭厚度也不盡相同，因此它們使用的螺栓也不同。法蘭螺栓墊片連接系統的主要特點就是在拆卸方面簡單、使用強度高、密封性能好。在安裝法蘭的時候要求兩個法蘭保持平行，法蘭的密封面不能碰傷，并且要清理干凈，還要根據設計者的規定和要求選用合適的法蘭墊片。法蘭螺栓墊片連接系統使用起來非常方便，而且能夠承受的壓力也非常大。目前，在我國很多工藝設備上都會采用法蘭螺栓墊片的連接系統。雖然法蘭螺栓墊片的連接系統是我們工業上最常用的拆卸、連接裝置，但是，以我國目前的科技水平，還不足以解決法蘭螺栓墊片連接系統的高強度和緊密性不足的問題，不管是國外的工程師還是國內的工程師，都不能確保整個法蘭螺栓墊片連接系統的高強度和緊密性。因此，對于如何提高法蘭螺栓墊片連接系統的高強度和緊密性還有待研究。

2 法蘭螺栓墊片系統的泄露形式

2.1 法蘭螺栓墊片的滲透泄露

我們常見的法蘭螺栓墊片都是由石棉、聚四氟乙烯、非石棉、石墨等材料制成的，這些材料的密封程度較弱，組織松散、致密性差、纖維之間的縫隙非常大，容易滲透的地方非常多，尤其是在高溫的情況下，介質會穿透纖維之間的縫隙滲透出去，造成滲透泄露。

2.2 法蘭螺栓墊片的界面泄露

如果法蘭螺栓密封墊片的壓緊力不足，兩個法蘭安裝時沒有保持平行，法蘭的密封面粗糙度較大，法蘭表面清理得不夠徹底，當管道由于溫度升高或者壓力而變形的時候，就會造成法蘭界面連接出現松動，造成法蘭螺栓墊片的界面泄露。另外，法蘭螺栓的變形，法蘭螺栓的密封墊片長時間使用導致壓迫變形的等問題都會造成法蘭螺栓墊片的界面泄露，并且法蘭螺栓墊片的界面泄露是導致泄露的主要途徑。

3 影響法蘭螺栓墊片系統泄露的主要因素

3.1 螺栓預緊力的影響

經過一系列的調查研究我們發現，增加法蘭螺栓的螺栓預緊力，可以增大對法蘭螺栓的連接系統的密封情況。但是如果法蘭螺栓的螺栓預緊力過大，就會造成法蘭螺栓墊片的彈性變差，甚至會完全失去彈力，這樣就會造成法蘭螺栓墊片起不到它本來的作用，不能維持它在工作狀態下所需要的彈性。因此，當法蘭螺栓的連接系統的密封所需要的螺栓預緊力大小確定下來之后，就可以采取一些有利于法蘭螺栓的連接系統的密封的方式，如增加法蘭螺栓的數目等。

3.2 操作條件的影響

操作條件就是指影響法蘭螺栓墊片連接系統的密封的外界條件，如壓力、溫度、介質的物化性質等。單單憑借壓力和介質的物化性質還不足以對法蘭螺栓墊片的連接系統的密封程度產生太大的影響，造成法蘭螺栓的連接系統的密封泄露的最主要的因素還是溫度的升高或降低，在高溫條件下，一方面，法蘭螺栓墊片的滲透能力會增強，從而造成法蘭螺栓的連接系統的密封泄露嚴重；另一方面，會加劇對于法蘭螺栓墊片的腐蝕度和溶解度，從而導致法蘭螺栓的連接系統的密封泄露程度加重。而對于法蘭螺栓的非金屬墊片則會造成墊片的老化和變質，甚至于燒毀，也會對法蘭螺栓連接系統的密封性能產生影響。

3.3 法蘭螺栓墊片性能的影響

法蘭螺栓墊片適當的變形和回彈是形成法蘭螺栓連接系統的密封的一個重要現象。法蘭螺栓墊片的變形主要包括彈性變形和塑性變形。如果我們選擇制作法蘭螺栓墊片的材料擁有很好的彈性和塑性，那么就能在很大程度上提高法蘭螺栓的連接系統的密封性能。

4 在高溫情況下墊片的類型對于法蘭螺栓連接系統的密封性能的影響

4.1 法蘭螺栓的金屬墊片

法蘭螺栓的金屬墊片是由高精密度、高硬度的片狀材料精制而成，通常用于較精密的模具以及較精密的五金調整和測量上，一般是用于原裝進口的不銹鋼和高碳鋼以及黃銅這三種材料經熱處理精磨加工而成的，具有精密度高、光潔度好、拉力度強、韌性高、不易彎折等特點。其中高碳鋼的材質具有一定的彈性，而不銹鋼的材料則是韌性非常好，不容易被折斷。經過專家們的研究調查可知，如果法蘭螺栓的金屬墊片在法蘭預緊升壓之后再升高溫度的話，法蘭螺栓的金屬墊片的應力是逐漸增大的，由于金屬墊片之間的應力增大了，就會增強兩片墊片之間的契合度，因此在升溫過程中，法蘭螺栓的金屬墊片不需要熱緊就可以了。

4.2 法蘭螺栓的半金屬墊片

法蘭螺栓的半金屬墊片主要包括金屬包覆墊片、金屬纏繞墊片、金屬波紋復合墊片、金屬齒形復合墊片，其中最常見的就是金屬纏繞墊片。金屬纏繞墊片是目前為止應用最為廣泛的一種密封墊片，為法蘭螺栓的半金屬墊片中回彈性最佳的墊片，具有耐高溫、耐高壓和適應超低溫等特點，通過改變墊片的材料組合，可解決各種介質對墊片的化學腐蝕問題，法蘭螺栓的半金屬墊片的結構密度也可以依據不同的預緊力的要求來制作，為了加強主體和準確的定位，法蘭螺栓的半金屬墊片設有金屬內加強環和外定位環，利用內外鋼環來控制其最大壓緊度，對墊片接觸的法蘭密封面的表面精度要求并不高。通過專家的調查研究表明，對于法蘭螺栓的半金屬墊片來說，在升壓后法蘭螺栓的半金屬墊片的應力均下降，應力下降就會造成墊片之間的契合度下降，從而導致墊片的密封性能差。而升溫后的法蘭螺栓的半金屬墊片的應力的變化隨著法蘭螺栓的半金屬墊片的壓縮回彈性能以及熱膨脹系數的變化而變化，應力越大，墊片的密封性能就越好，至于怎么變化，變大還是變小，還需要具體情況具體分析。

4.3 法蘭螺栓的非金屬墊片

在法蘭螺栓的非金屬墊片中，最常見的就是非石棉纖維墊片，非石棉纖維墊片是國際使用的新型產品，非石棉纖維墊片以其廉價、耐高溫、強度高、耐高壓、耐腐蝕等特點在工況中被廣泛使用，曾經我國長期使用石棉材料，自從加入了WTO以來，國內各個行業都面臨著國外的挑戰，漸漸地，我國無石棉化的改革開始啟動，通過我國科研人員經過多年的研究與開發，終于取得了巨大的成功。經過我國專家學者的實際調查可知，法蘭螺栓的非金屬墊片在升溫后墊片的應力增大，非金屬墊片之間的應力增大了，兩片墊片之間的契合度就會增強，密封性能有所提高，不需要熱緊就可以。

5 結語

綜上分析可知，隨著社會主義經濟建設的飛速發展，一枚小小的法蘭螺栓也足以影響到未來我國經濟建設的發展，因此我們需要深刻認識法蘭螺栓墊片連接系統的歷史與現狀，了解在高溫情況下墊片的類型對于法蘭螺栓連接系統的密封性能的影響，并且堅持不懈地研究高溫對于法蘭螺栓墊片系統的泄露形式的影響以及影響法蘭螺栓墊片系統泄露的主要因素。

參考文獻

[1] 羅從仁.法蘭螺栓墊片系統高溫密封性能研究[D].大連理工大學，2013.

[2] 張忠華.高溫螺栓法蘭系統密封性能研究[D].大連理工大學，2012.

[3] 馬凱.金屬與金屬接觸式法蘭接頭在高溫重整裝置中的密封性能研究[D].華東理工大學，2015.

[4] 劉雁.金屬與金屬接觸型法蘭接頭預緊方法及密封性能研究[D].華東理工大學，2014.

[5] 張飛.發動機平衡軸密封墊的非線性有限元分析及優化設計研究[D].華南理工大學，2013.