螺栓法蘭連接中密封設(shè)計(jì)相關(guān)問題研究

楊偉軍

摘 要：與螺紋連接、承插式連接相比，螺栓法蘭連接以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配比較方便的優(yōu)勢(shì)在壓力容器等可拆密封裝置形式中應(yīng)用非常普遍，這其中螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)關(guān)鍵要解決兩個(gè)問題：一是保證連接處“緊密不漏”；二是法蘭應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，不致因受力而破壞。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，螺栓法蘭連接很少因強(qiáng)度不足而破壞，大多因密封性能不良而導(dǎo)致泄漏。因此密封設(shè)計(jì)是螺栓法蘭連接中的重要環(huán)節(jié)，而密封性能的優(yōu)劣又與壓緊面和墊片有關(guān)，本文就針對(duì)密封設(shè)計(jì)中的這兩個(gè)問題進(jìn)行分析，以確保密封性能符合應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：螺栓法蘭連接；密封設(shè)計(jì)；法蘭壓緊面；墊片

0 前言

法蘭連接主要優(yōu)點(diǎn)是密封可靠、強(qiáng)度足夠及應(yīng)用廣泛，缺點(diǎn)是不能快速拆卸、制造成本較高。在流體密封領(lǐng)域，螺栓法蘭連接是應(yīng)用非常廣泛的一種連接形式。螺栓法蘭連接主要有法蘭、螺栓和墊片組成。螺栓的作用有兩個(gè)：一是提供預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)初始密封，并承擔(dān)內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力；二是使螺栓法蘭連接變?yōu)榭刹疬B接。墊片裝在兩個(gè)法蘭中間，作用是防止容器發(fā)生泄漏。法蘭上由螺栓孔，以容納螺栓。在進(jìn)行螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)的一般目的是：對(duì)于已知的墊片特性，確定安全、經(jīng)濟(jì)的法蘭和螺栓尺寸，使接頭的泄漏率在工藝和環(huán)境允許范圍內(nèi)，使接頭內(nèi)的應(yīng)力在材料允許范圍內(nèi)，即確保密封性和結(jié)構(gòu)完整性。而設(shè)計(jì)過程中關(guān)鍵要解決保證連接處“緊密不漏”和法蘭應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，不致因受力而破壞這兩個(gè)問題，其中密封是否因性能不夠?qū)е鲁霈F(xiàn)泄漏問題是重點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)解決密封問題，因?yàn)楸ＷC法蘭連接密封的可靠性是確保裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的必要條件。

1 法蘭連接的密封機(jī)理

法蘭連接的密封機(jī)理是通過螺栓預(yù)緊，使法蘭密封面間的墊片被壓緊變實(shí)，并填滿法蘭密封面上凹凸不平的間隙，阻止了介質(zhì)通過墊片內(nèi)部毛細(xì)孔的滲透性泄漏和墊片與密封面間的界面泄漏。從而實(shí)現(xiàn)預(yù)密封。保證法蘭連接密封不漏的條件是：預(yù)緊時(shí)，預(yù)緊力作用在墊片上的預(yù)緊比壓不低于預(yù)緊密封比壓；工作時(shí)，作用在墊片上的剩余比壓不低于工作密封比壓。

2 密封設(shè)計(jì)相關(guān)問題研究

影響法蘭密封的因素主要有：螺栓預(yù)緊力、密封面形式、墊片性能、法蘭剛度和操作條件等。其中密封是否因性能不夠?qū)е鲁霈F(xiàn)泄漏問題是重點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)解決密封問題，這其中以法蘭壓緊面和墊片最為重要。

2.1 法蘭壓緊面的選擇

2.2 墊片的選擇

墊片是螺栓法蘭連接的核心，密封效果的好壞主要取決于墊片的密封性能。設(shè)計(jì)時(shí)，主要應(yīng)根據(jù)介質(zhì)特性、壓力、溫度和壓緊面的形狀來選擇墊片的結(jié)構(gòu)形式、材料和尺寸，通常兼顧價(jià)格、制造和更換是否方便等因素。基本要求是制作墊片的材料不污染工作介質(zhì)、耐腐蝕、具有良好的變形能力和回彈能力，以及在工作溫度下不易變質(zhì)硬化或軟化等。對(duì)于化工、石油、輕工、食品等生產(chǎn)中常用的介質(zhì)，常用的墊片有橡膠石棉墊片、金屬包石棉墊片、纏繞式墊片、柔性石墨墊片（膨脹石墨墊片）、鋼墊圈墊片、波齒復(fù)合墊片等。

由于影響法蘭密封的因素較多，因此選用墊片時(shí)，必須對(duì)各種墊片的密封性能、操作條件以及密封面的型式、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、裝卸的難易、經(jīng)濟(jì)性等因素進(jìn)行全面分析。其中操作條件（壓力、溫度、介質(zhì)）是影響密封的主要因素，也是選用墊片的主要依據(jù)。如在真空條件下操作的換熱器，不允許使用橡膠石棉墊片；臨氫裝置中的換熱器，應(yīng)選用金屬墊片、纏繞式墊片或金屬包墊片。墊片用金屬材料的抗氫和耐蝕性能，應(yīng)等于或優(yōu)于密封面材料的性能。設(shè)計(jì)溫度比較高時(shí)，應(yīng)采用穩(wěn)定型不銹鋼；設(shè)計(jì)溫度不太高時(shí)，可采用非穩(wěn)定型不銹鋼；在有腐蝕的條件下，選用對(duì)法蘭材料呈陽(yáng)性的墊片材料。采用哪一種墊片材料要根據(jù)使用方法和墊片種類來決定。

3 結(jié)語

使各項(xiàng)應(yīng)力分別接近材料許用應(yīng)力值，即結(jié)構(gòu)材料在各個(gè)方向的強(qiáng)度都得到較充分的發(fā)揮是進(jìn)行螺栓法蘭密封設(shè)計(jì)的主要原則，因此密封設(shè)計(jì)是螺栓法蘭連接中的重要環(huán)節(jié)，因?yàn)榉ㄌm密封問題，不僅涉及到節(jié)能和環(huán)境污染問題，更重要的是關(guān)系到設(shè)備的長(zhǎng)周期安全運(yùn)轉(zhuǎn)。而密封性能的優(yōu)劣又與壓緊面和墊片有關(guān)，因此在法蘭設(shè)計(jì)時(shí)須注意這兩個(gè)方面的因素影響，根據(jù)實(shí)際操作條件選擇好法蘭壓緊面和墊片是達(dá)到密封設(shè)計(jì)有效的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳慶，郝正泉.螺栓法蘭連接系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2016，11（3）：115-116.