中壓設備法蘭密封方法的探討

李聰曉

華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

隨著現代化工工業的迅猛發展及裝置大型化的發展趨勢，化工單元裝置的非標準靜設備規格也隨之大幅增加。設計壓力在6.0 MPa～10.0 MPa的非標準靜設備在合成氨、甲醇合成、煤氣化等工業生產中的應用越來越廣泛。對于直徑較大的壓力容器，設備法蘭是其重要的組成部分，密封結構的設計不僅要可靠，還要便于加工、裝卸和檢驗，以有效地節約成本，縮短設備制造周期，保證設備長期、安全、穩定地運行。

本文討論的設備壓力范疇為6.0 MPa～10.0 MPa，屬于中壓壓力容器，通過法蘭密封面結構設計和理論計算，該類設備法蘭可以實現很好的密封。但在工程實際中，直徑較大(1000 mm≤DN≤2500 mm)的設備法蘭經常發生密封面泄漏現象。為什么會出現這種問題？有沒有相應的解決辦法？下面將進行詳細闡述。

1 密封的原理及選型[1]

密封的目的是將兩種不同介質或壓力、溫度等參數不同的腔室相互隔離和防止物料外泄。根據密封的結構及機理，密封可分為靜密封與動密封兩大類。靜密封是由相互壓緊的密封面而取得。密封面盡管經過加工，但其微觀幾何形狀經放大后，可以看出它的表面是凹凸不平的，存在微小峰谷，見圖1。

圖1 密封面微觀幾何形狀放大圖

由于密封面間存在微小的峰谷，密封面間就有間隙，使介質由高壓側漏向低壓側。間隙被壓得越小，泄漏就越少，直至壓緊到停止泄漏。微小的間隙可由精加工密封面獲得，但這種方法費用高，并對機械損傷敏感，因此在相互的密封面間可以加一層能用較小壓力就可變形的密封墊片以達到“填補”間隙的效果。本文分析的是中壓、較大直徑的容器，其設備法蘭采用由外部螺栓力來壓緊密封墊片的強制式密封結構即可。

2 密封墊的寬度和選材分析

從規范[2]可知，密封墊片所需的壓緊力隨其墊片基本密封寬度b的增加而變大。為了減少總螺栓力，應將墊片的密封寬度選得盡量窄一些。

良好的密封只有在密封墊片塑性變形后才能獲取，所以該類設備的法蘭密封墊片可以選擇金屬軟密封墊。另外，不安裝在隼槽面中的墊片還會受到徑向壓力，使它從密封面上擠壓出來，從而造成墊片失效。所以，往往需要選擇凹凸面的設備法蘭和帶內環的金屬軟密封(纏繞式)墊片；根據工程經驗，墊片的密封寬度b值大約為25mm。

現行的常用纏繞墊是以鋼帶(鍍鋅08鋼、鍍鋅15鋼、SS304等)與石墨或石棉橡膠板相間纏繞而成，鋼帶以點焊和內環定位圈加以固定。這種墊片彈性好，能起到多道密封作用，可用于較高溫度和壓力的場合，且在溫度和壓力波動情況下墊片仍能穩定工作[2]。

但是，帶內加強環的纏繞墊由于墊片外部未加外環固定，在設備法蘭、纏繞墊和螺栓的組裝過程中，經常出現纏繞墊最外層鋼帶松散的現象，從而造成法蘭密封失效。以與墊片供貨商多次交流的經驗，筆者認為：為了防止最外層鋼帶松散所造成的法蘭密封滲漏，纏繞墊最好設計為帶內、外加強環的型式；此外，帶內、外加強環的纏繞墊在運輸過程中也不易被損壞，墊片質量容易保證。

3 螺栓受力分析

正常情況下，螺栓在預緊狀態下需要的最小螺栓載荷等于預緊狀態下的最小墊片壓緊力，將其演變為公式[2]：

Wa=Fa=3.14DGby

(1)

螺栓在操作狀態下需要的最小載荷公式[2]：

(2)

式中，Wa為預緊狀態下需要的最小螺栓載荷，N；Wp為操作狀態下需要的最小螺栓載荷，N；Fa為預緊狀態下需要的最小墊片壓緊力，N；Fp為操作狀態下需要的最小墊片壓緊力，N；F為內壓引起的軸向力，N。

但在實際的設計過程中，由于設計人員對設備法蘭的密封面未提出相應的形位公差要求，導致法蘭密封面的形位公差值只能依賴機床和工人的能力來決定，可能會造成法蘭密封面的變形過大，見圖2。

圖2 法蘭密封面變形

這種情況下，在法蘭預緊或者操作過程中，螺栓會產生一個克服變形(△l)的力F△，根據虎克定律[3]，

F△=E*△l

(3)

式中，E為法蘭材料的彈性模量，MPa；△l為法蘭密封面的變形量，mm。

那么，螺栓在預緊狀態下需要的最小螺栓載荷就變成了下式：

Wa=F△+FG

(4)

Wp=F△+F+Fp

(5)

由公式(1)、(2)可知：Wa和Wp是一個固定值；由公式(4)、(5)可知：F△越大，FG或者(F+Fp)越小，即作用在法蘭密封面上的有效力越小，法蘭泄漏的幾率就越大；由公式(3)可知：彈性模量E為法蘭材料的固有值，不受加工、制造的影響，為了降低F△的數值必須減小法蘭密封面的變形量△l。筆者從設計過的眾多中壓法蘭中總結出：當F△

根據制造廠經驗，參照GB/T1184中形狀和位置公差的數值表，要控制F△

然而，現行的相關標準并沒有對法蘭密封面提出相應的形位公差要求，筆者認為應該加入這一項規定。在標準尚無規定的情況下，建議設計人員在設計藍圖上對法蘭密封面的平面度提出要求。

為了保證密封力，螺栓一定要在彈性范圍內工作，如果螺栓在工作情況下產生了塑性變形，那在降壓或在壓力波動過程中將會產生泄漏[1]。

4 螺栓數量的確定

通過對設計、校核過的多臺較大直徑、中壓設備法蘭的分析，筆者認為：為了達到最好的密封效果，在滿足螺栓所需總截面積的前提下，螺栓規格應該按照直徑小、數量多、并且個數是4的倍數的原則進行選擇，同時，為了實現操作，還要注意滿足螺栓的最小間距要求。

5 螺栓的上緊順序[5]

為了保證密封效果，螺栓的上緊應分級進行，逐級遞增。因法蘭螺栓個數基本都是4的倍數，所以上緊時被上緊螺栓的布置要相互呈90°錯開，上一次上緊與下一次上緊的位置應錯開一定角度，以達到上緊均勻的目的。

為了上緊螺栓時螺栓不發生塑性變形，設計人員應該在藍圖上明確標示上緊螺栓時所需的力。

以20個螺栓為例，其上緊順序如圖3所示，具體操作可按參考文獻5進行。

圖3 20個螺栓的的上緊順序

6 結語

法蘭的受力情況復雜，故引起密封面泄漏的因素也很多。以上是筆者根據多臺、符合本文所述設計條件的法蘭設計制造經驗的總結，提出的引起法蘭密封泄漏原因只是眾多原因的一種，對法蘭泄漏的認識尚屬膚淺。但希望通過本文的闡述能引起業內的重視，并對此類問題進行深入探討和研究。

另：本文所涉及的密封力、虎克定律等內容，系引用參考文獻1、2和3，其具體表達方法和現行標準、規范略有區別，但所涉及的原理是完全一致的。