法蘭的密封與泄漏

【摘 要】在石油化工裝置中，法蘭連接是管道、管件、閥門、儀表、設(shè)備等自身和相互實現(xiàn)連接的最常見、最重要的連接形式。本文探討了管法蘭的泄漏及在設(shè)計工作中應(yīng)注意的問題。

【關(guān)鍵詞】法蘭；墊片；螺栓；泄漏

0.概述

石油化工裝置中，法蘭連接是管道、管件、閥門、儀表、設(shè)備等自身和相互實現(xiàn)連接的最常見、最重要的連接形式之一。連接法蘭主要依靠其連接螺栓產(chǎn)生的壓緊力，通過法蘭墊片達(dá)到足夠的工作密封比壓來阻止管道內(nèi)介質(zhì)外漏，實現(xiàn)密封。這種連接雖具有拆卸方便且不用動火等特點，但因其本身的結(jié)構(gòu)特點，處理不當(dāng)就會造成泄漏，不僅會造成資源浪費，而且還污染環(huán)境，甚至造成人員傷亡及財產(chǎn)損失。因此，探討管法蘭的泄漏對于設(shè)計工作具有較好的現(xiàn)實意義。

1.法蘭的密封與泄漏

法蘭的密封原理。

法蘭連接，確切地說應(yīng)該是螺栓、法蘭、墊片連接，其密封是靠三者的協(xié)同作用來實現(xiàn)的。其中墊片是實現(xiàn)密封的核心部件。

1.1密封機(jī)理

通過螺栓的預(yù)緊力，是墊片和法蘭密封面之間產(chǎn)生足夠的壓力，使墊片表面產(chǎn)生的變形足以填補(bǔ)法蘭密封面的微觀不平度，達(dá)到密封的目的。為達(dá)到上述目的所作用到墊片上的最小單位壓緊力，稱為比壓力Y。當(dāng)管系達(dá)到操作壓力時，在內(nèi)壓的軸向作用力的作用下，兩片法蘭呈現(xiàn)分開的趨勢，螺栓將產(chǎn)生彈性或塑性變形，作用在墊片上的壓緊力將減少。當(dāng)作用在墊片有效截面上的壓緊力減小到某一臨界值時，仍能保持密封。這時墊片上的剩余壓緊力即為墊片的有效緊固力，當(dāng)有效緊固力小到某一臨界值以下時，就會發(fā)生泄漏，甚至能使墊片錯位。因此，墊片的有效緊固力必須大于管系的操作壓力，墊片的有效緊固力與管系的工作壓力的比值稱為墊片系數(shù)m。兩片法蘭密封面之間的距離，在操作狀態(tài)要比初始狀態(tài)大，這時候墊片與法蘭密封面的緊密性是靠墊片的回彈力來保證的。可以這么說，在初始密封階段，墊片的表面塑性變形填補(bǔ)法蘭密封面的微觀不平度起決定作用的；而在操作狀態(tài)下法蘭的密封，墊片內(nèi)部的彈性回復(fù)起主導(dǎo)作用。

1.2密封過程中密封面的微觀變化分析

對密封面加載過程的初期，兩密封面間首先接觸的是表面最突出部分的毛刺、顆粒狀雜質(zhì)等。但因此局部載荷很大，這些凸出部分很快被壓平或嵌入對方。此時密封面大部分呈自由狀態(tài)，間隙很大尚不能形成密封能力；隨著螺栓載荷的增加，密封面間波峰、波谷相互穿插、嵌合，微間隙逐漸減小，直到密封面完全貼合。在此階段中，流道截面積隨壓緊力的增加而逐漸減小，流道阻力隨之增大，相應(yīng)地泄漏率逐漸減小，故此階段增加墊片的壓力荷載可有效的控制泄漏，我們可稱此階段為正常密封階段。正常密封階段結(jié)束后，密封面初始的不平度所形成的微間隙基本上已被填死，密封面大部分已嵌合，泄漏通道主要是由表面缺陷如裂紋、劃傷等形成，而要進(jìn)一步消除這部分的間隙則是十分困難的。

卸載過程中，密封面上由于相互嵌合而產(chǎn)生的塑性變形不因卸載而恢復(fù)。此時，只要墊片未被完全壓死，只要墊片的回彈能力能夠補(bǔ)償由介質(zhì)壓力所引起的密封面間的軸向位移，則其還有一定的密封能力。但是，由于初始密封面的不平度，密封面上的應(yīng)力是很不均勻的，嵌合過程中并非墊片的整個密封面都能形成與法蘭密封面相吻合的塑性變形，其中一部分受力較小的波谷處，仍處于彈性狀態(tài)。這部分彈性變形將隨著壓緊載荷的減小而恢復(fù)。

1.3實行密封的法蘭、墊片、螺栓的應(yīng)力應(yīng)變協(xié)調(diào)變化過程

在預(yù)緊狀態(tài)下，若安裝應(yīng)力不計，螺栓的預(yù)緊力即為墊片所受到的壓緊力。設(shè)墊片的比壓力為Y，有效接觸面積為S，則據(jù)此求得的最小預(yù)緊力為：

T=SY

上式表明，T是個只跟墊片的性能有關(guān)，而與操作條件無關(guān)的數(shù)據(jù) 。而事實上，螺栓的預(yù)緊力是一個與操作條件密切相關(guān)的數(shù)據(jù)，所以這個值對螺栓法蘭墊片連接的密封沒有實際意義。

預(yù)緊狀態(tài)下，螺栓的預(yù)緊載荷僅僅由墊片的壓緊力而引起的。在操作狀態(tài)時，隨著壓力的升高，螺栓的荷載開始增大，螺栓也因載荷的增加而變長，螺栓荷載直到系統(tǒng)達(dá)到操作條件而穩(wěn)定到一個值G。另一方面，因螺栓伸長，兩法蘭密封面的間距變大而是墊片回彈，墊片的壓緊力減少；使螺栓的荷載減少。我們最關(guān)心的是操作狀態(tài)下墊片所受到的壓緊力F，使墊片在操作狀態(tài)下所受到壓緊力為F的螺栓的預(yù)緊力，才是我們直接控制的，設(shè)為f 。若操作狀態(tài)下螺栓墊片法蘭的力平衡方程可表達(dá)為：

G=M+F

設(shè)從預(yù)緊狀態(tài)到操作狀態(tài)墊片的壓緊力變化為△F，墊片的回彈量為L1，螺栓的伸長量為△L2 。墊片和螺栓的彈性系數(shù)分別為K1、K2 ，則有：

△L1=△F/K1 ……………………………（ 1 ）

△L2=（ P-△F）/K2………………………（ 2 ）

由于螺栓法蘭墊片是協(xié)變過程，假設(shè)法蘭為剛性件，則墊片的回彈量應(yīng)與螺栓的伸長量相等，可得應(yīng)變協(xié)變方程如下：

△L1=△L2……………………………（ 3 ）

將（1）（2）式代入（3）可得：

△F=[ K1/（K1+K2 ）]P…………………（ 4 ）

因預(yù)緊力f等于預(yù)緊狀態(tài)墊片的壓緊力，也等于操作狀態(tài)下墊片的壓緊力F加上2從預(yù)緊狀態(tài)到操作狀態(tài)墊片加壓緊力的變化.即：

f =F+△F……………………………（ 5 ）

墊片的最小壓緊力為：

Fmin =SY……………………………（ 6 ）

其中S為有效密封接觸面積，Y為墊片的比壓力

將（ 4 ）（ 6 ）式代入（5）式，可得應(yīng)力協(xié)變方程如下：

fmin=SY+P ……………………（ 7 ）

從（ 7 ）式中可以看出，螺栓的最小預(yù)緊力由兩部分組成：

SY：這一部分是墊片有關(guān)的量。

P：是與墊片、螺栓、操作條件有關(guān)的物理量。

上式表明預(yù)緊力F不但與墊片本身的屬性有關(guān)，還與操作條件、螺栓本身的剛度有關(guān)。

事實上影響預(yù)緊力f的因素很多，諸如螺栓、螺母的制造質(zhì)量，螺紋的清潔程度、螺母與螺栓及法蘭接觸面的潤滑狀況、墊片的塑性變形、法蘭的塑性和彈性變形、法蘭的轉(zhuǎn)角等等都是影響預(yù)緊力的因素。另外，系統(tǒng)的溫度變化和墊片的蠕變和應(yīng)力松弛也對（ 7 ）式產(chǎn)生重大影響。這些諸多因素的作用結(jié)果使得法蘭、墊片、螺栓的協(xié)變關(guān)系變得十分復(fù)雜，很難從理論上推出它們之間的關(guān)系。

1.4墊片的蠕變和應(yīng)力松弛

既然墊片承受很大的壓緊力，肯定存在蠕變和應(yīng)力松弛，且這和現(xiàn)象隨溫度的升高而增大。只不過在這個過程中應(yīng)力和應(yīng)變都是逐漸變化的，在螺栓、法蘭、墊片這種結(jié)構(gòu)中，墊片的應(yīng)力松弛必然會有應(yīng)變發(fā)生，蠕變必然導(dǎo)致螺栓荷載的變化，因此這種變化既不是理論上的純?nèi)渥儯膊皇羌儜?yīng)力松弛，這里既有蠕變，也有應(yīng)力松弛，我們可稱之為蠕變——松弛。

2.受內(nèi)壓管道法蘭熱瞬態(tài)密封分析

高溫會降低墊片的回彈能力和實際密封性能，就法蘭螺栓結(jié)構(gòu)來看，溫度引起的變形式影響密封的主要因素之一。

2.1瞬態(tài)溫度場

升溫過程中，法蘭環(huán)從內(nèi)到外存在一定的溫度差，因熱量是從法蘭內(nèi)壁向外壁傳遞的，法蘭中靠近外壁部分的溫度變化比內(nèi)壁滯后一段時間。螺栓與法蘭之間僅靠接觸面?zhèn)鳠幔菟ǖ臏囟葢?yīng)比法蘭有較大的滯后。

2.2溫度引起的法蘭變形

升溫初期，法蘭接管受熱升溫比法蘭環(huán)快得多，兩者熱脹量相差較大，接管的進(jìn)一步膨脹受到法蘭環(huán)的約束，從而使法蘭產(chǎn)生較大的偏角。

當(dāng)法蘭溫度達(dá)到穩(wěn)定時，法蘭與接管的溫度差最小，轉(zhuǎn)角也趨于減少，但法蘭和螺栓的軸向和徑向的線脹量卻增加了。

2.3升溫引起的變形和壓力變化對法蘭連接系統(tǒng)密封性能的影響

系統(tǒng)升壓使墊片的有效緊固力比預(yù)緊力小，而系統(tǒng)升溫時，螺栓溫度升溫滯后，法蘭升溫較快而產(chǎn)生的熱脹使墊片進(jìn)一步壓縮，墊片應(yīng)力又增加，因此，系統(tǒng)升溫升壓的過程中，墊片的應(yīng)力變化量取決于升壓和升溫的共同作用。法蘭轉(zhuǎn)角的變化，一方面抑制了因法蘭和螺栓的膨脹差引起的墊片應(yīng)力的進(jìn)一步升高；另一方面由于法蘭的轉(zhuǎn)動變形，導(dǎo)致墊片外測被進(jìn)一步壓縮，使之產(chǎn)生塑性變形而降低了墊片的回彈能力，并對墊片的密封產(chǎn)生不利影響。

瞬間升溫過大也會導(dǎo)致不良后果，這是因為墊片會在短時間內(nèi)被過分壓縮，失去較大的回彈能力，同時使法蘭產(chǎn)生較大的變形而降到了密封能力。此外，法蘭內(nèi)也會產(chǎn)生較大的不利于密封的瞬態(tài)熱應(yīng)力，所以必須控制升溫的速度；瞬間降溫幅度多大同樣也會使法蘭在瞬間發(fā)生較大變形，并產(chǎn)生較大的瞬態(tài)熱應(yīng)力而造成泄漏，控制降溫幅度也是必要的。

3.常用墊片的特性

因預(yù)緊階段墊片是靠表面的塑性變形來實現(xiàn)密封的，而在操作階段是靠墊片的回彈性實現(xiàn)密封，所以理想墊片應(yīng)是其表面具有良好的塑性變形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有優(yōu)良的壓縮回彈性。因此墊片的結(jié)構(gòu)設(shè)計都是圍繞著這兩種要求來進(jìn)行的。

3.1石棉橡膠墊

石棉橡膠墊因其質(zhì)量輕，不易變形、方便運輸、存放，耐腐蝕，可以任意剪成各種規(guī)格和形狀而得到廣泛的應(yīng)用，但因其回彈性很差，只能用于低壓環(huán)境下。

3.2纏繞墊

柔性石墨纏繞墊是用V型獲W型斷面的金屬帶和填充帶相間螺旋纏繞而成。后來為提高墊片的強(qiáng)度和可靠性，以及方便安裝對中，根據(jù)法蘭的密封面形式和操作條件不同，分別采用了帶外環(huán)、帶內(nèi)環(huán)、帶內(nèi)外環(huán)等結(jié)構(gòu)形式的纏繞墊。

纏繞墊在安裝和使用過程中，最常見的破壞形式主要是散架和壓潰。

在高溫高壓情況下，墊片受到的壓緊力很大，墊片內(nèi)的填充物受壓產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力向內(nèi)徑方向作用于內(nèi)層鋼帶，使內(nèi)層鋼帶受到外壓作用，當(dāng)外壓力超過一定值時，此鋼帶圍成的鋼帶圈向內(nèi)凹陷，使墊片發(fā)生局部破壞，導(dǎo)致密封失敗，稱為壓潰現(xiàn)象。纏繞式墊片的壓緊比壓越高，規(guī)格越大就越容易發(fā)生壓潰。

纏繞墊內(nèi)的填充物受壓產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力沿徑向向外產(chǎn)生散架的破壞作用，向內(nèi)產(chǎn)生壓潰的破壞作用，不利于墊片的壓緊，故帶內(nèi)外環(huán)的墊片的密封效果要比帶內(nèi)環(huán)和帶外環(huán)的墊片要好；又因內(nèi)壓有使墊片產(chǎn)生散架的破壞作用，故帶外環(huán)的墊片比帶內(nèi)環(huán)的密封效果要好。

3.3金屬環(huán)墊

與金屬環(huán)墊配用的法蘭密封面為環(huán)槽面，常用在高溫、高壓的操作工況下。從理論上講，金屬 墊片的密封是圓周線密封，因此，要求金屬環(huán)墊、法蘭梯形槽表面不得有機(jī)械缺陷如劃痕、凹坑等，表面應(yīng)光滑潔凈。

金屬環(huán)墊雖然第一次密封效果很好，但因墊片與法蘭之間僅為線接觸，且這種墊片的密封壓緊力又很大，墊片和法蘭梯形槽接觸點之間的作用力也很大（一般要大于124MPa），特別是在高溫條件下，會使梯形槽表面發(fā)生變形、裂紋等不同程度的損傷，一旦密封失效，很難再保證密封效果。即使更換新的墊片，也解決不了泄漏問題，必須對梯形槽表面進(jìn)行修補(bǔ)、研磨，否則只能將法蘭和墊片一起更換。尤其有應(yīng)力腐蝕介質(zhì)存在地情況下，裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展更為明顯或嚴(yán)重。這是金屬環(huán)墊片在使用過程中最常出現(xiàn)的問題之一。再加上金屬環(huán)墊的安裝拆卸比較困難等因素，國外從70年代已開始采用高壓纏繞墊來代替金屬環(huán)墊，目前已基本不用金屬環(huán)墊。

4.分析泄漏的方法

法蘭的泄漏是絕對的，不漏是相對的。要求法蘭密封達(dá)到絕對不漏是不可能的。我們應(yīng)該做到的是按生產(chǎn)過程的重要性、危險性以及安全和經(jīng)濟(jì)的要求來確定相應(yīng)的零泄漏標(biāo)準(zhǔn)。一般工業(yè)的零泄漏的界限是：1.6×10-3cm3/s的體積泄漏率。

管道連接法蘭泄漏的主要原因通常有以下幾個方面：

（1）由于密封墊片壓緊力不足，安裝密封墊出現(xiàn)偏裝，螺栓松緊不一，兩法蘭中心線偏移，導(dǎo)致管道壓力提升后發(fā)生泄漏。

（2）管道工藝設(shè)計不合理，減震措施不到位或外界因素造成管道震動，致使螺栓松動，造成泄漏。

（3）管道變形或因沉降原因，法蘭部位受力不均等造成泄漏。

（4）管道熱脹冷縮等原因造成連接螺栓的伸長及變形，在季節(jié)交替時出現(xiàn)泄漏。

（5）密封墊片長期使用，產(chǎn)生塑性變形、回彈力下降以及墊片材料老化等造成泄漏。

（6）由于墊片和法蘭質(zhì)量問題造成泄漏。

分析法蘭的泄漏的原因一般有兩種途徑：第一種是墊片本身的滲透作用；第二種是墊片與法蘭密封面間間隙的泄漏。由于新型密封材料的不斷出現(xiàn)，第一種泄漏已不存在問題。日常發(fā)生的絕大多數(shù)泄漏都是第二種泄漏。下面就第二種泄漏來作一下分析。

在某一特定操作條件下，法蘭連接所能達(dá)到的泄漏率低于某一規(guī)定的指標(biāo)泄漏率；或在規(guī)定的泄漏條件下，法蘭連接能夠承受特定的操作條件，滿足這個指標(biāo)泄漏率或特定操作條件的法蘭連接即為不泄漏或緊密的，反之，則會泄漏，或者說是不緊密的。

對法蘭的緊密性分析可以從兩方面著手。一是泄漏率的預(yù)測：已知螺栓的預(yù)緊荷載和操作壓力，分析法蘭連接結(jié)構(gòu)是否滿足規(guī)定的指標(biāo)泄漏率的要求；二是泄漏率的控制：在給定的工況條件下，使法蘭連接達(dá)到某一指標(biāo)泄漏率時所需的螺栓預(yù)緊力是多大。

5.改善密封元件對泄漏的影響

5.1法蘭

法蘭在工作中受力狀況很復(fù)雜，螺栓、墊片、內(nèi)壓都直接對法蘭產(chǎn)生作用力，這些力可能會導(dǎo)致法蘭的不規(guī)則變形。這些作用力從強(qiáng)度方面來講是沒有問題的，但這些變形可能會導(dǎo)致法蘭泄漏。因此，在法蘭設(shè)計時不僅滿足其強(qiáng)度要求，還要滿足法蘭不泄漏所要求的最小變形，即法蘭應(yīng)按剛度理論進(jìn)行設(shè)計。

5.2螺栓

眾所周知，擰緊螺栓能提高密封效果，減少泄漏率，但因受法蘭和螺栓自身的強(qiáng)度和剛度限制，這種方法達(dá)到一定程度后無效。

安裝順序不當(dāng)也會產(chǎn)生泄漏，正確的螺栓禁固順序（十字交叉等距對稱）對保證法蘭連接點的密封和縮短上緊操作時間是極為重要的。

5.3墊片

提高密封效果，減少泄漏的最有效地手段還是更新核心元件——墊片，現(xiàn)有墊片的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)各種各樣，只要結(jié)合實際情況正確選用，基本上都能滿足要求。當(dāng)然，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，作為墊片的新材料不斷涌現(xiàn)，結(jié)構(gòu)更為完善的墊片不斷出現(xiàn)，對密封機(jī)理的研究不斷深入，密封技術(shù)也定會不斷提高。

6.管道專業(yè)應(yīng)注意的泄漏問題

6.1法蘭等級的確定應(yīng)充分考慮對法蘭密封的影響

確定法蘭等級除考慮滿足操作條件下的強(qiáng)度條件外，還要考慮自設(shè)計溫度下的剛度要求，否則法蘭在力和力矩的作用下變形過大，易發(fā)生泄漏，此時應(yīng)提高法蘭等級。

6.2盡量減少作用于法蘭上的力和力矩

使法蘭分開的作用力必然減小墊片和法蘭間的殘余壓緊力，當(dāng)這個力過大，墊片的殘余壓緊力小于墊片的有效壓緊力時，必然會發(fā)生泄漏。

力矩使墊片的受力不均，墊片某一部分的有效壓緊力比無力矩時的大，而另外某一部分的有效壓緊力比無力矩作用時小，當(dāng)最小部分的殘余壓緊力小于墊片的有效壓緊力時，泄漏便在此處發(fā)生。

6.3冷緊在一定的情況下也能減少泄漏

冷緊就是在管道安裝施工時，通過外作用力使得管系中的某個局部產(chǎn)生塑性變形，而在操作工況下，管系受熱膨脹，則產(chǎn)生反方向的內(nèi)應(yīng)力，從而達(dá)到降低管系的受力和力矩。冷緊減小泄漏實際上就是減小熱態(tài)時法蘭所受的力和力矩來實現(xiàn)的。

7.結(jié)束語

管道走向的布置不當(dāng)留下泄漏隱患的實例很多，受篇幅限制，這里不再列舉。總之，盡可能地減小法蘭所受的力和力矩，特別是當(dāng)法蘭的操作壓力接近于該法蘭在該操作溫度下允許的最大無沖擊壓力時，應(yīng)當(dāng)特別注意。