法蘭密封的有限元分析及其安裝要點

李旺

(中海油惠州石化有限公司， 廣東 惠州 516000)

法蘭密封的有限元分析及其安裝要點

李旺

(中海油惠州石化有限公司， 廣東 惠州 516000)

在管道施工和化工裝置安裝中，法蘭密封的安裝質量是整個設備體系密封的保證。在法蘭的安裝過程中，螺栓、法蘭、墊片處在一個協調變形系統中，影響因素比較復雜。筆者根據工作實踐經驗，運用有限元分析技術，將法蘭密封安裝要點歸納為“十八字要點”，即：選的對、查得細、清得凈、裝得正、把得勻、管得嚴。

法蘭密封;墊片參數;有限元分析;要點

1 墊片的技術參數

為了說明本文內容，有必要對正確安裝墊片有關4項主要參數進行說明：墊片密封比壓力y，墊片系數m，墊片壓縮率，墊片回彈率，這4個參數是由墊片本身的性能決定的。

(1)比壓力 預緊應力是保證墊片操作時密封性能的重要前提，螺栓預緊力通過法蘭密封面把墊片壓緊，墊片表面壓應力必須達到一定的數值才能使墊片變形而壓實，壓緊面上由于機械加工形成的微隙被填滿，形成初始密封條件。所需的這個壓緊應力稱為墊片比壓力y，可以理解為“填滿微隙所需的壓應力”。初始密封是通過墊片受壓變形實現的，通俗說“填滿間隙靠壓縮量，保持填滿間隙狀態靠回彈量”，墊片越軟越容易變形，也就越容易填滿密封面的微隙。

(2)墊片系數 法蘭形成初始密封條件后，在工作狀態時，溫度和介質內壓的作用使法蘭變形加大、螺栓被拉長，法蘭面沿著彼此分離的方向移動，降低了壓緊面與墊片之間的壓緊應力，被壓縮的墊片回彈對分離進行補償。如果墊片的回彈能力能補償法蘭和螺栓的變形，使密封面壓力降到不小于操作壓力的m倍，則法蘭壓緊面之間能夠保持較好的密封狀態，否則會發生泄漏，m稱為墊片系數。“在工作狀態下，墊片密封面上保持m倍的操作壓力，就能保持不泄露”是錯誤的理解，錯誤在于忽略了“形成初始密封條件后、微隙已被填滿”這個前提。如墊片被“嗤開”后，填滿微隙狀態被破壞，墊片需要再被壓縮一定的量才能填滿微隙，對法蘭密封極為不利。在工作狀態下，墊片表面的剩余壓應力必須大于m倍的操作壓力，例如石棉橡膠墊的墊片系數為1.25，纏繞墊片的墊片系數為2.5～4。

(3)壓縮率和回彈率 墊片的壓縮率和回彈率是在試驗時，按規定的程序對墊片加載、卸載，測量墊片在加載、卸載前后的厚度，再經過計算得到的。壓縮率是壓縮量與墊片厚度的比值，回彈率是回彈量與壓縮量的比值。

式中：T1為墊片在預載荷時的厚度；T2為墊片在總載荷下的厚度；T3為墊片回彈至預載荷時的厚度。

在這里筆者提請注意，回彈率的基數是墊片的壓縮量。例如纏繞墊片厚度4.5mm，壓縮率為25%，回彈率為20%。68MPa時，墊片的壓縮量=4.5*25%=1.125mm，但卸載后回彈量=1.125*20%=0.225mm，而不是4.5*20%=0.9mm。

2 壓縮與回彈

(1)壓縮回彈曲線 圖1是金屬纏繞墊片的壓縮回彈試驗曲線[1]，試驗用墊片厚度為4.5mm。墊片沿壓縮曲線被壓縮后產生變形，形成壓縮量。卸載后，墊片沿回彈曲線回彈，形成回彈量。壓縮量=回彈量+永久變形。由圖1可見：加載曲線成非線性關系；卸載曲線與加載曲線不同，卸載開始時曲線接近直線下降，至較低應力時曲線是非線性的，墊片有較大的回彈；在相同壓縮量下，墊片應力隨柔性石墨厚度的增加而減小。在相同的墊片應力下，壓縮量隨柔性石墨厚度的增加而增大。（見圖1）

(2)壓縮回彈過程 墊片壓縮回彈過程如圖2所示，對幾種工況的壓縮回彈過程作說明。

①從O壓縮至A，在A點卸載至C。墊片沿OA被壓縮至A，壓縮量為OD，沿AC回彈至C，回彈量為DC，永久變形量為CO。②從O壓縮至A，在A點卸載至C，再從C點壓縮至B，在B點卸載，這個過程相當于二次緊固。墊片從C點沿CA被壓縮至A，壓縮量為CD，再沿AB被壓縮至B，壓縮量為DF，總壓縮量為CF，沿BE回彈至E，回彈量為FE，永久變形為EC。③從O直接壓縮至B，在B點卸載。墊片沿OB被壓縮至B，壓縮量為OF，沿BE回彈至E，回彈量為FE，永久變形為EO。④從O壓縮至B，在B點卸載至E，再從E點壓縮至B，在B點卸載至E，這個過程相當于墊片重復使用。墊片從E點沿EB被壓縮至B，壓縮量為EF，再沿BE回彈至E，回彈量為FE。（見圖2）

3 法蘭密封安裝要點

筆者歸納為選得對、查得細、清得凈、裝得正、把得勻、管得嚴。選得對是在施工圖設計階段做的工作，本文不敘述。

(1)查得細 墊片、法蘭、螺栓的規格型號、材質、尺寸與設計相符；墊片整體無變形、扭曲，外觀合格，石墨帶完好；墊片和法蘭表面不得有劃痕、磕痕和銹斑；對凸凹法蘭檢查墊片與凹法蘭面的配合尺寸；不同材質、不同規格螺栓不得混用。

(2)清得凈 法蘭面必須清凈，對使用過的法蘭更應注意，焊渣、鐵屑、氧化皮、沙粒、油泥、舊墊片的殘留物等污物雜物一定要清除徹底。

(3)裝得正 裝得正包括法蘭裝得正和墊片裝得正。法蘭裝得正要求配對法蘭“偏盤”、“偏眼”、“張嘴”偏差在規定范圍內。“偏盤”指配對法蘭外緣不重合，對墊片裝得正有影響，尤其對凸凹墊片不易入槽。強行安裝過程中，法蘭與墊片密封面有相對滑動，容易損傷墊片密封面，最終導致密封面泄露。“偏眼”指配對法蘭螺栓孔不同心，影響螺栓穿過螺栓孔，有時作業人員違規使用細一等級的螺栓，檢查時不易發現，所以對于“偏眼”的檢查要尤為仔細認真，絕對不能讓螺栓“以細代粗”。“張嘴”是指配對法蘭面不平行(圖3)，對密封的影響最大，強行把緊“張嘴”法蘭，法蘭密封上產生外力矩(圖4)，墊片壓應力不均勻。（見圖3、圖4）

墊片裝得正要求墊片裝在預訂的位置上。對于平墊，外環距螺栓距離應均等，否則，墊片偏移使壓應力不均勻；對于凸凹法蘭必須保證墊片和法蘭凸面入槽。

(4)把得勻 操作要點是位置對稱、用力對稱、逐次把緊。“把得勻”不是絕對的，對“張嘴”法蘭，先把“張嘴”處螺栓派有經驗的人員作業，如果外力矩過大必須重新安裝法蘭。

“把不勻”對法蘭密封影響較大，筆者對“把不勻”和“把得勻”都進行了有限元分析，“把不勻”工況：例如PN25DN100法蘭、304+柔性石墨內外環纏繞墊片、M20螺栓組成的法蘭密封，圖5是缺1套螺栓，其他7套80000N時法蘭應力及變形圖(變形比例1：5)；圖6密封面壓應力沿圓周分布圖；圖7是8套螺栓力4000N時，墊片壓應力分布圖。由圖6、圖7可以看出差距非常明顯，所以在施工過程中不僅要“把得緊”，更要“把得勻”。要想“把得勻”首先要確保操作要點中“位置對稱”，即法蘭的位置對稱和螺栓的位置對稱；其次是要做到要點中的“用力對稱”，“用力對稱”一是考驗作業人員的責任心，二是看作業人員的經驗，所以法蘭密封面的施工作業盡可能找責任心強的人員進行；再次就是要做到要點中的“逐次把緊”，即每條螺栓都不能一次性把緊，要做到每條螺栓均勻、少量、多次把緊，最好每條螺栓每次上緊的角度都是一樣的，尤其對于高溫熱油介質法蘭尤為重要。

(5)管得嚴 在法蘭密封安裝施工的實際工作中，普遍存在“認識不到位、操作不到位、檢查不到位”的現象。其中，認為墊片安裝是力氣活不是技術活，導致施工過程不盡心、不盡力。平墊用凸凹墊代替，缺螺栓、用細螺栓代替粗螺栓、螺栓不把緊、順序把螺栓，墊不入槽、凸法蘭不入槽加雙墊等現象時有發生。這些管理不嚴格、工作不嚴謹的現象是造成法蘭密封安裝施工質量低下的重要原因。

雖然法蘭泄漏在試壓和運行時可以緊住，但給以后生產運行留下隱患。法蘭密封泄漏主要是“界面泄漏”，“填滿界面間隙靠壓縮量，保持填滿間隙狀態靠回彈量”。如果法蘭發生泄漏，必須使墊片再產生一定的壓縮量重新“填滿間隙”，再次消耗了一部分壓縮量。在本文筆者論述了墊片的壓縮量是有限的，造成以后處理生產波動或應力松弛泄漏沒有壓縮量可用。由此可見，一定要認識到“壓縮量是寶貴的”，加強對施工人員的培訓和管理，樹立對施工質量負責到底的觀點。

4 結語

綜上所述，筆者采用有限元分析技術，對影響法蘭密封施工質量的因素進行詳盡的分析，論證了加強施工管理與施工密封效果的因果關系，對本領域技術和管理人員有重要的提示作用。

圖1 墊片壓縮回彈試驗曲線

圖2 壓縮回彈過程示意圖

圖3 法蘭密封“張嘴”

圖4 把緊“張嘴”法蘭的有限元分析模型

圖5 缺1根螺栓時法蘭應力及變形圖(變形比例1:5)

圖6 缺1根螺栓時墊片壓應力沿圓周分布圖

圖7 螺栓把勻時墊片壓應力沿圓周分布圖

[1]任建民.金屬纏繞式墊片的預緊應力分析及實驗研究[J].潤滑與密封，2003,