螺栓法蘭連接中密封設計相關問題研究

楊偉軍

摘 要：與螺紋連接、承插式連接相比，螺栓法蘭連接以結構簡單、裝配比較方便的優勢在壓力容器等可拆密封裝置形式中應用非常普遍，這其中螺栓法蘭連接設計關鍵要解決兩個問題：一是保證連接處“緊密不漏”；二是法蘭應具有足夠的強度，不致因受力而破壞。實際應用中發現，螺栓法蘭連接很少因強度不足而破壞，大多因密封性能不良而導致泄漏。因此密封設計是螺栓法蘭連接中的重要環節，而密封性能的優劣又與壓緊面和墊片有關，本文就針對密封設計中的這兩個問題進行分析，以確保密封性能符合應用要求。

關鍵詞：螺栓法蘭連接；密封設計；法蘭壓緊面；墊片

0 前言

法蘭連接主要優點是密封可靠、強度足夠及應用廣泛，缺點是不能快速拆卸、制造成本較高。在流體密封領域，螺栓法蘭連接是應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：一是提供預緊力實現初始密封，并承擔內壓產生的軸向力；二是使螺栓法蘭連接變為可拆連接。墊片裝在兩個法蘭中間，作用是防止容器發生泄漏。法蘭上由螺栓孔，以容納螺栓。在進行螺栓法蘭連接設計的一般目的是：對于已知的墊片特性，確定安全、經濟的法蘭和螺栓尺寸，使接頭的泄漏率在工藝和環境允許范圍內，使接頭內的應力在材料允許范圍內，即確保密封性和結構完整性。而設計過程中關鍵要解決保證連接處“緊密不漏”和法蘭應具有足夠的強度，不致因受力而破壞這兩個問題，其中密封是否因性能不夠導致出現泄漏問題是重點，因此在設計時要重點解決密封問題，因為保證法蘭連接密封的可靠性是確保裝置長周期安全運行的必要條件。

1 法蘭連接的密封機理

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

2 密封設計相關問題研究

影響法蘭密封的因素主要有：螺栓預緊力、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導致出現泄漏問題是重點，因此在設計時要重點解決密封問題，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。設計時，主要應根據介質特性、壓力、溫度和壓緊面的形狀來選擇墊片的結構形式、材料和尺寸，通常兼顧價格、制造和更換是否方便等因素?；疽笫侵谱鲏|片的材料不污染工作介質、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硬化或軟化等。對于化工、石油、輕工、食品等生產中常用的介質，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、波齒復合墊片等。

由于影響法蘭密封的因素較多，因此選用墊片時，必須對各種墊片的密封性能、操作條件以及密封面的型式、結構的繁簡、裝卸的難易、經濟性等因素進行全面分析。其中操作條件（壓力、溫度、介質）是影響密封的主要因素，也是選用墊片的主要依據。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，應等于或優于密封面材料的性能。設計溫度比較高時，應采用穩定型不銹鋼；設計溫度不太高時，可采用非穩定型不銹鋼；在有腐蝕的條件下，選用對法蘭材料呈陽性的墊片材料。采用哪一種墊片材料要根據使用方法和墊片種類來決定。

3 結語

使各項應力分別接近材料許用應力值，即結構材料在各個方向的強度都得到較充分的發揮是進行螺栓法蘭密封設計的主要原則，因此密封設計是螺栓法蘭連接中的重要環節，因為法蘭密封問題，不僅涉及到節能和環境污染問題，更重要的是關系到設備的長周期安全運轉。而密封性能的優劣又與壓緊面和墊片有關，因此在法蘭設計時須注意這兩個方面的因素影響，根據實際操作條件選擇好法蘭壓緊面和墊片是達到密封設計有效的一個重要環節。

參考文獻：

[1]陳慶，郝正泉.螺栓法蘭連接系統的可靠性設計研究[J].中國設備工程，2016，11（3）：115-116.