崔华
新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院
摘要：与螺纹连接、承插式连接相比，螺栓法兰连接以结构简单、装配比较方便的优势在压力容器等可拆密封装置形式中应用非常普遍，这其中螺栓法兰连接设计关键要解决两个问题：一是保证连接处“紧密不漏”；二是法兰应具有足够的强度，不致因受力而破坏。实际应用中发现，螺栓法兰连接很少因强度不足而破坏，大多因密封性能不良而导致泄漏。因此密封设计是螺栓法兰连接中的重要环节，而密封性能的优劣又与压紧面和垫片有关，本文就针对密封设计中的这两个问题进行分析，以确保密封性能符合应用要求。
关键词：螺栓法兰连接；密封设计；法兰压紧面
法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛，缺点是不能快速拆卸、制造成本较高。在流体密封领域，螺栓法兰连接是应用非常广泛的一种连接形式。螺栓法兰连接主要有法兰、螺栓和垫片组成。螺栓的作用有两个：一是提供预紧力实现初始密封，并承担内压产生的轴向力；二是使螺栓法兰连接变为可拆连接。垫片装在两个法兰中间，作用是防止容器发生泄漏。
1、法兰连接的密封机理
法兰连接的密封机理是通过螺栓预紧，使法兰密封面间的垫片被压紧变实，并填满法兰密封面上凹凸不平的间隙，阻止了介质通过垫片内部毛细孔的渗透性泄漏和垫片与密封面间的界面泄漏。从而实现预密封。保证法兰连接密封不漏的条件是：预紧时，预紧力作用在垫片上的预紧比压不低于预紧密封比压；工作时，作用在垫片上的剩余比压不低于工作密封比压。
2、密封设计相关问题研究
2.1 法蘭压紧面的选择
垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的密封性能。设计时，主要应根据介质特性、压力、温度和压紧面的形状来选择垫片的结构形式、材料和尺寸，通常兼顾价格、制造和更换是否方便等因素。基本要求是制作垫片的材料不污染工作介质、耐腐蚀、具有良好的变形能力和回弹能力，以及在工作温度下不易变质硬化或软化等。对于化工、石油、轻工、食品等生产中常用的介质，常用的垫片有橡胶石棉垫片、金属包石棉垫片、缠绕式垫片、柔性石墨垫片（膨胀石墨垫片）、钢垫圈垫片、波齿复合垫片等。
2.2 垫片的选择
由于影响法兰密封的因素较多，因此选用垫片时，必须对各种垫片的密封性能、操作条件以及密封面的型式、结构的繁简、装卸的难易、经济性等因素进行全面分析。其中操作条件（压力、温度、介质）是影响密封的主要因素，也是选用垫片的主要依据。如在真空条件下操作的换热器，不允许使用橡胶石棉垫片；临氢装置中的换热器，应选用金属垫片、缠绕式垫片或金属包垫片。垫片用金属材料的抗氢和耐蚀性能，应等于或优于密封面材料的性能。设计温度比较高时，应采用稳定型不锈钢；设计温度不太高时，可采用非稳定型不锈钢；在有腐蚀的条件下，选用对法兰材料呈阳性的垫片材料。采用哪一种垫片材料要根据使用方法和垫片种类来决定。
3、法兰接头的性能和几个错误认识
3.1 垫片
垫片是影响接头密封性能最关键的环节，法兰和螺栓都是围绕保证垫片在最适当的状态下工作而设置的，因此，提高法兰接头的密封性能应首先考虑垫片问题。
长期以来，我国未把密封—泄漏率定量地作为影响压力容器和管道安全的主要因素，对垫片材料的选用未引起重视。一些装置在选用垫片时也同样存在诸多误区：
⑴把石棉橡胶板作为一个万能的垫片，不考虑使用条件而广泛采用。实际上，石棉橡胶板是将石棉纤维和不同橡胶及其它粘合剂混炼后压制而成，是一多孔的非金属材料，而且随着组成的品种和配比不同，其性能变化是很大的。
? 由于标准中列入了这种条款，长期以来我们误认为石棉橡胶板可以用至450℃，6MPa(XB450)，无论蒸汽系统、氢气系统、油品系统都可以普遍使用。实际上，国外对石棉橡胶板的使用有严格的限制，如美国杜邦公司规定易燃介质不得使用石棉橡胶板，因为一旦发生火灾，采用石棉橡胶板的法兰接头很难保证不产生二次泄漏。日本 “石油工业用石棉橡胶板”标准规定易燃有毒气体使用石棉橡胶板的条件为0~260℃，≤1.0MPa，水、空气、水蒸汽为-50~260℃，≤3.0MPa。而且，国外标准对石棉橡胶板的性能指标要求比国内同类产品要高。
⑵厚垫片比薄垫片好。事实上，石棉橡胶板是一多孔的材料，垫片越厚，其渗透率越高，为了保证较高的密封性，必须施加比薄垫片更大的压紧力，才能将其芯部泄漏率降低，因此厚垫片比薄垫片需要的压紧力要大。对于水这样的大分子液体来讲，通过垫片芯部的泄漏率很小，厚度影响不大。通常厚垫片仅仅是法兰直径较大，考虑密封面波浪度或瓢曲时使用。一般其厚度依次采用0.81，0.6，3.2mm。
垫片宽度也不是越宽越好，相反，适当窄一点能提高其密封比压。但非金属垫片保证一定的宽度是有必要的，一是可以控制内部泄漏，二是不致使压紧力过大，把垫片压溃。
⑶金属缠绕垫是现在常是用的一种半金属垫。它一般由0.2mm左右的V形金属带与非金属带(如四氟、石墨等)缠绕而成，非金属带一般要露头零点几毫米，以在两侧表面形成非金属密封层。金属缠绕垫的特点是强度高、弹性好、防渗漏、耐高温。因此缠绕垫适用于中压系统或要求较高的场合。但在使用中，有将不带内、外环的垫片用于平面法兰的情况，由于内、外环有定位、加固(压紧力的作用下不致垮散)、控制压紧力的作用，当法兰密封面为平面时，如使用的缠绕垫不带内、外环，极易使垫片压溃，使密封失效。
? 3.2 法兰
⑴压力等级
一般压力等级越高，密封性能越好。但法兰的选用涉及管道元件，如阀门、管件、机械设备等的配套问题，因而其压力等级不可随意提高。
⑵法兰型式
法兰型式有许多种，如对焊、平焊、活套法兰。其密封面型式有凸面、凹凸面、榫槽、梯型槽等。法兰型式、密封面型式和密封面光洁度对密封性能影响较大。
过去，进行强度计算时，都知道同样厚度的带颈对焊法兰强度比板式平焊法兰好，且可作定量计算，但各种法兰对密封有何影响，却没有定量概念，在GB150中也没有法兰刚度的计算公式。
3.3 紧固件
紧固件在法兰连接中作用比较简单, 即施加紧固力, 一般密封等级高，要求的螺栓力较大。为了达到T3级密封，无论什么垫片，一般要求螺栓予紧力要达到200MPa左右，因此，以采用合金高强度螺栓为宜，采用低碳钢或中碳钢的概念与要求较高的密封等级是不相适应的。实际上，国家质量技术监督局的文件中已明确液化气球罐上法兰必须用高强度合金螺栓。
螺栓力的控制是保证法兰密封性的主要因素之一，尤其是螺栓力要均匀，否则，易使法兰面变形不均匀，或使密封面和垫片压溃，造成密封失效。国内通常采用套筒冲击扳手，螺栓润滑也不讲究，因此实际螺栓力与要求相差甚远，最大与最小可达4倍，往往不能保证良好的密封。如我公司加氢制氢车间的10台意大利进口换热器，原检修时采用手工扳手，由于螺栓力过高，且法兰受力不均匀，使法兰梯形槽压坏，出现裂纹，造成严重的安全隐患。1997年，我们采用液压力矩扳手后，由于控制了适当的予紧力和均匀的螺栓力，不仅保证了密封面完好，且保证了良好的密封性能。
4、结语
使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到较充分的发挥是进行螺栓法兰密封设计的主要原则，因此密封设计是螺栓法兰连接中的重要环节，因为法兰密封问题，不仅涉及到节能和环境污染问题，更重要的是关系到设备的长周期安全运转。而密封性能的优劣又与压紧面和垫片有关，因此在法兰设计时须注意这两个方面的因素影响，根据实际操作条件选择好法兰压紧面和垫片是达到密封设计有效的一个重要环节。
参考文献：
[1]陈庆，郝正泉.螺栓法兰连接系统的可靠性设计研究[J].中国设备工程，2016（3）