螺栓法兰连接中密封设计相关问题研究

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　　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；垫片
　　0 前言
　　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。法兰上由螺栓孔，以容纳螺栓。在进行螺栓法兰连接设计的一般目的是：对于已知的垫片特性，确定安全、经济的法兰和螺栓尺寸，使接头的泄漏率在工艺和环境允许范围内，使接头内的应力在材料允许范围内，即确保密封性和结构完整性。而设计过程中关键要解决保证连接处“紧密不漏”和法兰应具有足够的强度，不致因受力而破坏这两个问题，其中密封是否因性能不够导致出现泄漏问题是重点，因此在设计时要重点解决密封问题，因为保证法兰连接密封的可靠性是确保装置长周期安全运行的必要条件。
　　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
　　影响法兰密封的因素主要有：螺栓预紧力、密封面形式、垫片性能、法兰刚度和操作条件等。其中密封是否因性能不够导致出现泄漏问题是重点，因此在设计时要重点解决密封问题，这其中以法兰压紧面和垫片最为重要。
　　2.1 法蘭压紧面的选择
　　2.2 垫片的选择
　　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。
　　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 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，2016，11（3）：115-116.
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