螺栓法兰接头紧固密封的研究展望.pdf

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1、第38卷第5期化工机械513螺栓法兰接头紧固密封的研究展望李敏“杜娟1沈宜辉2(1．东北石油大学；2．大庆钻井二公司)摘要介绍了法兰螺栓紧田密封的原因及影响其紧固密封的因素，根据目前国内外的研究状况提出了存在的问题，并展望了今后对此研究的发展趋势。关键词法兰接头螺栓垫片紧固密封中图分类号TQ055．8+l文献标识码A文章编号0254-6094(2011)05-0513-05螺栓法兰连接作为重要的连接形式被广泛地应用于化工、炼油等行业的压力容器和管道中，其主要功能是连接与密封。由于螺栓预紧力、操作工况下介质压力、温度以及管系产生的附加弯矩和附加轴向力

2、等载荷的作用，接头处易发生泄漏，导致密封失效，这不仅会造成能源浪费、环境污染，还可能酿成灾难性事故¨。1。随着化工设备尺寸、操作压力和温度的高参数化，新型密封材料的出现和螺栓法兰接头设计的总体优化，对法兰连接在内的化工设备的强度和密封性的要求也随之提高¨1，这使得对螺栓法兰接头和密封垫片的研究成为石油化工领域中一个受到高度重视并长盛不衰的研究课题。1螺栓法兰接头的密封与泄漏以前把螺栓法兰接头完全密封或无泄漏理解为在预紧时密封垫片上的预紧压力等于或大于该垫片的预紧密封比压，并且操作时密封垫片上残余压紧压力与操作压力的比值等于或大于该垫片的垫片系数，否

3、则，该接头就是不密封的；现在，这种密封与泄漏之间对立且绝对化的观念已被更实际、更科学、定量地描述接头密封性能的泄漏速率所代替。泄漏速率表示不存在绝对密封或不泄漏的螺栓法兰接头，只是接头的泄漏程度不同。因此，对设备的密封要求就是使其泄漏速率不大于某一规定值¨1。螺栓法兰接头的密封状况与法兰密封面的粗糙度、工况条件、被密封介质的物理性能、压紧应力、垫片的基本特性、尺寸以及加、卸载历程等诸多因素有关。在相同的螺栓应力下，法兰密封面粗糙度较小，其凹凸面积也较小，从而使得界面泄漏面积减小，泄漏量减少，密封效果要比粗糙度大的法兰密封面好¨““。螺栓法兰接头密封

4、的工况条件包括介质的压力、温度等，泄漏率的大小随着压力和温度的变化而变化。两密封面之间的压力差越大，介质就越能克服泄漏阻力，越易发生泄漏。经研究表明，温度对螺栓法兰接头密封性能的影响非常大，随着温度的升高，气体与液体的黏度相应的增加和降低，垫片老化松弛加剧，越易发生泄漏。介质的密度、形态及黏度等物理性能参数对螺栓法兰接头密封性都有影响，其中黏度的影响最大，在相同的工况下，同样的螺栓法兰接头，液体的泄漏率小于气体，即黏度大的小于黏度小的。螺栓预紧力的控制是保证螺栓法兰接头密封性的主要因素之一，螺栓预紧力要均匀施加，否则，易造成法兰面变形不均匀，预紧力

5、越大，密封面变形量越大，垫片表面的毛细孔被压缩，填补了法兰表面的不平度，泄漏阻力增加，泄漏减少；但如果预紧力过大，易使密封面和垫片压溃，引起泄漏。国内通常采用套筒冲击扳手，螺栓润滑欠佳，预紧力往往不能达到要求，甚至相差甚远，造成安全隐患¨2’”o。垫片几何尺寸对接头密封性的影响主要取决于垫片的厚度和宽度，在规定范围内，·李敏，女，1963年6月生，副教授。黑龙江省大庆市，163318。514化工机械2011年垫片越厚越宽，接头的泄漏率就越小。垫片的厚度和宽度需在一定的范围内，当垫片厚度达到一定值以后，渗透泄漏率会相应增大，宽度达到一定值以后，就要求

6、有较大的螺栓预紧力，同样降低螺栓法兰接头的密封性¨4““。2国内外研究历史及现状2．1螺栓法兰接头的设计方法由于接头材料的几何非线性，传统的对螺栓法兰接头的研究有很多不足，一直缺乏可靠的理论设计和分析方法¨“。国内外对此进行了大量实验和理论研究，取得了长足进步。Waters和Hallhaylor分别于1929年和1937年发表了论文“管法兰的强度”和“螺栓法兰连接中的应力公式”，形成了ASME锅炉及压力容器规范中法兰的设计规则。上世纪60年代中期美国压力容器委员会(PVRC)螺栓法兰分委会和ASME开孔课题小组联合制定了金属和金属接触的平面法兰设计

7、方法，形成了ASME．Ⅷ-1附录Ⅱ的B部分。上世纪80年代初期将螺栓法兰接头设计方法改为非规定性附录Y，收录了包括两法兰对相同或不同的金属和金属接触的平面法兰规则¨⋯。ASME．Vi．1设计方法的核心是Rossheim和Markl于1942年发表的论文概论中提出对法兰和螺栓的结构及强度起决定作用的是垫片系数m和最小预紧比压Y这两个垫片参数。根据Y、m的值所做的设计可能在很多情况下带来保守的螺栓设计，为密封提供了足够的裕量，但是按照“具有环形垫片的螺栓法兰连接计算规则”，在任何情况下，拧紧螺栓时产生的螺栓预紧应力均大于设计值。由此可见，排除其它降低螺

8、栓载荷的因素，实际所施加的螺栓载荷还有比设计多得多的裕量，以掩盖这些系数的本质Ⅲ一1。另一有别于ASME的、在欧洲具有代表