法兰的密封与泄漏【摘要】在石油化工装置中，法兰连接是管道、管件、阀门、仪表、设备等自身和相互实现连接的最常见、最重要的连接形式。
本文探讨了管法兰的泄漏及在设计工作中应注意的问题。
【关键词】法兰；垫片；螺栓；泄漏0.概述石油化工装置中，法兰连接是管道、管件、阀门、仪表、设备等自身和相互实现连接的最常见、最重要的连接形式之一。
连接法兰主要依靠其连接螺栓产生的压紧力，通过法兰垫片达到足够的工作密封比压来阻止管道内介质外漏，实现密封。
这种连接虽具有拆卸方便且不用动火等特点，但因其本身的结构特点，处理不当就会造成泄漏，不仅会造成资源浪费，而且还污染环境，甚至造成人员伤亡及财产损失。
因此，探讨管法兰的泄漏对于设计工作具有较好的现实意义。
1.法兰的密封与泄漏法兰的密封原理。
法兰连接，确切地说应该是螺栓、法兰、垫片连接，其密封是靠三者的协同作用来实现的。
其中垫片是实现密封的核心部件。
1.1密封机理通过螺栓的预紧力，是垫片和法兰密封面之间产生足够的压力，使垫片表面产生的变形足以填补法兰密封面的微观不平度，达到密封的目的。
为达到上述目的所作用到垫片上的最小单位压紧力，称为比压力Y。
当管系达到操作压力时，在内压的轴向作用力的作用下，两片法兰呈现分开的趋势，螺栓将产生弹性或塑性变形，作用在垫片上的压紧力将减少。
当作用在垫片有效截面上的压紧力减小到某一临界值时，仍能保持密封。
这时垫片上的剩余压紧力即为垫片的有效紧固力，当有效紧固力小到某一临界值以下时，就会发生泄漏，甚至能使垫片错位。
因此，垫片的有效紧固力必须大于管系的操作压力，垫片的有效紧固力与管系的工作压力的比值称为垫片系数m。
两片法兰密封面之间的距离，在操作状态要比初始状态大，这时候垫片与法兰密封面的紧密性是靠垫片的回弹力来保证的。
可以这么说，在初始密封阶段，垫片的表面塑性变形填补法兰密封面的微观不平度起决定作用的；而在操作状态下法兰的密封，垫片内部的弹性回复起主导作用。
1.2密封过程中密封面的微观变化分析对密封面加载过程的初期，两密封面间首先接触的是表面最突出部分的毛刺、颗粒状杂质等。
但因此局部载荷很大，这些凸出部分很快被压平或嵌入对方。
此时密封面大部分呈自由状态，间隙很大尚不能形成密封能力；随着螺栓载荷的增加，密封面间波峰、波谷相互穿插、嵌合，微间隙逐渐减小，直到密封面完全贴合。
在此阶段中，流道截面积随压紧力的增加而逐渐减小，流道阻力随之增大，相应地泄漏率逐渐减小，故此阶段增加垫片的压力荷载可有效的控制泄漏，我们可称此阶段为正常密封阶段。
正常密封阶段结束后，密封面初始的不平度所形成的微间隙基本上已被填死，密封面大部分已嵌合，泄漏通道主要是由表面缺陷如裂纹、划伤等形成，而要进一步消除这部分的间隙则是十分困难的。
卸载过程中，密封面上由于相互嵌合而产生的塑性变形不因卸载而恢复。
此时，只要垫片未被完全压死，只要垫片的回弹能力能够补偿由介质压力所引起的密封面间的轴向位移，则其还有一定的密封能力。
但是，由于初始密封面的不平度，密封面上的应力是很不均匀的，嵌合过程中并非垫片的整个密封面都能形成与法兰密封面相吻合的塑性变形，其中一部分受力较小的波谷处，仍处于弹性状态。
这部分弹性变形将随着压紧载荷的减小而恢复。
1.3实行密封的法兰、垫片、螺栓的应力应变协调变化过程在预紧状态下，若安装应力不计，螺栓的预紧力即为垫片所受到的压紧力。
设垫片的比压力为Y，有效接触面积为S，则据此求得的最小预紧力为：T=SY上式表明，T是个只跟垫片的性能有关，而与操作条件无关的数据。
而事实上，螺栓的预紧力是一个与操作条件密切相关的数据，所以这个值对螺栓法兰垫片连接的密封没有实际意义。
预紧状态下，螺栓的预紧载荷仅仅由垫片的压紧力而引起的。
在操作状态时，随着压力的升高，螺栓的荷载开始增大，螺栓也因载荷的增加而变长，螺栓荷载直到系统达到操作条件而稳定到一个值G。
另一方面，因螺栓伸长，两法兰密封面的间距变大而是垫片回弹，垫片的压紧力减少；使螺栓的荷载减少。
我们最关心的是操作状态下垫片所受到的压紧力F，使垫片在操作状态下所受到压紧力为F的螺栓的预紧力，才是我们直接控制的，设为f 。
若操作状态下螺栓垫片法兰的力平衡方程可表达为：G=M+F设从预紧状态到操作状态垫片的压紧力变化为△F，垫片的回弹量为L1，螺栓的伸长量为△L2 。
垫片和螺栓的弹性系数分别为K1、K2 ，则有：△L1=△F/K1 ……………………………（ 1 ）△L2=（P-△F）/K2………………………（ 2 ）由于螺栓法兰垫片是协变过程，假设法兰为刚性件，则垫片的回弹量应与螺栓的伸长量相等，可得应变协变方程如下：△L1=△L2……………………………（ 3 ）将（1）（2）式代入（3）可得：△F=[ K1/（K1+K2 ）]P…………………（ 4 ）因预紧力f等于预紧状态垫片的压紧力，也等于操作状态下垫片的压紧力F 加上2从预紧状态到操作状态垫片加压紧力的变化.即：f =F+△F……………………………（5 ）垫片的最小压紧力为：Fmin =SY……………………………（6 ）其中S为有效密封接触面积，Y为垫片的比压力将（ 4 ）（ 6 ）式代入（5）式，可得应力协变方程如下：fmin=SY+P ……………………（7 ）从（7 ）式中可以看出，螺栓的最小预紧力由两部分组成：SY：这一部分是垫片有关的量。
P：是与垫片、螺栓、操作条件有关的物理量。
上式表明预紧力F不但与垫片本身的属性有关，还与操作条件、螺栓本身的刚度有关。
事实上影响预紧力f的因素很多，诸如螺栓、螺母的制造质量，螺纹的清洁程度、螺母与螺栓及法兰接触面的润滑状况、垫片的塑性变形、法兰的塑性和弹性变形、法兰的转角等等都是影响预紧力的因素。
另外，系统的温度变化和垫片的蠕变和应力松弛也对（7 ）式产生重大影响。
这些诸多因素的作用结果使得法兰、垫片、螺栓的协变关系变得十分复杂，很难从理论上推出它们之间的关系。
1.4垫片的蠕变和应力松弛既然垫片承受很大的压紧力，肯定存在蠕变和应力松弛，且这和现象随温度的升高而增大。
只不过在这个过程中应力和应变都是逐渐变化的，在螺栓、法兰、垫片这种结构中，垫片的应力松弛必然会有应变发生，蠕变必然导致螺栓荷载的变化，因此这种变化既不是理论上的纯蠕变，也不是纯应力松弛，这里既有蠕变，也有应力松弛，我们可称之为蠕变——松弛。
2.受内压管道法兰热瞬态密封分析高温会降低垫片的回弹能力和实际密封性能，就法兰螺栓结构来看，温度引起的变形式影响密封的主要因素之一。
2.1瞬态温度场升温过程中，法兰环从内到外存在一定的温度差，因热量是从法兰内壁向外壁传递的，法兰中靠近外壁部分的温度变化比内壁滞后一段时间。
螺栓与法兰之间仅靠接触面传热，螺栓的温度应比法兰有较大的滞后。
2.2温度引起的法兰变形升温初期，法兰接管受热升温比法兰环快得多，两者热胀量相差较大，接管的进一步膨胀受到法兰环的约束，从而使法兰产生较大的偏角。
当法兰温度达到稳定时，法兰与接管的温度差最小，转角也趋于减少，但法兰和螺栓的轴向和径向的线胀量却增加了。
2.3升温引起的变形和压力变化对法兰连接系统密封性能的影响系统升压使垫片的有效紧固力比预紧力小，而系统升温时，螺栓温度升温滞后，法兰升温较快而产生的热胀使垫片进一步压缩，垫片应力又增加，因此，系统升温升压的过程中，垫片的应力变化量取决于升压和升温的共同作用。
法兰转角的变化，一方面抑制了因法兰和螺栓的膨胀差引起的垫片应力的进一步升高；另一方面由于法兰的转动变形，导致垫片外测被进一步压缩，使之产生塑性变形而降低了垫片的回弹能力，并对垫片的密封产生不利影响。
瞬间升温过大也会导致不良后果，这是因为垫片会在短时间内被过分压缩，失去较大的回弹能力，同时使法兰产生较大的变形而降到了密封能力。
此外，法兰内也会产生较大的不利于密封的瞬态热应力，所以必须控制升温的速度；瞬间降温幅度多大同样也会使法兰在瞬间发生较大变形，并产生较大的瞬态热应力而造成泄漏，控制降温幅度也是必要的。
3.常用垫片的特性因预紧阶段垫片是靠表面的塑性变形来实现密封的，而在操作阶段是靠垫片的回弹性实现密封，所以理想垫片应是其表面具有良好的塑性变形，内部结构应具有优良的压缩回弹性。
因此垫片的结构设计都是围绕着这两种要求来进行的。
3.1石棉橡胶垫石棉橡胶垫因其质量轻，不易变形、方便运输、存放，耐腐蚀，可以任意剪成各种规格和形状而得到广泛的应用，但因其回弹性很差，只能用于低压环境下。
3.2缠绕垫柔性石墨缠绕垫是用V型获W型断面的金属带和填充带相间螺旋缠绕而成。
后来为提高垫片的强度和可靠性，以及方便安装对中，根据法兰的密封面形式和操作条件不同，分别采用了带外环、带内环、带内外环等结构形式的缠绕垫。
缠绕垫在安装和使用过程中，最常见的破坏形式主要是散架和压溃。
在高温高压情况下，垫片受到的压紧力很大，垫片内的填充物受压产生的内应力向内径方向作用于内层钢带，使内层钢带受到外压作用，当外压力超过一定值时，此钢带围成的钢带圈向内凹陷，使垫片发生局部破坏，导致密封失败，称为压溃现象。
缠绕式垫片的压紧比压越高，规格越大就越容易发生压溃。
缠绕垫内的填充物受压产生的内应力沿径向向外产生散架的破坏作用，向内产生压溃的破坏作用，不利于垫片的压紧，故带内外环的垫片的密封效果要比带内环和带外环的垫片要好；又因内压有使垫片产生散架的破坏作用，故带外环的垫片比带内环的密封效果要好。
3.3金属环垫与金属环垫配用的法兰密封面为环槽面，常用在高温、高压的操作工况下。
从理论上讲，金属垫片的密封是圆周线密封，因此，要求金属环垫、法兰梯形槽表面不得有机械缺陷如划痕、凹坑等，表面应光滑洁净。
金属环垫虽然第一次密封效果很好，但因垫片与法兰之间仅为线接触，且这种垫片的密封压紧力又很大，垫片和法兰梯形槽接触点之间的作用力也很大（一般要大于124MPa），特别是在高温条件下，会使梯形槽表面发生变形、裂纹等不同程度的损伤，一旦密封失效，很难再保证密封效果。
即使更换新的垫片，也解决不了泄漏问题，必须对梯形槽表面进行修补、研磨，否则只能将法兰和垫片一起更换。
尤其有应力腐蚀介质存在地情况下，裂纹的发生和扩展更为明显或严重。
这是金属环垫片在使用过程中最常出现的问题之一。
再加上金属环垫的安装拆卸比较困难等因素，国外从70年代已开始采用高压缠绕垫来代替金属环垫，目前已基本不用金属环垫。
4.分析泄漏的方法法兰的泄漏是绝对的，不漏是相对的。
要求法兰密封达到绝对不漏是不可能的。
我们应该做到的是按生产过程的重要性、危险性以及安全和经济的要求来确定相应的零泄漏标准。
一般工业的零泄漏的界限是：1.6×10-3cm3/s的体积泄漏率。
管道连接法兰泄漏的主要原因通常有以下几个方面：（1）由于密封垫片压紧力不足，安装密封垫出现偏装，螺栓松紧不一，两法兰中心线偏移，导致管道压力提升后发生泄漏。