法兰密封性的分析
1 前言
法兰及其垫片、紧固件统称为法兰接头。法兰接头是石油化工生产中使用极为普遍，涉及面非常广泛的一种零部件。它是配管设计、管件阀门中必不可少的零件，也是设备、设备零部件(如人孔、手孔、液面计等) 中必备的构件。
法兰接头在压力容器、压力管道中的主要功能是连接与密封，法兰的失效不是因为强度问题，而是在螺栓载荷、垫片反力和介质压力的合成力矩作用下，由于刚度不足而产生变形(转角)，使其对垫片的压紧力不均匀，从而导致法兰接头泄漏。因此，控制法兰刚度和变形是法兰接头的关键。由于法兰接头的载荷和变形涉及的因素比较复杂，长期以来只能用经验和法兰应力计算来间接反映，国外规范已列入了法兰刚度计算方法，而我国容器标准和法规(GB150和容规)是以保证压力容器安全运行为目标而制定的，压力容器安全成为防止强度失效或脆性断裂的代名词。
2 法兰接头的密封机理
在螺栓上紧后，使垫片与两个法兰密封面之间产生一定的密封力，此时垫片单位面积上的密封力称为预紧比压，预紧比压使垫片产生一定的变形，从而保证接触面的密封。垫片的材质不同，预紧比压的要求也不同。当介质压力升起后，由于内压的作用使垫片的压紧力比预紧状态有所降低。为了保证在工作状态下的密封性能，要求此时垫片的比压不小于m×p(p为内压，m是与垫片材质及要求达到的密封程度有关的数值)。
法兰的泄漏情况用泄漏率来表示。通常气体的泄漏率要远大于液体的泄漏率，垫片的密封性能一般用一定压力下氮气的泄漏率来评价。对某种垫片而言，其泄漏率L与内压P和预紧比压y1的关系是y1=a+b ln(P/L)。式中a、b为垫片材料特征常数。
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*关键的环节，法兰和螺栓都是围绕保证垫片在*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。
国内的石棉橡胶板标准有两个，即GB3985-1995“石棉橡胶板”和GB539-1995“耐油石棉橡胶板”。
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。
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