法蘭密封性能及應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題

1、法蘭密封性能及應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題   1  前言    法蘭及其墊片、緊固件統(tǒng)稱為法蘭接頭。法蘭接頭是石油化工生產(chǎn)中使用極為普遍，涉及面非常廣泛的一種零部件。它是配管設(shè)計(jì)、管件閥門中必不可少的零件，也是設(shè)備、設(shè)備零部件 （如人孔、手孔、液面計(jì)等） 中必備的構(gòu)件。法蘭接頭在壓力容器、壓力管道中的主要功能是連接與密封，法蘭的失效不是因?yàn)閺?qiáng)度問(wèn)題，而是在螺栓載荷、墊片反力和介質(zhì)壓力的合成力矩作用下，由于剛度不足而產(chǎn)生變形（轉(zhuǎn)角），使其對(duì)墊片的壓緊力不均勻，從而導(dǎo)致法蘭接頭泄漏。因此，控制法蘭剛度和變形是法蘭接頭的關(guān)鍵。由于法蘭接頭的

2、載荷和變形涉及的因素比較復(fù)雜，長(zhǎng)期以來(lái)只能用經(jīng)驗(yàn)和法蘭應(yīng)力計(jì)算來(lái)間接反映，國(guó)外規(guī)范已列入了法蘭剛度計(jì)算方法，而我國(guó)容器標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)（GB150和容規(guī)）是以保證壓力容器安全運(yùn)行為目標(biāo)而制定的，壓力容器安全成為防止強(qiáng)度失效或脆性斷裂的代名詞。2  法蘭接頭的密封機(jī)理    在螺栓上緊后，使墊片與兩個(gè)法蘭密封面之間產(chǎn)生一定的密封力，此時(shí)墊片單位面積上的密封力稱為預(yù)緊比壓，預(yù)緊比壓使墊片產(chǎn)生一定的變形，從而保證接觸面的密封。墊片的材質(zhì)不同，預(yù)緊比壓的要求也不同。當(dāng)介質(zhì)壓力升起后，由于內(nèi)壓的作用使墊片的壓緊力比預(yù)緊狀態(tài)有所降低。為了保證在工作狀態(tài)下的密封性能，要求此

3、時(shí)墊片的比壓不小于m×p（p為內(nèi)壓，m是與墊片材質(zhì)及要求達(dá)到的密封程度有關(guān)的數(shù)值）。    法蘭的泄漏情況用泄漏率來(lái)表示。通常氣體的泄漏率要遠(yuǎn)大于液體的泄漏率，墊片的密封性能一般用一定壓力下氮?dú)獾男孤┞蕘?lái)評(píng)價(jià)。對(duì)某種墊片而言，其泄漏率L與內(nèi)壓P和預(yù)緊比壓y1的關(guān)系是y1ab ln（P/L）。式中a、b為墊片材料特征常數(shù)。美國(guó)PVRC（ASME研究機(jī)構(gòu)）新規(guī)則將泄漏率進(jìn)行了分級(jí)。見(jiàn)表1。表1  PVRC對(duì)法蘭密封泄漏率的等級(jí)劃分泄漏等級(jí)泄漏率/mg.（s×mm）-1備 注水、空氣級(jí)T12×10-1公用工程，最低要求標(biāo)

4、準(zhǔn)級(jí)T22×10相當(dāng)于DN100法蘭一天泄漏40L氮?dú)饩o密級(jí)T32×10用于易燃、有毒介質(zhì)高緊密級(jí)T42×10用于高真空、劇毒介質(zhì)、核裝置等特殊緊密級(jí)T52×103  法蘭接頭的性能和幾個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)3.1  墊片    墊片是影響接頭密封性能最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，法蘭和螺栓都是圍繞保證墊片在最適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)下工作而設(shè)置的，因此，提高法蘭接頭的密封性能應(yīng)首先考慮墊片問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)未把密封泄漏率定量地作為影響壓力容器和管道安全的主要因素，對(duì)墊片材料的選用未引起重視。而我公司一些裝置在選用墊片時(shí)也同樣存在諸多誤區(qū)：&#

5、160;   把石棉橡膠板作為一個(gè)萬(wàn)能的墊片，不考慮使用條件而廣泛采用。實(shí)際上，石棉橡膠板是將石棉纖維和不同橡膠及其它粘合劑混煉后壓制而成，是一多孔的非金屬材料，而且隨著組成的品種和配比不同，其性能變化是很大的。國(guó)內(nèi)的石棉橡膠板標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，即GB3985-1995“石棉橡膠板”和GB539-1995“耐油石棉橡膠板”，標(biāo)準(zhǔn)中的幾張表格給使用者造成極大誤解，見(jiàn)表2。表2  GB39851995石棉橡膠板牌 號(hào)適用條件型式試驗(yàn)條件（蒸汽密封）XB450溫度450壓力6MPa440450，1112MPa，保壓30分無(wú)擊穿，予緊力23 MPaXB350溫度350壓力4MP

6、a340350，78MPa，保壓30分無(wú)擊穿，予緊力23 MPaXB200溫度200壓力1.5MPa200220，23MPa，保壓30分無(wú)擊穿，予緊力15MPa     由于標(biāo)準(zhǔn)中列入了這種條款，長(zhǎng)期以來(lái)我們誤認(rèn)為石棉橡膠板可以用至450，6MPa（XB450），無(wú)論蒸汽系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、油品系統(tǒng)都可以普遍使用。實(shí)際上，國(guó)外對(duì)石棉橡膠板的使用有嚴(yán)格的限制，如美國(guó)杜邦公司規(guī)定易燃介質(zhì)不得使用石棉橡膠板，因?yàn)橐坏┌l(fā)生火災(zāi)，采用石棉橡膠板的法蘭接頭很難保證不產(chǎn)生二次泄漏。日本 “石油工業(yè)用石棉橡膠板”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定易燃有毒氣體使用石棉橡膠板的條件為0260，1.0MP

7、a，水、空氣、水蒸汽為-50260，3.0MPa。而且，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)石棉橡膠板的性能指標(biāo)要求比國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品要高。    厚墊片比薄墊片好。事實(shí)上，石棉橡膠板是一多孔的材料，墊片越厚，其滲透率越高，為了保證較高的密封性，必須施加比薄墊片更大的壓緊力，才能將其芯部泄漏率降低，因此厚墊片比薄墊片需要的壓緊力要大。對(duì)于水這樣的大分子液體來(lái)講，通過(guò)墊片芯部的泄漏率很小，厚度影響不大。通常厚墊片僅僅是法蘭直徑較大，考慮密封面波浪度或瓢曲時(shí)使用。一般其厚度依次采用0.81，0.6，3.2mm。    墊片寬度也不是越寬越好，相反，適當(dāng)窄一點(diǎn)能提高其密

8、封比壓。但非金屬墊片保證一定的寬度是有必要的，一是可以控制內(nèi)部泄漏，二是不致使壓緊力過(guò)大，把墊片壓潰。    金屬纏繞墊是近年來(lái)我公司逐漸推廣使用的一種半金屬墊。它一般由0.2mm左右的V形金屬帶與非金屬帶（如四氟、石墨等）纏繞而成，非金屬帶一般要露頭零點(diǎn)幾毫米，以在兩側(cè)表面形成非金屬密封層。金屬纏繞墊的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、彈性好、防滲漏、耐高溫。因此纏繞墊適用于中壓系統(tǒng)或要求較高的場(chǎng)合。但在使用中，有將不帶內(nèi)、外環(huán)的墊片用于平面法蘭的情況，由于內(nèi)、外環(huán)有定位、加固（壓緊力的作用下不致垮散）、控制壓緊力的作用，當(dāng)法蘭密封面為平面時(shí)，如使用的纏繞墊不帶內(nèi)、外環(huán)，極易使墊片

9、壓潰，使密封失效。3.2  法蘭 鑫興密封材料廠     壓力等級(jí)    一般壓力等級(jí)越高，密封性能越好。但法蘭的選用涉及管道元件，如閥門、管件、機(jī)械設(shè)備等的配套問(wèn)題，因而其壓力等級(jí)不可隨意提高。    法蘭型式法蘭型式有許多種，如對(duì)焊、平焊、活套法蘭。其密封面型式有凸面、凹凸面、榫槽、梯型槽等。法蘭型式、密封面型式和密封面光潔度對(duì)密封性能影響較大。過(guò)去，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，都知道同樣厚度的帶頸對(duì)焊法蘭強(qiáng)度比板式平焊法蘭好，且可作定量計(jì)算，但各種法蘭對(duì)密封有何影響，卻沒(méi)有定量概念，在GB150中也沒(méi)

10、有法蘭剛度的計(jì)算公式。    美國(guó)ASME規(guī)范1995年起納入了對(duì)法蘭剛度進(jìn)行校核的概念，提出了法蘭剛度計(jì)算方法：WN帶頸對(duì)焊法蘭、整體法蘭 PL平板法蘭當(dāng)J1.0時(shí)，可以認(rèn)為法蘭有較好的剛度。取J=1.0可得到許用彎矩M的計(jì)算式。表3為有關(guān)資料介紹的兩種型式的標(biāo)準(zhǔn)法蘭，使用石棉橡膠板和纏繞墊時(shí)的操作彎矩或予表3  兩種型式的標(biāo)準(zhǔn)法蘭使用情況對(duì)比法蘭M密封計(jì)算彎矩石棉橡膠板纏繞墊計(jì)算彎矩操作彎矩計(jì)算彎矩操作彎矩PN1.6DN1002.8（PL）12.7（WN）1.8（PL）1.8（WN）3.53.53.53.56.36.3PN1.6DN60014.7（P

11、L）81.7（WN）4040646454.754.7155.5155.5PN40DN10027（WN）2.56.74.211.8緊彎矩M和保證法蘭剛度的許用彎矩M的比較。從表3可以看出：a.許用彎矩M與法蘭剛度呈線性比例關(guān)系, 法蘭剛度越大, 法蘭在予緊和使用時(shí)變形小，密封性能越好。b.當(dāng)施加彎矩MM時(shí)，說(shuō)明法蘭變形控制在安全范圍內(nèi)，墊片泄漏率能獲得保證，反之，則法蘭剛度不足，墊片泄漏可能失控。c.帶頸對(duì)焊法蘭剛度比同規(guī)格平板法蘭高310倍，易于保證密封性能。國(guó)外工程公司一般僅在公用工程中使用平焊法蘭，如水、空氣、低壓蒸汽等場(chǎng)合。密封面表面粗糙度    密封面表面

12、粗糙度與墊片材質(zhì)、密封比壓、要求的泄漏率有關(guān)，不宜太高，也不宜太低。國(guó)外在選用、采購(gòu)、驗(yàn)收時(shí)對(duì)密封面表面粗糙度都有規(guī)定并作為檢查項(xiàng)目，我國(guó)尚未引起足夠的重視，且存在一些錯(cuò)誤做法，如在密封面上車兩道1mm的三角形槽，不管用什么墊片，法蘭面均車水線。表4為幾種常見(jiàn)墊片的粗糙度要求。表4  常見(jiàn)墊片的粗糙度要求材質(zhì)HB/kg.mm-2Rz（max）Ra（max）鋁20256.3軟鐵903.20.8不銹鋼1601.60.4膨脹石墨 5012.5橡膠 5012.5注：通常規(guī)律：金屬墊HB ×Rz3004003.3  緊固件 鑫興密封材料廠  &

13、#160;  緊固件在法蘭連接中作用比較簡(jiǎn)單, 即施加緊固力, 一般密封等級(jí)高，要求的螺栓力較大。為了達(dá)到T3級(jí)密封，無(wú)論什么墊片，一般要求螺栓予緊力要達(dá)到200MPa左右，因此，以采用合金高強(qiáng)度螺栓為宜，采用低碳鋼或中碳鋼的概念與要求較高的密封等級(jí)是不相適應(yīng)的。實(shí)際上，國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局的文件中已明確液化氣球罐上法蘭必須用高強(qiáng)度合金螺栓。    螺栓力的控制是保證法蘭密封性的主要因素之一，尤其是螺栓力要均勻，否則，易使法蘭面變形不均勻，或使密封面和墊片壓潰，造成密封失效。國(guó)內(nèi)通常采用套筒沖擊扳手，螺栓潤(rùn)滑也不講究，因此實(shí)際螺栓力與要求相差甚遠(yuǎn)，最大與最小可達(dá)4倍，往往不能保證良好的密封。如我公司加氫制氫車間的10臺(tái)意大利進(jìn)口換熱器，原檢修時(shí)采用手工扳手，由于螺栓力過(guò)高，且法蘭受力不均勻，使法蘭梯形槽壓壞，出現(xiàn)裂紋，造成嚴(yán)重的安全隱患。1997年，我們采用液壓力矩扳手后，由于控制了適當(dāng)?shù)挠杈o力和均勻的螺栓力，不僅保證了密封面完好，且保證了良好的密封性能。法蘭密封性能的影響因素還有管道系統(tǒng)布置、熱膨脹、振動(dòng)等現(xiàn)場(chǎng)條件，在實(shí)際選用時(shí)要綜合考慮。4  結(jié)論    墊片是影響法蘭密封的主要因素，目前在易燃易爆介質(zhì)或重要場(chǎng)合應(yīng)主要選用半金屬和金屬墊片，如液化氣、蒸汽、油品等以選用金屬纏繞墊為好，高溫、高壓部位