壓力管道法蘭密封與泄漏的淺析

焦 磊

(中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司， 471003)

壓力管道法蘭密封與泄漏的淺析

焦 磊

(中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司， 471003)

對法蘭的密封機(jī)理及泄露原因進(jìn)行了分析，探討了受到壓力及溫度變化過程中法蘭、墊片和螺栓的協(xié)調(diào)變化，定性地闡述了密封與泄漏的一般規(guī)律。重點分析了溫度變化時法蘭瞬態(tài)溫度分布及墊片應(yīng)力、螺栓應(yīng)力、墊片回彈量的瞬時變化，同時簡單介紹了法蘭密封的核心元件墊片的種類及特性，并舉例介紹了為防止泄漏在管道設(shè)計時應(yīng)注意的問題。

法蘭 墊片 密封 泄漏 管道設(shè)計

在石油化工裝置中，法蘭是管道、管件、閥門、儀表和設(shè)備等進(jìn)行連接的最重要、最常見的形式之一。這種連接雖具有拆卸方便且不用動火等優(yōu)點，但因由法蘭、螺栓、墊片三者協(xié)同實現(xiàn)密封，其中任一元件出現(xiàn)問題就會造成泄漏，不僅造成浪費，而且還會污染環(huán)境，甚至造成人員傷亡及財產(chǎn)損失。因此探討法蘭的密封以及防止泄漏具有重大的現(xiàn)實意義。

1 法蘭的密封

法蘭連接確切地說應(yīng)該是螺栓、法蘭、墊片連接，其密封是靠三者的協(xié)同作用實現(xiàn)的，其中墊片是實現(xiàn)密封的核心部件。

1.1 法蘭的密封原理

通過螺栓的預(yù)緊力，使墊片和法蘭密封面之間產(chǎn)生足夠的壓力，以使墊片表面產(chǎn)生的變形足以填補(bǔ)法蘭密封面的微觀不平度，達(dá)到密封的目的。為達(dá)到上述目的所作用到墊片上的最小單位壓緊力，稱為比壓力。當(dāng)與法蘭連接的管道達(dá)到操作壓力時，因內(nèi)壓的軸向力的作用導(dǎo)致兩片法蘭有分開的趨勢，而螺栓則有伸長的趨勢，作用在墊片上的壓緊力將減少。當(dāng)作用在墊片有效截面上的壓緊力降至某一臨界值時，仍能保持密封，這時墊片上的剩余壓緊力即為墊片的有效緊固力。當(dāng)墊片上壓緊力小于有效緊固力時法蘭就會發(fā)生泄漏，甚至將墊片吹跑，因此墊片的有效緊固力必須大于管道的操作壓力。兩片法蘭密封面之間的距離，在操作狀態(tài)要比初始狀態(tài)大，這時墊片與法蘭密封面的緊密性是靠墊片的回彈力來保證的?？梢赃@么說，在初始密封階段，墊片的表面塑性變形填補(bǔ)法蘭密封面的微觀不平度起決定性作用;而操作狀態(tài)下法蘭的密封，墊片內(nèi)部的彈性回復(fù)起主導(dǎo)作用。

1.2 法蘭密封的緊固力

在預(yù)緊狀態(tài)下，若不計安裝應(yīng)力，螺栓的緊固力即為墊片所受到的壓緊力。設(shè)墊片的比壓力為Y，有效接觸面積為S，據(jù)此求其最小緊固力T為:

式(1)表明，在預(yù)緊狀態(tài)下，T 只跟墊片的性能有關(guān)，而與操作條件無關(guān)。而事實上，在操作狀態(tài)下，螺栓的緊固力是一個與操作條件密切相關(guān)的數(shù)據(jù)。預(yù)緊狀態(tài)下，螺栓的預(yù)緊載荷僅僅由墊片的壓緊引起，但在實際操作工況時，隨著壓力的升高，螺栓的載荷開始增大，螺栓也因荷載的增加而變長，螺栓載荷直到系統(tǒng)達(dá)到操作條件而穩(wěn)定到一個值G。另一方面，因螺栓伸長，兩法蘭密封面的間距變大而使墊片回彈，墊片的壓緊力減少，使螺栓的荷載減少。人們最關(guān)心的是操作狀態(tài)下墊片所受到的壓緊力F，因為使墊片在操作狀態(tài)下所受壓緊力為F的螺柱的緊固力，才是要直接控制的，設(shè)為f。若操作狀態(tài)流體靜壓所產(chǎn)生的軸向力為M，則操作狀態(tài)下螺栓墊片法蘭的力的平衡方程可表達(dá)為:

設(shè)從預(yù)緊狀態(tài)到操作狀態(tài)墊片的壓緊力變化為△F，墊片的回彈量為△L1，螺栓的伸長量為△L2。墊片和螺栓的彈性因子分別為K1、K2，則有:

由于螺栓、法蘭、墊片是協(xié)變過程，假設(shè)法蘭為剛性件，則墊片的回彈量應(yīng)與螺栓的伸長量相等，可得應(yīng)變協(xié)變方程如下:

因緊固力f等于預(yù)緊狀態(tài)墊片的壓緊力，也等于操作狀態(tài)下墊片的壓緊力F加上從預(yù)緊狀態(tài)到操作狀態(tài)墊片加壓緊力的變化。即:

將式(6)、(8)代入式(7)，可得應(yīng)力協(xié)變方程如下:

從式(9)中可以看出，螺栓的最小預(yù)緊力由兩部分組成:SY這一部分是與墊片有關(guān)的量，MK1/K2是與墊片、螺栓、操作條件有關(guān)的物理量。因此緊固力f不但與墊片本身的屬性有關(guān)，還與操作條件、螺栓本身的剛度有關(guān)。

影響緊固力f的因素很多，諸如螺栓、螺母的制造質(zhì)量，螺紋的清潔程度，螺母與螺栓及法蘭接觸面的潤滑狀況，墊片的塑性變形、法蘭的塑性和彈性變形、法蘭的轉(zhuǎn)角等等都是影響預(yù)緊力的因素。另外，系統(tǒng)的溫度變化和墊片的蠕變和應(yīng)力松弛也對式(9)產(chǎn)生重大影響［1－3］。

2 法蘭的泄漏

2.1 法蘭泄露概述

從實際生產(chǎn)的角度來講，要求法蘭密封達(dá)到絕對不泄漏是不可能的，人們應(yīng)該做的是按生產(chǎn)過程的重要性、危險性和經(jīng)濟(jì)性的要求來確定相應(yīng)的泄漏標(biāo)準(zhǔn)。法蘭的泄漏一般有兩種途徑:第1種是墊片本身的滲透作用;第2種是墊片與法蘭密封面間隙的泄漏。由于新型密封材料的不斷出現(xiàn)，第一種泄漏已基本能解決。日常發(fā)生的絕大多數(shù)都是第二種泄漏，下面主要分析第二種泄漏。

在某一特定操作條件下，法蘭連接所能達(dá)到的泄漏率低于某一特定的指標(biāo)泄漏率;或在規(guī)定的泄漏條件下，法蘭連接能夠承受特定的操作條件，滿足這個指標(biāo)泄漏率或特定操作條件的法蘭連接即視為不泄漏，或緊密的，反之則視為會泄漏，或者說是不緊密的。

2.2 法蘭及螺栓的影響

法蘭在實際工況中受力狀況很復(fù)雜，螺栓、墊片、內(nèi)壓都直接對法蘭產(chǎn)生作用力，這些力可能會導(dǎo)致法蘭的不規(guī)則變形。這些作用力從強(qiáng)度方面講是沒有問題的，但變形可能會導(dǎo)致法蘭泄漏。因此，在法蘭設(shè)計時不僅要滿足強(qiáng)度要求，還要滿足法蘭不泄漏所要求的最小變形，即按剛度理論進(jìn)行設(shè)計。

眾所周知，擰緊螺栓能提高密封效果，減少泄漏率，但因受法蘭和螺栓自身的強(qiáng)度和剛度限制，這種方法到達(dá)一定程度后無效。螺栓安裝程序不當(dāng)也會產(chǎn)生泄漏，正確的螺栓上緊順序(十字交叉等距對稱)對保證法蘭連接點的密封和縮短上緊操作時間是極為重要的。

2.3 墊片的蠕變和應(yīng)力松弛

提高密封效果，減少泄漏最有效的現(xiàn)有手段還是提高元件——墊片的性能。由于承受很大的壓緊力，所以墊片存在蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象，且發(fā)生這種現(xiàn)象的機(jī)率隨溫度的升高而增大。只不過在這個過程中應(yīng)力和蠕變都是逐漸變化的，在螺栓、法蘭、墊片這種結(jié)構(gòu)中，墊片發(fā)生應(yīng)力松弛后也必然會有相應(yīng)的應(yīng)變產(chǎn)生，蠕變則必然導(dǎo)致螺栓載荷的變化。因此這種變化既不是理論上的純?nèi)渥?，也不是純?yīng)力松弛，這里既有蠕變，也有應(yīng)力松弛，可稱其為蠕變－松弛。

蠕變－松弛的最終結(jié)果必然使墊片的壓緊力減小，是影響密封性能的重要因素之一，特別是在高溫高壓下影響更大。

3 熱壓工況下法蘭緊固件的分析

高溫高壓會降低墊片的回彈能力和實際密封性能。就法蘭螺栓結(jié)構(gòu)來看，熱壓工況引起的變形是影響密封的主要因素之一。在實際工況中，影響密封的因素很多，所以下面把法蘭、螺栓、墊片視為一個整體，重點分析溫度變化時，其瞬態(tài)溫度分布及墊片應(yīng)力、螺栓應(yīng)力、墊片回彈量的瞬時變化，揭示溫度和壓力下螺栓法蘭連接的密封特性。

3.1 瞬態(tài)溫度場

升溫過程中，法蘭環(huán)從內(nèi)到外存在一定的溫度差，因熱量是從法蘭內(nèi)壁向外壁傳遞的，法蘭中靠近外壁部分的溫度變化比內(nèi)壁滯后一段時間。螺栓與法蘭之間僅靠接觸面?zhèn)鳠?，螺栓的溫度?yīng)比法蘭有較大的滯后，形成法蘭螺栓的瞬態(tài)溫度場。

瞬態(tài)溫度場引起法蘭變形。升溫初期，法蘭接管受熱升溫比法蘭環(huán)快得多，兩者熱漲量相差較大，接管的進(jìn)一步膨脹受到法蘭環(huán)的約束，從而使法蘭產(chǎn)生較大的偏角，具體如圖1所示。

圖1 瞬態(tài)溫度場引起的法蘭變形對比

事實上，法蘭偏角是熱漲與螺栓力矩共同作用的結(jié)果，而升溫前因為只有螺栓力矩的作用，導(dǎo)致產(chǎn)生的法蘭偏角很小罷了。當(dāng)法蘭溫度達(dá)到穩(wěn)定時，法蘭與接管的溫度差最小，轉(zhuǎn)角也趨于減小，但法蘭和螺栓的軸向和徑向的線脹量卻增加了。

3.2 熱壓工況對法蘭連接系統(tǒng)密封性能的影響

系統(tǒng)升壓使墊片的有效緊固力比預(yù)緊力小，而系統(tǒng)升溫時，螺栓升溫滯后，法蘭升溫較快而產(chǎn)生的熱脹使墊片進(jìn)一步壓縮，墊片應(yīng)力又增加。因此在系統(tǒng)升溫和升壓的過程中，墊片應(yīng)力的變化量取決于升壓和升溫的共同作用。法蘭轉(zhuǎn)角的變化，一方面抑制了因法蘭和螺栓的膨脹差引起的墊片應(yīng)力的進(jìn)一步升高;另一方面由于法蘭的轉(zhuǎn)動變形，導(dǎo)致墊片外側(cè)被進(jìn)一步壓縮，使之產(chǎn)生塑性變形而降低了墊片的回彈能力，并對墊片的密封產(chǎn)生不利影響。溫度對法蘭密封的影響還隨接管、法蘭、墊片螺栓的材質(zhì)不同和升溫的速度和時間點不同，可使墊片的密封應(yīng)力減少或增加。

瞬間升溫過大也會導(dǎo)致不良后果，這是因為墊片會在短時間內(nèi)被過分壓縮，失去部分回彈能力，同時使法蘭產(chǎn)生了較大變形而降低了密封能力。此外，法蘭內(nèi)也會產(chǎn)生較大的不利于密封的瞬態(tài)熱應(yīng)力，所以必須控制升溫的速率;瞬間降溫幅度過大同樣也會使法蘭在瞬間發(fā)生較大變形，并產(chǎn)生較大的瞬態(tài)熱應(yīng)力造成泄漏。

從另一個角度講，溫度升降過快都會導(dǎo)致管道、法蘭、墊片、螺栓的溫差加大，它們的應(yīng)力、應(yīng)變不能在瞬間完成相互的協(xié)調(diào)變化，導(dǎo)致法蘭密封失效［3］。

法蘭、墊片、螺栓在高溫操作條件下達(dá)到平衡后，因其發(fā)生蠕變－松弛，使墊片在一個較低的應(yīng)力水平達(dá)到密封。若此操作壓力不變，而溫度有較大幅度下降，因冷縮會使墊片所受的有效壓緊力更小，極易發(fā)生泄漏。因此，停工檢修時控制降溫速率也是必要的。

4 常用墊片的特性

墊片是在石油化工法蘭連接中最重要的密封元件，其密封特性直接影響法蘭連接的緊密性，同時對連接點的泄漏性也起著至關(guān)重要的作用。在對螺栓緊固力研究的同時，墊片本身的一些特性及其密封性對泄漏的影響也是需要重視和了解的。因預(yù)緊階段墊片是靠表面的塑性變形實現(xiàn)密封的，而操作階段是靠墊片的回彈力密封的，所以理想的墊片應(yīng)是其表面具有良好的塑性變形，內(nèi)部應(yīng)有優(yōu)良的壓縮回彈性，所有墊片的結(jié)構(gòu)設(shè)計都是圍繞這兩點進(jìn)行的。

4.1 石棉橡膠墊

石棉橡膠墊因具有質(zhì)輕，不易變形，方便運輸、存放，耐腐蝕等特點，可以任意剪成各種規(guī)格和形狀而廣泛使用，但其回彈性很差，因此只能用在低壓環(huán)境中，而且因其含有致癌物質(zhì)，在許多國家已被禁用。

4.2 纏繞墊

柔性石墨纏繞墊是用V形或W型斷面的金屬帶和填充帶相間螺旋狀纏繞而成。后來為了提高墊片的強(qiáng)度和可靠性，以及方便安裝對中，根據(jù)法蘭密封形式和操作條件不同，分別采用了帶外環(huán)、帶內(nèi)環(huán)、帶內(nèi)外環(huán)的墊片。

纏繞墊在安裝和使用過程中，最常見的破壞主要是散架和壓潰。由于纏繞墊的密封比壓要求較大，安裝和使用過程中，墊片受到很大的壓緊力，外層同心焊接的焊點在周向力的作用下容易發(fā)生拉脫，使整個墊片散架。在高溫和高壓情況下，墊片受到的壓緊力很大，墊片內(nèi)的填充物受壓產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力向內(nèi)徑方向作用于內(nèi)層鋼帶，使內(nèi)層鋼帶受到外壓作用。當(dāng)外壓超過一定值時，此鋼帶圍成的鋼帶圈向內(nèi)凹陷，使墊片發(fā)生局部損壞，導(dǎo)致密封失敗，稱為壓潰現(xiàn)象。纏繞式墊片的壓緊比壓越高，規(guī)格越大就越容易發(fā)生壓潰。

纏繞墊內(nèi)的填充物受壓產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力沿徑向向外產(chǎn)生散架的破壞作用，向內(nèi)產(chǎn)生壓潰的破壞作用，不利于墊片的壓緊，故帶內(nèi)外環(huán)的墊片的密封效果要比帶內(nèi)環(huán)和外環(huán)的好;又因內(nèi)壓有使墊片產(chǎn)生散架的破壞作用，故帶外環(huán)的比帶內(nèi)環(huán)的密封效果好。

4.3 金屬環(huán)墊

與金屬環(huán)墊配用的法蘭密封面為環(huán)槽面，常用在高溫、高壓工況下。從理論上講，金屬墊片的密封是圓周線密封，因此，要求金屬環(huán)，法蘭梯形槽表面不得有傷痕，表面應(yīng)光滑潔凈。

金屬環(huán)墊雖然第一次密封效果好，但因墊片與法蘭之間僅為線接觸，且這種墊片的密封壓緊力又很大，墊片和法蘭梯形槽接觸點之間的力很大(一般要大于12 MPa)，特別是高溫條件下，會使梯形槽表面發(fā)生變形、裂紋等不同程度的損傷，一旦密封失效，很難再實現(xiàn)密封。即使更換新的墊片，也解決不了泄漏問題，必須對梯形槽進(jìn)行補(bǔ)焊和研磨，否則只能將法蘭與墊片一起更換，尤其在應(yīng)力腐蝕介質(zhì)存在的情況下，裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展更為明顯或嚴(yán)重。這是金屬環(huán)墊片使用過程中最常見的問題之一，再加上金屬環(huán)墊的安裝拆卸困難等因素，發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)70年代已開始用高壓纏繞墊代替金屬環(huán)墊，目前已基本不用金屬環(huán)墊。我國因制造技術(shù)與工藝還不成熟，加上其他諸多因素，仍沿用金屬環(huán)墊［1］。

5 石油化工管道設(shè)計時應(yīng)注意的問題

5.1 考慮法蘭等級對法蘭密封的影響

確定法蘭等級除應(yīng)考慮滿足強(qiáng)度條件外，還要考慮在設(shè)計溫度下的剛度要求，否則法蘭在力和力矩的作用下變形過大，易發(fā)生泄漏，此時應(yīng)提高法蘭的等級。

例如制氫裝置分餾塔底線，操作溫度為375℃，操作壓力為0.3 MPa，而公稱壓力2.0 MPa、材質(zhì)為16Mn的GB法蘭在400℃時所能承受的最大無沖擊壓力為0.65 MPa，僅從強(qiáng)度方面考慮，公稱壓力為2.0 MPa的法蘭就足夠了。但因公稱壓力為2.0 MPa的法蘭在溫度大于200℃時剛度太小，易變形發(fā)生泄漏，且也有分餾塔底法蘭發(fā)生泄漏的實例，故最后把該管線的壓力等級提高到公稱壓力5.0 MPa。

5.2 盡力減小對法蘭的作用力和力矩

使法蘭有分開趨勢的力必然減小墊片和法蘭間的殘余壓緊力，當(dāng)這個力過大，使墊片的殘余壓緊力小于墊片的有效壓緊力時，必然會發(fā)生泄漏。力矩使墊片的受力不均，有的部位的有效壓緊力比無力矩時大，而另一部位的有效壓緊力會比無力矩作用時小，當(dāng)最小部分的殘余壓緊力小于墊片的有效壓緊力時，泄漏便在此處發(fā)生。

假設(shè)設(shè)備嘴子有足夠的強(qiáng)度，經(jīng)計算一次應(yīng)力和二次應(yīng)力都通過。但這樣的連接也不一定可靠，這是因為如果管道設(shè)計不當(dāng)，嘴子連接處法蘭所受力矩會很大，即造成墊片受力不均，導(dǎo)致密封失效。事實上，應(yīng)力對法蘭螺栓墊片的作用是均勻的，而力矩導(dǎo)致法蘭墊片的受力不均，因此力矩對法蘭密封的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于應(yīng)力，所以對于高溫高壓管道進(jìn)行應(yīng)力計算的同時，一定要校核法蘭泄漏情況。只有力和力矩均符合規(guī)范的管道才可靠。

5.3 冷緊在一定情況下也能減小泄漏

冷緊減小泄漏實際上就是減小熱態(tài)時法蘭所受的力或力矩來實現(xiàn)的。

現(xiàn)舉一例說明:兩臺并列布置的換熱器，操作溫度350℃，且由于空間的限制，管道不能進(jìn)行柔性設(shè)計，兩法蘭間管道只能采用直連的連接方式(如圖2)，這種連接在實際熱工況下法蘭會受很大彎矩，這時冷緊水平管線ab(一般根據(jù)ab管道熱漲量的0.5倍進(jìn)行冷緊)，在管線受熱膨脹時，冷緊量抵消部分管線熱漲量，減小因熱漲引起的法蘭力矩，對防止泄漏起到一定作用。

圖2 并列布置的換熱器直連管道冷緊

5.4 消防環(huán)可以有效控制高壓法蘭的升溫

某加氫裂化裝置的反應(yīng)器管道因降溫太快，導(dǎo)致法蘭泄漏，發(fā)生反應(yīng)框架被燒事件，因此，對于高壓厚壁法蘭控制溫升非常重要。采用消防環(huán)在開工升溫階段對法蘭進(jìn)行噴射蒸汽保護(hù)，可以防止法蘭內(nèi)外溫差過大，控制法蘭升溫，有效防止瞬態(tài)溫度場引起法蘭泄漏。

管道設(shè)計不當(dāng)留下泄漏隱患的實例很多，受篇幅限制，這里不再列舉?？傊?，要盡可能地減小法蘭所受力和力矩。

6 結(jié)束語

綜上所述，在壓力管道法蘭連接時，其連接點的泄漏性不僅與螺栓的預(yù)緊力，墊片的材料及結(jié)構(gòu)尺寸、密封面狀態(tài)有關(guān)，同時也與介質(zhì)的性質(zhì)、壓力、溫度等操作因素密切相關(guān)，它們之間互相制約和影響，不能僅僅考慮某一方面因素。在實際工程應(yīng)用中，造成泄漏的因素更加復(fù)雜，因此，管道設(shè)計專業(yè)在對法蘭及其緊固件進(jìn)行理論的計算和特性分析后，同時將這些泄漏因素考慮在內(nèi)，有目的地對螺栓、墊片進(jìn)行設(shè)計和選擇，通過優(yōu)化設(shè)計方案使泄漏的可能性降至最低，將會有效地避免在工程應(yīng)用中法蘭的泄漏問題。

［1］ 張德姜．石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計手冊［M］．北京:中國石化出版社，2004．

［2］ 龔志鈺，李章政．材料力學(xué)［M］．北京:科學(xué)出版社．1999．

［3］ 唐永進(jìn)．壓力管道應(yīng)力分析［M］．北京:中國石化出版社，2003．

Tentative Analysis on Seal and Emission of Flange in Pressure Conduit

Jiao Lei
(SINOPEC Luoyang Petrochemical Engineering Company，471003)

The sealing principle and emission causes of flange were analyzed;the corresponding changes of flanges，gaskets and bolts on changes of pressure and temperature were discussed;and the general rules of seal and emission were expounded qualitatively．The transient temperature distribution of flange and transient changes of gasket stress，bolts stress and spring － back amount of gaskets at change of temperature were analyzed emphatically．The types and characteristics of gaskets，the core elements for flange seal were simply introduced，and problems deserving attention in design of pipes to prevent leakage were introduced with examples．

flange，gasket，sea，emission，pipe design

1674－1099 (2012)04－0026－05

TB42

A

2012-05-11。

焦磊，男，1978年出生，2001年畢業(yè)于天津輕工業(yè)學(xué)院化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，工程師，長期從事管道設(shè)計工作，重點為高壓加制氫工藝裝置的管道設(shè)計。