法蘭螺栓墊片系統(tǒng)高溫密封性能研究

趙子艷

摘要：近年來(lái)，社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，大力推動(dòng)了我國(guó)的石油開(kāi)采行業(yè)、化工建設(shè)行業(yè)以及能源開(kāi)發(fā)等行業(yè)的發(fā)展。法蘭螺栓墊片系統(tǒng)在這些行業(yè)中被廣泛使用，隨著這些化工行業(yè)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)于法蘭螺栓墊片系統(tǒng)的耐高溫程度以及密封性能的要求都更為苛刻。文章對(duì)法蘭、螺栓以及墊片在高溫下的密封性能進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：法蘭螺栓；墊片系統(tǒng)；法蘭連接系統(tǒng)；高溫環(huán)境；密封性能 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH136 文章編號(hào)：1009-2374（2016）20-0066-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.032

如今，隨著我國(guó)的高端機(jī)械制造行業(yè)飛速發(fā)展，我國(guó)要想保持這種高端機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展速度，就要保證我們所生產(chǎn)出的高端機(jī)械的質(zhì)量不存在任何問(wèn)題。而作為我國(guó)高端機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)的法蘭螺栓墊片，其作用可謂是“四兩撥千斤”，這一個(gè)小小的零件就能夠決定一臺(tái)機(jī)器的好與壞。本文將簡(jiǎn)單介紹法蘭螺栓墊片連接系統(tǒng)的歷史與現(xiàn)狀，了解在高溫情況下墊片的類型對(duì)于法蘭螺栓連接系統(tǒng)的密封性能的影響，深入分析法蘭螺栓墊片系統(tǒng)的泄露形式以及影響法蘭螺栓墊片系統(tǒng)泄露的主要因素。

1 法蘭螺栓墊片連接系統(tǒng)的歷史與現(xiàn)狀

近幾年來(lái)，我國(guó)一直在堅(jiān)持對(duì)于法蘭螺栓墊片連接系統(tǒng)的研究，并且也取得了不少的科技成果。各大高等學(xué)校和國(guó)家研究院也積極響應(yīng)國(guó)家的號(hào)召，專門成立了針對(duì)法蘭螺栓墊片連接系統(tǒng)的研究工作的有關(guān)部門，但是研究成果始終不盡如人意，因此我國(guó)科研教育工作者不僅僅要加強(qiáng)在理論知識(shí)上的積累，還要在科學(xué)實(shí)踐的道路上堅(jiān)定不移地走下去，實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。近十年以來(lái)，中國(guó)在法蘭螺栓的發(fā)展上令世人矚目，同時(shí)也令不少發(fā)達(dá)國(guó)家感到吃驚，但是在大家都驚訝的同時(shí)，也讓他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)以法蘭螺栓的連接系統(tǒng)的密封為基礎(chǔ)的新興市場(chǎng)。當(dāng)今中國(guó)的法蘭螺栓市場(chǎng)已經(jīng)不拘泥于大量生產(chǎn)普通的標(biāo)準(zhǔn)螺栓，我國(guó)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)不能真正地為企業(yè)帶來(lái)核心的競(jìng)爭(zhēng)力，反而會(huì)受制于原材料、人力成本等條件的變化，因此我國(guó)現(xiàn)階段將市場(chǎng)打入研究法蘭螺栓的連接系統(tǒng)的密封性能上，而且在生產(chǎn)技術(shù)水平上也已經(jīng)基本接近世界先進(jìn)水平。傳統(tǒng)的對(duì)于法蘭螺栓墊片連接系統(tǒng)的研究工作還很不完善。首先，我們要明確，法蘭到底是什么？法蘭是法蘭螺栓墊片連接系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，主要是用于管端之間連接的零件，法蘭既可以用于管子與管子之間的連接，也可以用于設(shè)備與設(shè)備之間的連接。法蘭都是成對(duì)使用的，不同的情況使用不同的法蘭，如低壓管道可以使用絲接法蘭、4公斤以上壓力的使用焊接法蘭。不同壓力的法蘭厚度也不盡相同，因此它們使用的螺栓也不同。法蘭螺栓墊片連接系統(tǒng)的主要特點(diǎn)就是在拆卸方面簡(jiǎn)單、使用強(qiáng)度高、密封性能好。在安裝法蘭的時(shí)候要求兩個(gè)法蘭保持平行，法蘭的密封面不能碰傷，并且要清理干凈，還要根據(jù)設(shè)計(jì)者的規(guī)定和要求選用合適的法蘭墊片。法蘭螺栓墊片連接系統(tǒng)使用起來(lái)非常方便，而且能夠承受的壓力也非常大。目前，在我國(guó)很多工藝設(shè)備上都會(huì)采用法蘭螺栓墊片的連接系統(tǒng)。雖然法蘭螺栓墊片的連接系統(tǒng)是我們工業(yè)上最常用的拆卸、連接裝置，但是，以我國(guó)目前的科技水平，還不足以解決法蘭螺栓墊片連接系統(tǒng)的高強(qiáng)度和緊密性不足的問(wèn)題，不管是國(guó)外的工程師還是國(guó)內(nèi)的工程師，都不能確保整個(gè)法蘭螺栓墊片連接系統(tǒng)的高強(qiáng)度和緊密性。因此，對(duì)于如何提高法蘭螺栓墊片連接系統(tǒng)的高強(qiáng)度和緊密性還有待研究。

2 法蘭螺栓墊片系統(tǒng)的泄露形式

2.1 法蘭螺栓墊片的滲透泄露

我們常見(jiàn)的法蘭螺栓墊片都是由石棉、聚四氟乙烯、非石棉、石墨等材料制成的，這些材料的密封程度較弱，組織松散、致密性差、纖維之間的縫隙非常大，容易滲透的地方非常多，尤其是在高溫的情況下，介質(zhì)會(huì)穿透纖維之間的縫隙滲透出去，造成滲透泄露。

2.2 法蘭螺栓墊片的界面泄露

如果法蘭螺栓密封墊片的壓緊力不足，兩個(gè)法蘭安裝時(shí)沒(méi)有保持平行，法蘭的密封面粗糙度較大，法蘭表面清理得不夠徹底，當(dāng)管道由于溫度升高或者壓力而變形的時(shí)候，就會(huì)造成法蘭界面連接出現(xiàn)松動(dòng)，造成法蘭螺栓墊片的界面泄露。另外，法蘭螺栓的變形，法蘭螺栓的密封墊片長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致壓迫變形的等問(wèn)題都會(huì)造成法蘭螺栓墊片的界面泄露，并且法蘭螺栓墊片的界面泄露是導(dǎo)致泄露的主要途徑。

3 影響法蘭螺栓墊片系統(tǒng)泄露的主要因素

3.1 螺栓預(yù)緊力的影響

經(jīng)過(guò)一系列的調(diào)查研究我們發(fā)現(xiàn)，增加法蘭螺栓的螺栓預(yù)緊力，可以增大對(duì)法蘭螺栓的連接系統(tǒng)的密封情況。但是如果法蘭螺栓的螺栓預(yù)緊力過(guò)大，就會(huì)造成法蘭螺栓墊片的彈性變差，甚至?xí)耆椓Γ@樣就會(huì)造成法蘭螺栓墊片起不到它本來(lái)的作用，不能維持它在工作狀態(tài)下所需要的彈性。因此，當(dāng)法蘭螺栓的連接系統(tǒng)的密封所需要的螺栓預(yù)緊力大小確定下來(lái)之后，就可以采取一些有利于法蘭螺栓的連接系統(tǒng)的密封的方式，如增加法蘭螺栓的數(shù)目等。

3.2 操作條件的影響

操作條件就是指影響法蘭螺栓墊片連接系統(tǒng)的密封的外界條件，如壓力、溫度、介質(zhì)的物化性質(zhì)等。單單憑借壓力和介質(zhì)的物化性質(zhì)還不足以對(duì)法蘭螺栓墊片的連接系統(tǒng)的密封程度產(chǎn)生太大的影響，造成法蘭螺栓的連接系統(tǒng)的密封泄露的最主要的因素還是溫度的升高或降低，在高溫條件下，一方面，法蘭螺栓墊片的滲透能力會(huì)增強(qiáng)，從而造成法蘭螺栓的連接系統(tǒng)的密封泄露嚴(yán)重；另一方面，會(huì)加劇對(duì)于法蘭螺栓墊片的腐蝕度和溶解度，從而導(dǎo)致法蘭螺栓的連接系統(tǒng)的密封泄露程度加重。而對(duì)于法蘭螺栓的非金屬墊片則會(huì)造成墊片的老化和變質(zhì)，甚至于燒毀，也會(huì)對(duì)法蘭螺栓連接系統(tǒng)的密封性能產(chǎn)生影響。

3.3 法蘭螺栓墊片性能的影響

法蘭螺栓墊片適當(dāng)?shù)淖冃魏突貜検切纬煞ㄌm螺栓連接系統(tǒng)的密封的一個(gè)重要現(xiàn)象。法蘭螺栓墊片的變形主要包括彈性變形和塑性變形。如果我們選擇制作法蘭螺栓墊片的材料擁有很好的彈性和塑性，那么就能在很大程度上提高法蘭螺栓的連接系統(tǒng)的密封性能。

4 在高溫情況下墊片的類型對(duì)于法蘭螺栓連接系統(tǒng)的密封性能的影響

4.1 法蘭螺栓的金屬墊片

法蘭螺栓的金屬墊片是由高精密度、高硬度的片狀材料精制而成，通常用于較精密的模具以及較精密的五金調(diào)整和測(cè)量上，一般是用于原裝進(jìn)口的不銹鋼和高碳鋼以及黃銅這三種材料經(jīng)熱處理精磨加工而成的，具有精密度高、光潔度好、拉力度強(qiáng)、韌性高、不易彎折等特點(diǎn)。其中高碳鋼的材質(zhì)具有一定的彈性，而不銹鋼的材料則是韌性非常好，不容易被折斷。經(jīng)過(guò)專家們的研究調(diào)查可知，如果法蘭螺栓的金屬墊片在法蘭預(yù)緊升壓之后再升高溫度的話，法蘭螺栓的金屬墊片的應(yīng)力是逐漸增大的，由于金屬墊片之間的應(yīng)力增大了，就會(huì)增強(qiáng)兩片墊片之間的契合度，因此在升溫過(guò)程中，法蘭螺栓的金屬墊片不需要熱緊就可以了。

4.2 法蘭螺栓的半金屬墊片

法蘭螺栓的半金屬墊片主要包括金屬包覆墊片、金屬纏繞墊片、金屬波紋復(fù)合墊片、金屬齒形復(fù)合墊片，其中最常見(jiàn)的就是金屬纏繞墊片。金屬纏繞墊片是目前為止應(yīng)用最為廣泛的一種密封墊片，為法蘭螺栓的半金屬墊片中回彈性最佳的墊片，具有耐高溫、耐高壓和適應(yīng)超低溫等特點(diǎn)，通過(guò)改變墊片的材料組合，可解決各種介質(zhì)對(duì)墊片的化學(xué)腐蝕問(wèn)題，法蘭螺栓的半金屬墊片的結(jié)構(gòu)密度也可以依據(jù)不同的預(yù)緊力的要求來(lái)制作，為了加強(qiáng)主體和準(zhǔn)確的定位，法蘭螺栓的半金屬墊片設(shè)有金屬內(nèi)加強(qiáng)環(huán)和外定位環(huán)，利用內(nèi)外鋼環(huán)來(lái)控制其最大壓緊度，對(duì)墊片接觸的法蘭密封面的表面精度要求并不高。通過(guò)專家的調(diào)查研究表明，對(duì)于法蘭螺栓的半金屬墊片來(lái)說(shuō)，在升壓后法蘭螺栓的半金屬墊片的應(yīng)力均下降，應(yīng)力下降就會(huì)造成墊片之間的契合度下降，從而導(dǎo)致墊片的密封性能差。而升溫后的法蘭螺栓的半金屬墊片的應(yīng)力的變化隨著法蘭螺栓的半金屬墊片的壓縮回彈性能以及熱膨脹系數(shù)的變化而變化，應(yīng)力越大，墊片的密封性能就越好，至于怎么變化，變大還是變小，還需要具體情況具體分析。

4.3 法蘭螺栓的非金屬墊片

在法蘭螺栓的非金屬墊片中，最常見(jiàn)的就是非石棉纖維墊片，非石棉纖維墊片是國(guó)際使用的新型產(chǎn)品，非石棉纖維墊片以其廉價(jià)、耐高溫、強(qiáng)度高、耐高壓、耐腐蝕等特點(diǎn)在工況中被廣泛使用，曾經(jīng)我國(guó)長(zhǎng)期使用石棉材料，自從加入了WTO以來(lái)，國(guó)內(nèi)各個(gè)行業(yè)都面臨著國(guó)外的挑戰(zhàn)，漸漸地，我國(guó)無(wú)石棉化的改革開(kāi)始啟動(dòng)，通過(guò)我國(guó)科研人員經(jīng)過(guò)多年的研究與開(kāi)發(fā)，終于取得了巨大的成功。經(jīng)過(guò)我國(guó)專家學(xué)者的實(shí)際調(diào)查可知，法蘭螺栓的非金屬墊片在升溫后墊片的應(yīng)力增大，非金屬墊片之間的應(yīng)力增大了，兩片墊片之間的契合度就會(huì)增強(qiáng)，密封性能有所提高，不需要熱緊就可以。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上分析可知，隨著社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，一枚小小的法蘭螺栓也足以影響到未來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，因此我們需要深刻認(rèn)識(shí)法蘭螺栓墊片連接系統(tǒng)的歷史與現(xiàn)狀，了解在高溫情況下墊片的類型對(duì)于法蘭螺栓連接系統(tǒng)的密封性能的影響，并且堅(jiān)持不懈地研究高溫對(duì)于法蘭螺栓墊片系統(tǒng)的泄露形式的影響以及影響法蘭螺栓墊片系統(tǒng)泄露的主要因素。

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