高壓法蘭密封性能分析

湯勤(恒力石化(大連)煉化有限公司，遼寧 大連 116318)

0 引言

法蘭的密封性能對(duì)于管道的安全性起到了至關(guān)重要的作用，尤其是石油化工企業(yè)，需要嚴(yán)格按照相關(guān)要求進(jìn)行法蘭密封，這樣可以有效地提高管道的密封程度，防止管道出現(xiàn)泄漏，保障生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行安全，避免由于管道連接處泄漏而引發(fā)生產(chǎn)事故，對(duì)操作人員的人身安全構(gòu)成威脅。

1 法蘭的種類

法蘭主要用于管道之間的連接，保障管道中的流體能夠順利流通。按照石油化工行業(yè)的分類標(biāo)準(zhǔn)(SH)，法蘭主要可以分為普通法蘭以及特種法蘭，法蘭的連接過(guò)程一般先用螺栓固定，再采用焊接的方式進(jìn)行連接，使法蘭能夠和管道緊密相連，保障法蘭連接后具有良好的密封性能。隨著法蘭生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，管道連接過(guò)程中越來(lái)越重視接口的密封性能，產(chǎn)生了許多新型的法蘭，如T型槽法蘭、grayloc法蘭、ZY-LOC高壓自緊式法蘭等，這些新型的法蘭可以有效地應(yīng)對(duì)一些特殊環(huán)境，如高溫、高壓等，并且對(duì)管道連接處具有極好的密封效果，使工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程更加的安全。對(duì)于這些新型的法蘭，密封面的受力情況較為均勻，可以有效地降低管道壓力的影響，使高壓法蘭的密封性能更加穩(wěn)定，提高管道系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的安全性。

2 受力分析

2.1 T型槽法蘭

T型槽法蘭主要用于高壓環(huán)境，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，在螺栓預(yù)緊力的作用下，八角墊將會(huì)發(fā)生變形，將密封面上凸凹不平的縫隙填充完整，從而有效地避免管道發(fā)生泄漏。T型槽法蘭的受力主要來(lái)自兩個(gè)方面，如圖1所示。一方面，螺栓力Q。法蘭在連接過(guò)程中需要通過(guò)螺栓進(jìn)行固定，這就產(chǎn)生了螺栓力Q，可以有效地避免八角墊與密封面之間出現(xiàn)空隙，使密封結(jié)構(gòu)更加的密實(shí)。另一方面，管道內(nèi)壓力P。當(dāng)管道中有流體通過(guò)時(shí)，管道內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生壓強(qiáng)，從管道內(nèi)部對(duì)法蘭產(chǎn)生壓力P。內(nèi)部壓力越大，八角墊與密封面之間的接觸越密實(shí)。在兩種受力的影響下，八角墊的受力并不是均勻分布，這主要是受到力臂以及力矩的影響，導(dǎo)致八角墊不同位置的受力情況不同，在一定程度上會(huì)對(duì)法蘭的密封性能造成影響，一旦管道內(nèi)的壓力過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致管道出現(xiàn)泄漏，因此，在使用T型槽法蘭時(shí)，需要嚴(yán)格控制管道內(nèi)的壓強(qiáng)[2]。

圖1 T型槽法蘭受力示意圖

隨著管道壓力的增大，八角墊的受力會(huì)不斷發(fā)生變化，一旦受力超出了八角墊的彈性范圍，將會(huì)導(dǎo)致法蘭的密封性能降低。因此，在使用T型槽法蘭的過(guò)程中，要定期對(duì)法蘭進(jìn)行維護(hù)，檢查八角墊以及密封面的磨損情況，保證T型槽法蘭具有良好的密封效果，法蘭能夠被安全地使用。

2.2 grayloc法蘭

grayloc法蘭主要應(yīng)用于高壓、高溫的管道環(huán)境，與T型槽法蘭相比，具有尺寸小、重量輕等特點(diǎn)。grayloc法蘭主要由金屬墊圈、卡子、襯套、螺栓等部分構(gòu)成，如圖2所示。與T型槽法蘭密封相比，卡子作為主要受力構(gòu)件，當(dāng)管道內(nèi)部壓力增大后，法蘭不會(huì)因?yàn)槔Φ脑龃蠖鴱堥_(kāi)，而是對(duì)金屬墊圈造成擠壓，使墊圈受到的壓力向四周逐漸擴(kuò)張。在卡子以及螺栓力的作用下，法蘭之間空隙不會(huì)產(chǎn)生較大的變換，這使得金屬墊圈與密封面之間能夠充分地接觸，隨著管道內(nèi)部壓力的增大，法蘭的密封性能也會(huì)逐漸增加。

圖2 grayloc法蘭結(jié)構(gòu)示意圖

下面將對(duì)grayloc法蘭密封面的受力情況進(jìn)行分析，如圖3所示。金屬墊圈在預(yù)應(yīng)力P的作用下，將會(huì)被緊密地與法蘭面貼合，并且被固定在法蘭凹陷內(nèi)側(cè)，這樣在很大程度上限制金屬墊圈的形變范圍。金屬墊圈受在預(yù)應(yīng)力P的影響下，將會(huì)由中心沿外側(cè)產(chǎn)生張力，在彈性形變的作用下，被完全填充在法蘭凹陷內(nèi)側(cè)，與法蘭面緊密地接觸，而且隨著預(yù)應(yīng)力P的逐漸增大，金屬墊圈與法蘭面之間的接觸將會(huì)更加的密實(shí)，兩者之間的空隙也就越小，法蘭的密封效果也就越好。因此，grayloc法蘭在密封性能方面具有極大的優(yōu)越性，通過(guò)金屬墊圈、卡子、襯套等構(gòu)件，可以保障法蘭能夠形成穩(wěn)定的剛性結(jié)構(gòu)，既增加了法蘭的抗拉性，又保障了法蘭的密封性。由于grayloc法蘭尺寸小、重量輕，所以在抗沖擊方面的性能要弱一些，在一些沖擊力較大的環(huán)境將不再適用。

圖3 grayloc法蘭金屬墊受力示意圖

2.3 ZY-LOC高壓自緊式法蘭

ZY-LOC高壓自緊式法蘭主要由卡套、套節(jié)(HUB)、密封環(huán)、螺栓等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在使用過(guò)程中，隨著管道壓力的增大，法蘭的密封性能會(huì)逐漸增強(qiáng)。ZY-LOC采用T型結(jié)構(gòu)，具有良好的彈性密封效果，使套節(jié)、套卡之間能夠形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)，共同承擔(dān)受力。與grayloc法蘭密封相比，卡套是ZY-LOC的主要受力構(gòu)件，如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)可以使密封環(huán)在360°方向均勻受力，這樣可以在很大程度上提高密封環(huán)與密封面之間的密實(shí)程度，使兩者之間能夠充分地接觸。

圖4 ZY-LOC高壓自緊式法蘭受力示意圖

ZY-LOC高壓自緊式法蘭的主要受力過(guò)程如下：第一，在預(yù)應(yīng)力P的作用下，T型密封環(huán)的“唇”與HUB越壓越緊，密封環(huán)所受的壓力將會(huì)逐漸增大，因而具備良好的高壓自緊效果。第二，密封環(huán)在卡套的作用下，可以在360°方向上均勻受力，使得ZY-LOC的受力上限更加的精準(zhǔn)，抗外力擾動(dòng)能力更強(qiáng)。第三，密封環(huán)的彈性形變范圍可以通過(guò)密封唇錐角進(jìn)行控制，其密封效率可以通過(guò)η=Δy/p來(lái)計(jì)算。當(dāng)錐角范圍在95%左右時(shí)，可以起到良好的密封效果。第四，密封環(huán)與HUB之間受到夾持力的作用，在HUB的作用下，套節(jié)錐面的受力非常的均勻，可以保證密封環(huán)與密封面緊密接觸。第五，管道產(chǎn)生的扭曲載荷對(duì)密封面的影響較小，ZY-LOC各部分不會(huì)發(fā)生太大的損傷，并且密封環(huán)與密封面之間的接觸將會(huì)越來(lái)越密實(shí)。

ZY-LOC具有運(yùn)行穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，這是由法蘭的結(jié)構(gòu)所決定的。以溫度對(duì)ZY-LOC的影響為例，一方面，ZYLOC具有自緊的特點(diǎn)，可以有效地避免外力的影響，而且外力越大，法蘭的密封效果越好。另一方面，ZY-LOC在高溫的作用下，熱量通過(guò)管道先傳遞給卡套，再傳遞給螺栓，溫度呈現(xiàn)階梯遞減。因而具有良好的散熱效果，可以有效地降低熱脹冷縮的影響。例如：當(dāng)管道內(nèi)流體溫度為350 ℃時(shí)，在經(jīng)過(guò)階梯遞減后，螺栓的溫度僅為150 ℃，由此可見(jiàn)，溫度對(duì)ZY-LOC的影響較小，ZY-LOC具有良好的耐高溫能力。需要注意的是：ZY-LOC在焊接過(guò)程中，HUB需要事先進(jìn)行預(yù)熱，這樣才能保障HUB具有良好的焊接效果，否則，在焊接后HUB的錐孔將會(huì)失圓，使得焊接誤差過(guò)大，管道與錐孔不能良好的接觸，進(jìn)而對(duì)ZY-LOC的密封性能造成影響。

3 密封失效分析

3.1 密封元件

密封元件的質(zhì)量將會(huì)對(duì)法蘭的密封性能造成影響，如墊片破損、密封面損壞等，都會(huì)導(dǎo)致法蘭密封失效。為了防止管道出現(xiàn)泄漏，消除泄漏的方法主要如下：第一，加大螺栓的預(yù)緊力，使密封墊能夠和密封面充分接觸，避免兩者之間產(chǎn)生空隙。第二，對(duì)損壞部位進(jìn)行修復(fù)，防止局部出現(xiàn)泄漏風(fēng)險(xiǎn)。第三，更換密封元件。密封元件受損程度過(guò)大，則需要對(duì)密封元件進(jìn)行更換，從而避免管道出現(xiàn)泄漏。

3.2 消減振動(dòng)

為了有效地避免管道發(fā)生振動(dòng)，首先，需要做好管道的加固工作，在管道轉(zhuǎn)角以及跨度較大的地方通過(guò)管卡進(jìn)行固定，可以減少管道的振動(dòng)頻率，降低對(duì)法蘭的影響。另外，需要在管卡下方增加墊木，對(duì)管道和管卡之間的空隙進(jìn)行填充，從而有效地消減振動(dòng)。

3.3 裝配

裝配過(guò)程不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致法蘭密封失效。在裝配前，一方面，需要對(duì)法蘭的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，如果密封元件存在裂痕或者存在磨損，則需要立即對(duì)法蘭進(jìn)行更換。另一方面，需要對(duì)管道進(jìn)行檢查，避免管端的絲扣、螺栓等無(wú)法與法蘭緊密連接。在固定法蘭時(shí)，螺栓的伸長(zhǎng)量需要控制在3/10 000以內(nèi)，確保密封面之間保持平行，誤差不得超過(guò)0.3 mm，并且密封面之間的軸線需要重合，避免密封面受力不均勻。在裝配后，需要做好法蘭的養(yǎng)護(hù)工作，如防潮、防銹處理等。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了保障法蘭安裝后具有良好的密封性能，施工人員在安裝過(guò)程中需要嚴(yán)格按照相關(guān)要求進(jìn)行管道連接，這樣可以有效地保障法蘭的密封性能，提高管道系統(tǒng)的安全性以及穩(wěn)定性，保障工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程能夠順利進(jìn)行，從而為企業(yè)的發(fā)展提供重要保障。