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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。 美国PVRC(ASME研究机构)新规则将泄漏率进行了分级。见表1。 表1 PVRC对法兰密封泄漏率的等级划分 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最关键的环节，法兰和螺栓都是围绕保证垫片在最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”，标准中的几张表格给使用者造成极大误解，见表2。 表2 GB3985-1995石棉橡胶板 由于标准中列入了这种条款，长期以来我们误认为石棉橡胶板可以用至450℃，6MPa(XB450)，无论蒸汽系统、氢气系统、油品系统都可以普遍使用。实际上，国外对石棉橡胶板的使用有严格的限制，如美国杜邦公司规定易燃介质不得使用石棉橡胶板，因为一旦发生火灾，采用石棉橡胶板的法兰接头很难保证不产生二次泄漏。日本 “石油工业用石棉橡胶板”标准规定易燃有毒气体使用石棉橡胶板的条件为0~260℃，≤1.0MPa，水、空气、水蒸汽为-50~260℃，≤3.0MPa。而且，国外标准对石棉橡胶板的性能指标要求比国内同类产品要高。 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。 3.2 法兰 ⑴压力等级 一般压力等级越高，密封性能越好。但法兰的选用涉及管道元件，如阀门、管件、机械设备等的配套问题，因而其压力等级不可随意提高。 ⑵法兰型式 法兰型式有许多种，如对焊、平焊、活套法兰。其密封面型式有凸面、凹凸面、榫槽、梯型槽等。法兰型式、密封面型式和密封面光洁度对密封性能影响较大。 过去，进行强度计算时，都知道同样厚度的带颈对焊法兰强度比板式平焊法兰好，且可作定量计算，但各种法兰对密封有何影响，却没有定量概念，在GB150中也没有法兰刚度的计算公式。 美国ASME规范1995年起纳入了对法兰刚度进行校核的概念，提出了法兰刚度计算方法： WN带颈对焊法兰、整体法兰 PL平板法兰 当J≤1.0时，可以认为法兰有较好的刚度。 取J=1.0可得到许用弯矩[M]的计算式。 表3为有关资料介绍的两种型式的标准法兰，使用石棉橡胶板和缠绕垫时的操作弯矩或予 表3 两种型式的标准法兰使用情况对比 紧弯矩M和保证法兰刚度的许用弯矩[M]的比较。 从表3可以看出： a.许用弯矩[M]与法兰刚度呈线性比例关系, 法兰刚度越大, 法兰在予紧和使用时变形小，密封性能越好。 b.当施加弯矩M≤[M]时，说明法兰变形控制在安全范围内，垫片泄漏率能获得保证，反之，则法兰刚度不足，垫片泄漏可能失控。 c.带颈对焊法兰刚度比同规格平板法兰高3~10倍，易于保证密封性能。国外工程公司一般仅在公用工程中使用平焊法兰，如水、空气、低压蒸汽等场合。 ⑶密封面表面粗糙度 密封面表面粗糙度与垫片材质、密封比压、要求的泄漏率有关，不宜太高，也不宜太低。国外在选用、采购、验收时对密封面表面粗糙度都有规定并作为检查项目，我国尚未引起足够的重视，且存在一些错误做法，如在密封面上车两道1mm的三角形槽，不管用什么垫片，法兰面均车水线。表4为几种常见垫片的粗糙度要求。 表4 常见垫片的粗糙度要求 注：通常规律：金属垫HB ×Rz≈300~400 3.3 紧固件 紧固件在法兰连接中作用比较简单, 即施加紧固力, 一般密封等级高，要求的螺栓力较大。为了达到T3级密封，无论什么垫片，一般要求螺栓予紧力要达到200MPa左右，因此，以采用合金高强度螺栓为宜，采用低碳钢或中碳钢的概念与要求较高的密封等级是不相适应的。实际上，国家质量技术监督局的文件中已明确液化气球罐上法兰必须用高强度合金螺栓。 螺栓力的控制是保证法兰密封性的主要因素之一，尤其是螺栓力要均匀，否则，易使法兰面变形不均匀，或使密封面和垫片压溃，造成密封失效。国内通常采用套筒冲击扳手，螺栓润滑也不讲究，因此实际螺栓力与要求相差甚远，最大与最小可达4倍，往往不能保证良好的密封。如我公司加氢制氢车间的10台意大利进口换热器，原检修时采用手工扳手，由于螺栓力过高，且法兰受力不均匀，使法兰梯形槽压坏，出现裂纹，造成严重的安全隐患。1997年，我们采用液压力矩扳手后，由于控制了适当的予紧力和均匀的螺栓力，不仅保证了密封面完好，且保证了良好的密封性能。 法兰密封性能的影响因素还有管道系统布置、热膨胀、振动等现场条件，在实际选用时要综合考虑。 4 结论 ⑴垫片是影响法兰密封的主要因素，目前在易燃易爆介质或重要场合应主要选用半金属和金属垫片，如液化气、蒸汽、油品等以选用金属缠绕垫为好，高温、高压部位则应根据实际条件选用相应的金属。 ⑵重要部位法兰应采用整体法兰或高颈法兰，并注意法兰粗糙度和垫片的匹配，采用缠绕垫，法兰为凸面时，垫片应带内、外环。 ⑶为提高密封等级，螺栓强度等级应适当提高，关键设备、重要设备的法兰在安装时要控制好螺栓予紧力，同时要保证均匀的螺栓力。 ⑷外加载荷较大时，管道设计时要采取措施予以减小，或适当提高法兰等级。 |
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