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壑封技术
石油化工设备技术,2014,35(4)?52
Petro-chemical Equipment Technology
改善法兰接头密封性的对策
张铁钢
(中国石化工程建设有限公司,北京100101)
摘要:文章主要提出了法兰接头密封所面临的难题,并对如何解决该难题从法兰密封计算方法(法兰
刚度校核、PVRC法兰密封性计算、法兰当量设计压力计算等)、最大和最小螺栓预紧力、螺栓及墊片选材和
选型、碟簧应用、法兰密封面特性及垫片的选配和法兰装配(上紧工具、上紧程序及注意事项)等多方面给出
了建议。
关键词:法兰接头密封刚度紧密度
一直以来,螺栓紧固件连接的法兰密封系统
垫片比压力y是指在螺栓预紧力的作用下,
在石化工业中广泛应用,法兰泄漏失效不仅威胁使垫片表面嵌人法兰密封面的凹四不平处,消除
石化装置的长期安全稳定运行,而且直接影响操泄露通道,为此垫片单位有效密封面积上所需要
作人员的人身安全,并带来严重的环境污染。随的最小压紧力。垫片比压力y与预紧强制密封
着石化装置的大型化和化工工艺的多样化的发条件相关。垫片系数m是指法兰在操作状态下
展,在当前安全标准和环保标准不断提高的形势由于内压作用使垫片与密封面间夹紧力减小,出
下,石化装置中越来越多的法兰密封问题日益受现微缝隙,为保证密封,必须使垫片与密封面间保
到设计单位、石化企业和制造单位的广泛重视。持足够大的流体阻力。垫片系数m为垫片单位
目前绝大多数法兰连接采用法兰中间夹持垫面积比压的剩余值(即垫片单位面积上的残余压
片,并用螺栓将法兰紧固在一起,进而压紧垫片保紧力)与内压的比值2。垫片系数m与操作强制
持密封的浮动型强制密封法兰接头结构。法兰提密封条件相关。目前GB150和ASME规范给定
供了连接和分解容器或管道两个组成部分的平的m和y值仅仅是推荐值和经验值,未经实验证
台,提供了密封垫片的安装位置,而螺栓作为一弹实,因而并不是强制性的
性体将法兰紧固在一起从而产生并保持在垫片上
GB150.3和ASME1标准规定的 Waters
的压紧力。施加在螺栓上的载荷必须满足墊片发法兰设计方法步骤:
挥密封作用所需的压缩应力。该系统中法兰、螺
1)根据法兰和垫片类型査GB150.3表7-2
栓、垫片和设备的使用工况均应考虑周全,否则会或ASME-1强制性附录2表2-5.1得到推荐
影响到整个法兰密封系统的使用状态。
的垫片系数:比压力y和垫片系数m;
改进法兰密封设计计算方法
2)根据m和y确定法兰预紧状态和操作状
1.1 Waters法十法兰刚度校核
态下需要的最小垫片压紧力,并根据垫片压紧力
Waters法兰设计法自1937被纳入ASME来确定螺栓设计载荷和螺栓面积;
规范以来,被中国GB150、英国BS、法国
3)对法兰作蝉性应力分析,以确认按这些螺
CODAP、日本JIS等国家的压力容器标准所采栓载荷得到的法兰5项应力能否满足以法材料
用,成为国际上应用最广泛、最有代表性的压力容的许用应力为基础的应力校核条件的要求;
器法兰设计方法。
でへたへへ
Waters法兰设计方法的核心是两个垫片系
收稿日期:2014-05-2。
数”:垫片比压力y(又可称为最小垫片压紧应
作者简介;张铁钢,男,2000年毕业于石油大学(北京)化工
过程机械专业,工学硕士。从事压力容器设计和科研作,
力)和整片系数m。法兰计算所有的过程都以这
高级工程师。
两个参数为基础。
Email:zhangtiegangsei(@sinopec.com
第35卷第4期
张铁钢,改善法兰接头密封性的对策
4)如不能接受上述应力校核条件要求的,应年ASME压力容器研究委员会(PVRC)螺栓法
调整法兰尺寸、垫片尺寸和位置、螺栓尺寸、位置兰联接专委会( SWG on BPJ),在几十年的时间里
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及数量,降低法兰的应力以使其满足应力校核条对垫片密封性能和螺栓载荷确定方法进行试验研
件要求
桑如苞1等指出, Waters法进行法兰应力密封性计算法
计算时
计及法兰力矩引起的应
究和分析,并提出基于接头紧密度的PVRC法兰
兰直边段轴向薄膜应力,对平焊法兰的设计会造紧密度作为设计准则。采用标准室温密封性试验
而忽略了法
PVRC法兰设计法的显著特点是将法兰接头
成很大影响,并给出了修正的强度控制条件:o≤程序(ROTT)以获得新的垫片系数G,、a和G
1.5[]-a,为法兰直边段轴向薄膜应力。同并在此基础上确定螺栓的装配载荷。紧密度
时指出该法对锥径较小的法兰计算,可能由于法参数(T,)定义为引起外径150mm的垫片泄漏
兰刚度不足造成法兰面偏转而导致法兰泄露。为
弥补该缺陷,ASME-Ⅷ-1-2007强制性附录2第管径为100mm的法兰垫片的外周边产生
g/s氨气所
2-14节和GB150.3-2011第7.5.3.5节,分别1mg/s氨气的压力。
需要的压力,此等同于通过
名义
把法兰刚
O.3同
度校,纳人制性计
指出,当法兰在相同的
算内容。GB
核照定义
成功的使用经验时可免除刚度校核,以提高法
操作条件
设计的经济性。在GB150.3法兰刚度校核计算
中提出,对整体法兰和按整体法兰计算的任意法
式中:Lkm-质量泄漏率,mg/s?mm;
,刚度指数按下式计算:
大气压力
某种整片的整片系数
J=52.14VM。
可按
AEO
PVRC提出的ROTT试验方法对垫片进行试验
校核条件
并对试验数据加以整理后确定。图1是基于设计
度指数应满足
要求用来确定新垫片系数G、a、G.的理想化紧
中:K1
脔性曲线。A部
刚度系数,取
分“加我试验数据機拟法
50.3第7
其他系数同GB
垫片在不
压缩应力
预紧
或S
1节
放社泄漏率(L)和屋为
水平与ア的关系
E-一法兰材料的弹性模量,MPa;当法兰(T=1),a是曲线斜率。Gi、a代表垫片的预紧
的关系
是A部分试验数据关联曲线在纵坐标上的截距
设计力矩M。为预紧控制时,E取常特性。B部分“卸载一再加载循环”试验数据关联
温下的模量,当法兰设计力矩M。为曲线反映当垫片预紧到某一应力,然后由于内压
操作控制时,取设计温度下的弹性加载或外载荷作用引起部分卸载(不考虑垫片蠕
模量。
PVRC法兰密封性计算十 Waters法兰强度关系,G、是B部分试验数据关联曲线在纵坐标上
蓴(含法兰刚度校核)
变松弛现象)时垫片压缩应力(S。)水平与T。的
法兰的失效模式法兰强度失效,即法兰发生
形或断裂;密封失效,即发生泄漏;密封失效
的截距,它代表墊片的操作特性
兰失效的主要模式。 Waters法兰设计方法
兰刚度校核法都属于法兰强度计算,其通
嫘栓载荷来压紧垫片同时限制法兰应力和法
形以达到密封的目的,该方法仅从强度设计
王法兰强度满足安全要求,并没有考虑到接
漏率或紧密程度,以及外载荷或装配方法
因而并不能满足
要求<