螺栓法兰接头紧固密封的研究展望.pdf

第38卷第5期
化工机被
螺栓法兰接头紧固密封的研究展望
李敏杜娟沈宜辉
(1.东北石油大学;2,大庆钻并二公可)
摘要个绍了法兰栓紧国密封的原因及响其紧固密封的因亲,根据目前国内外的研究状况提出
了存在的河题,并展望了今后对此研究的发展趋势
关键词法兰接头螺检垫片紧固密封
中图分类号TQ055.8
文試标识码A
文章编号0254-6094(2011)05-0513-05
螺栓法兰连接作为重要的连接形式被广泛地糙度、工况条件、被密封介质的物理性能、压紧应
应用于化工、烁油等行业的压力容器和管道中,其力、垫片的基本特性、尺寸以及加、卸载历程等诸
主要功能是连接与密封。由于螺栓预紧力、操作多因素有关。在相同的螺栓应力下,法兰密封面
工况下介质压力、温度以及管系产生的附加弯矩粗糙度较小,其凹凸面积也较小,从而使得界面泄
和附加轴向力等载荷的作用,接头处易发生泄漏,漏面积减小,泄漏量减少,密封效棊要比粗糙度大
导致密封失效,这不仅会造成能源浪费、环境污的法兰密封面好3~。螺栓法兰接头密封的工
染,还可能酿成灾难性事故)。随着化工设备况条件包括介质的压カ、温度等,泄漏率的大小随
尺寸、操作压力和温度的高参数化,新型密封材料着压力和温度的变化而变化。两密封面之间的压
的出现和螺栓法兰接头设计的总体优化,对法兰力差越大,介质就越能克服泄漏阻力,越易发生泄
连接在内的化工设备的强度和密封性的要求也随漏。经研究表明,温度对螺栓法兰接头密封性能
之提高?,这使得对螺栓法兰接头和密封垫片的的影响非常大,随着温度的升高,气体与液体的黏
研究成为石油化工领域中一个受到高度重视并长度相应的增加和降低,墊片老化松弛加剧,越易发
盛不衰的研究课题。
生泄漏。介质的密度、形态及黏度等物理性能参
螺栓法兰接头的密封与泄漏
数对螺栓法兰接头密封性都有影响,其中黏度的
以前把螺栓法兰接头完全密封或无泄漏理解影响最大,在相同的工况下,同样的螺栓法兰接
为在预紧时密封垫片上的预紧压力等于或大于该头,液体的泄漏卒小于气体,即黏度大的小于黏度
垫片的预紧密封比压,并且操作时密封垫片上残小的。螺栓预紧力的挖制是保证螺栓法兰接头密
余压紧压力与操作压力的比值等于或大于该垫片封性的主要因素之一,螺栓预紧力要均匀施加,否
的垫片系数,否则,该接头就是不密封的;现在,这则,易避成法兰面变形不均匀,预紧力越大,密封
种密封与泄漏之间对立且绝对化的观念已被更实面变形量越大,墊片表面的毛细孔被压缩,填补了
际、更科学、定量地描述接头帟封性能的泄漏速率法兰表面的不平度,泄漏阻力増加,泄漏减少;値
所代替。泄速率表示不存在绝对密封或不泄漏如果预紧力过大,易使密封面和垫片压溃,引起泄
的螺栓法兰接头,只是接头的泄漏程度不同。因漏。国内通常采用套简冲击扳手,螺栓润滑欠佳
此,对设备的密封要求就是使其泄漏速率不大于预紧力往往不能达到要求,甚至相差甚远,造成安
某一规定值?。
全隐患2。垫片儿何尺寸对接头密封性的影
螺栓法兰接头的密封状况与法兰密封面的粗响主要取决于垫片的厚度和宽度,在规定范固内,
李敏,女,1963年6月生,副教授。黑龙江省大庆市,163318
万方数据
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化T.机械
2011年
垫片越厚越宽,接头的泄漏率就越小。整片的厚数,提出了紧密度的概念,并规定了紧密性分析的
度和宽度需在一定的范閏内,当垫片厚度达到
内容和方法“32。紧密性分析方法的基本特点
定值以后,淞透泄漏率会相应增大,宽度达到一定是将法兰连接的密封设计建立在泄漏准则上,即
值以后,就要求有较大的螺栓预紧力,同祥降低螺在设计螺栓载荷下,法兰密封面与垫片之间建立
栓法兰接头的密封性「1。
的垫片应力保证了操作压力下接头处的泄漏率不
2国内外研究历史及现状
超过设计要求的泄漏率。通过紧密度把压力和质
2.1螺栓法兰接头的设计方法
量泄漏率结合起来表明墊片接头的密封能力:紧
由于接头材料的几何非线性,传统的对螺栓密度与密封压力成正比,与批漏量成反比!23:,
法兰接头的研究有很多不足,一直缺乏可靠的理其中紧密度对墊片而言,是度量在给定螺栓载荷
论设计和分析方法
国内外对此进行了大量作用下接头限制泄漏的能力,在同样的内压下,越
实验和理论研究,取得了长足进步。 Waters和紧密的垫片发生泄漏的概率越低。因此,紧密度
Hallhaylor分别于1929年和1937年发表了论文越高越好。
“管法兰的强度”和“螺栓法兰连接中的应力公2.2有限元分析方法
式”,形成了ASME锅炉及压力容器规范中法兰
螺栓法兰接头研究方面的成就基本上是进行
的设计规则。上世纪60年代中期美国压力容器了法兰接头连接的实验研究,在理论计算和分析
委员会(PVRC)螺栓法兰分委会和ASME开孔课当中主要以有限元法和有限元软件作为研究手
题小组联合制定了金属和金属接触的平面法兰设段。郑建荣等都使用了有限元分析方法对接头进
计方法,形成了ASME-WⅧ-1时录Ⅱ的B部分。上行了紧密性研究,并得到了一定的成果。随着计
世纪80年代初期将螺栓法兰接头设计方法改为算机技术的飞速发展,使用有限元分析技术来分
非规定性附录Y,收录了包括两法兰对相同或不析螺栓法兰接头成了通用的方法,且在法兰的弹
同的金属和金属接触的平面法兰规则。性范围和垫片的线性范内,其结果与实验值相
ASME--1设计方法的核心是 Rossheim和 Markl近,准确度很高。徐鸿等建立了管法兰接头的参
于1942年发表的论文概论中提出对法兰和螺栓数化三维有限元模型,他们采用 ANSYS通用有限
的结构及强度起決定作用的是垫片系数m和最元程序研究了管法兰接头的几何尺寸、材料性质
小预紧比压y这两个垫片参数。根据y、m的值和载荷大小对法兰接头与紧密性的影响,同时分
所做的设计可能在很多情况下带来保守的螺栓设析了在螺栓拧紧过程和加内压过程中法兰接头的
计,为密封提供了足够的裕量,但是按照“具有环整体性及在加内压过程中的法兰接头的密封性
形垫片的螺栓法兰连接计算规则”,在任何情況能,为法总接头的优化设计莫定了基础。曹占
下,拧紧螺栓时产生的螺栓预紧应力均大于设计飞将垫片看作线性材料,对螺栓法兰接头进行
值。由此可见,排除其它低栓载荷的因素,实了三维有限元分析,对法兰连接设计有现实的指
际所施加的螺栓载荷还有比设计多得多的裕量,导意义;禁仁良等对承受外弯矩作用的法兰接头
以掩盖这些系数的本质1。
儆了研究,在模型中考虑了垫片的时滞效应,并引
另一有别于ASME的、在欧洲具有代表性的人了PVRC垫片系数和法兰接头紧密度概念,建
法兰计算标准方法是DINV2505,该方法是将螺立了紧密度与外弯矩的定量关系,并首次提出了
栓法兰接头的设计转化为周到、恰当的处理泄漏外弯矩作用下法兰接头紧密度的计算方法-3
的问题上,但是在尚未对垫片性能充分揭示的情3存在的问题及发展趋势
况下,仍然难以对连接作出明确的分析。在现有3.1高效密封材料的开发
的设计方法中,无论是美国的ASME还是德国的
百多年来,以橡胶为基体、石棉纤维为增强
AD规范,都有其缺陷性,要真正反映法兰连接的材料成的非金属垫片有石棉和櫲胶的优良综合
强度和紧密性是不可能的。从上世纪70年代以特性,具有很好的弹性、耐热性、抗野变松弛特性
来,许多工业发达国家设立专门的研究机构,投入和耐化