1 前言

　　法蘭及其墊片,、緊固件統(tǒng)稱(chēng)為法蘭接頭。法蘭接頭是石油化工生產(chǎn)中使用極為普遍，涉及面非常廣泛的一種零部件,。它是配管設(shè)計(jì),、管件閥門(mén)中必不可少的零件，也是設(shè)備,、設(shè)備零部件(如人孔,、手孔、液面計(jì)等) 中必備的構(gòu)件,。

　　法蘭接頭在壓力容器,、壓力管道中的主要功能是連接與密封，法蘭的失效不是因?yàn)閺?qiáng)度問(wèn)題,，而是在螺栓載荷,、墊片反力和介質(zhì)壓力的合成力矩作用下，由于剛度不足而產(chǎn)生變形(轉(zhuǎn)角),，使其對(duì)墊片的壓緊力不均勻,，從而導(dǎo)致法蘭接頭泄漏。因此,，控制法蘭剛度和變形是法蘭接頭的關(guān)鍵,。由于法蘭接頭的載荷和變形涉及的因素比較復(fù)雜，長(zhǎng)期以來(lái)只能用經(jīng)驗(yàn)和法蘭應(yīng)力計(jì)算來(lái)間接反映,，國(guó)外規(guī)范已列入了法蘭剛度計(jì)算方法,，而我國(guó)容器標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)(GB150和容規(guī))是以保證壓力容器安全運(yùn)行為目標(biāo)而制定的，壓力容器安全成為防止強(qiáng)度失效或脆性斷裂的代名詞,。

2 法蘭接頭的密封機(jī)理

　　在螺栓上緊后,，使墊片與兩個(gè)法蘭密封面之間產(chǎn)生一定的密封力，此時(shí)墊片單位面積上的密封力稱(chēng)為預(yù)緊比壓,，預(yù)緊比壓使墊片產(chǎn)生一定的變形,，從而保證接觸面的密封。墊片的材質(zhì)不同,，預(yù)緊比壓的要求也不同,。當(dāng)介質(zhì)壓力升起后，由于內(nèi)壓的作用使墊片的壓緊力比預(yù)緊狀態(tài)有所降低,。為了保證在工作狀態(tài)下的密封性能,，要求此時(shí)墊片的比壓不小于m×p(p為內(nèi)壓，m是與墊片材質(zhì)及要求達(dá)到的密封程度有關(guān)的數(shù)值),。

　　法蘭的泄漏情況用泄漏率來(lái)表示,。通常氣體的泄漏率要遠(yuǎn)大于液體的泄漏率，墊片的密封性能一般用一定壓力下氮?dú)獾男孤┞蕘?lái)評(píng)價(jià),。對(duì)某種墊片而言,，其泄漏率L與內(nèi)壓P和預(yù)緊比壓y1的關(guān)系是y1=a+b ln(P/L),。式中a、b為墊片材料特征常數(shù),。

　　美國(guó)PVRC(ASME研究機(jī)構(gòu))新規(guī)則將泄漏率進(jìn)行了分級(jí)。見(jiàn)表1,。

　　表1 PVRC對(duì)法蘭密封泄漏率的等級(jí)劃分

3  法蘭接頭的性能和幾個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)

　　3.1 墊片

　　墊片是影響接頭密封性能最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),，法蘭和螺栓都是圍繞保證墊片在最適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)下工作而設(shè)置的，因此,，提高法蘭接頭的密封性能應(yīng)首先考慮墊片問(wèn)題,。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)未把密封—泄漏率定量地作為影響壓力容器和管道安全的主要因素,，對(duì)墊片材料的選用未引起重視,。一些裝置在選用墊片時(shí)也同樣存在諸多誤區(qū)：

　　⑴把石棉橡膠板作為一個(gè)萬(wàn)能的墊片，不考慮使用條件而廣泛采用,。實(shí)際上,，石棉橡膠板是將石棉纖維和不同橡膠及其它粘合劑混煉后壓制而成，是一多孔的非金屬材料,，而且隨著組成的品種和配比不同,，其性能變化是很大的。

　　國(guó)內(nèi)的石棉橡膠板標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè),，即GB3985-1995“石棉橡膠板”和GB539-1995“耐油石棉橡膠板”,，標(biāo)準(zhǔn)中的幾張表格給使用者造成極大誤解，見(jiàn)表2,。

　　表2 GB3985-1995石棉橡膠板

      由于標(biāo)準(zhǔn)中列入了這種條款,，長(zhǎng)期以來(lái)我們誤認(rèn)為石棉橡膠板可以用至450℃，6MPa(XB450),，無(wú)論蒸汽系統(tǒng),、氫氣系統(tǒng)、油品系統(tǒng)都可以普遍使用,。實(shí)際上,，國(guó)外對(duì)石棉橡膠板的使用有嚴(yán)格的限制，如美國(guó)杜邦公司規(guī)定易燃介質(zhì)不得使用石棉橡膠板,，因?yàn)橐坏┌l(fā)生火災(zāi),，采用石棉橡膠板的法蘭接頭很難保證不產(chǎn)生二次泄漏。日本 “石油工業(yè)用石棉橡膠板”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定易燃有毒氣體使用石棉橡膠板的條件為0~260℃,，≤1.0MPa,，水、空氣,、水蒸汽為-50~260℃,，≤3.0MPa,。而且，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)石棉橡膠板的性能指標(biāo)要求比國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品要高,。

    ?、坪駢|片比薄墊片好。事實(shí)上,，石棉橡膠板是一多孔的材料,，墊片越厚，其滲透率越高,，為了保證較高的密封性,，必須施加比薄墊片更大的壓緊力，才能將其芯部泄漏率降低,，因此厚墊片比薄墊片需要的壓緊力要大,。對(duì)于水這樣的大分子液體來(lái)講，通過(guò)墊片芯部的泄漏率很小,，厚度影響不大,。通常厚墊片僅僅是法蘭直徑較大，考慮密封面波浪度或瓢曲時(shí)使用,。一般其厚度依次采用0.81,，0.6，3.2mm,。

　　墊片寬度也不是越寬越好,，相反，適當(dāng)窄一點(diǎn)能提高其密封比壓,。但非金屬墊片保證一定的寬度是有必要的,，一是可以控制內(nèi)部泄漏，二是不致使壓緊力過(guò)大,，把墊片壓潰,。

　　⑶金屬纏繞墊是現(xiàn)在常是用的一種半金屬墊。它一般由0.2mm左右的V形金屬帶與非金屬帶(如四氟,、石墨等)纏繞而成,，非金屬帶一般要露頭零點(diǎn)幾毫米，以在兩側(cè)表面形成非金屬密封層,。金屬纏繞墊的特點(diǎn)是強(qiáng)度高,、彈性好、防滲漏,、耐高溫,。因此纏繞墊適用于中壓系統(tǒng)或要求較高的場(chǎng)合。但在使用中,，有將不帶內(nèi),、外環(huán)的墊片用于平面法蘭的情況,，由于內(nèi)、外環(huán)有定位,、加固(壓緊力的作用下不致垮散),、控制壓緊力的作用，當(dāng)法蘭密封面為平面時(shí),，如使用的纏繞墊不帶內(nèi),、外環(huán)，極易使墊片壓潰,，使密封失效,。

      3.2 法蘭

　　⑴壓力等級(jí)

　　一般壓力等級(jí)越高,，密封性能越好,。但法蘭的選用涉及管道元件，如閥門(mén),、管件,、機(jī)械設(shè)備等的配套問(wèn)題，因而其壓力等級(jí)不可隨意提高,。

　　⑵法蘭型式

　　法蘭型式有許多種,，如對(duì)焊、平焊,、活套法蘭,。其密封面型式有凸面、凹凸面,、榫槽,、梯型槽等。法蘭型式,、密封面型式和密封面光潔度對(duì)密封性能影響較大,。

　　過(guò)去，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí),，都知道同樣厚度的帶頸對(duì)焊法蘭強(qiáng)度比板式平焊法蘭好,，且可作定量計(jì)算，但各種法蘭對(duì)密封有何影響,，卻沒(méi)有定量概念,，在GB150中也沒(méi)有法蘭剛度的計(jì)算公式。

　　美國(guó)ASME規(guī)范1995年起納入了對(duì)法蘭剛度進(jìn)行校核的概念,，提出了法蘭剛度計(jì)算方法：

　　WN帶頸對(duì)焊法蘭,、整體法蘭

　　PL平板法蘭

　　當(dāng)J≤1.0時(shí)，可以認(rèn)為法蘭有較好的剛度,。

　　取J=1.0可得到許用彎矩[M]的計(jì)算式,。

　　表3為有關(guān)資料介紹的兩種型式的標(biāo)準(zhǔn)法蘭,，使用石棉橡膠板和纏繞墊時(shí)的操作彎矩或予

　　表3 兩種型式的標(biāo)準(zhǔn)法蘭使用情況對(duì)比

　　緊彎矩M和保證法蘭剛度的許用彎矩[M]的比較。

　　從表3可以看出：

　　a.許用彎矩[M]與法蘭剛度呈線性比例關(guān)系, 法蘭剛度越大, 法蘭在予緊和使用時(shí)變形小,，密封性能越好,。

　　b.當(dāng)施加彎矩M≤[M]時(shí)，說(shuō)明法蘭變形控制在安全范圍內(nèi),，墊片泄漏率能獲得保證,，反之，則法蘭剛度不足,，墊片泄漏可能失控,。

　　c.帶頸對(duì)焊法蘭剛度比同規(guī)格平板法蘭高3~10倍，易于保證密封性能,。國(guó)外工程公司一般僅在公用工程中使用平焊法蘭,，如水、空氣,、低壓蒸汽等場(chǎng)合,。

　　⑶密封面表面粗糙度

　　密封面表面粗糙度與墊片材質(zhì)、密封比壓,、要求的泄漏率有關(guān),，不宜太高，也不宜太低,。國(guó)外在選用,、采購(gòu)、驗(yàn)收時(shí)對(duì)密封面表面粗糙度都有規(guī)定并作為檢查項(xiàng)目,，我國(guó)尚未引起足夠的重視,，且存在一些錯(cuò)誤做法，如在密封面上車(chē)兩道1mm的三角形槽,，不管用什么墊片,，法蘭面均車(chē)水線。表4為幾種常見(jiàn)墊片的粗糙度要求,。

　　表4 常見(jiàn)墊片的粗糙度要求

　　注：通常規(guī)律：金屬墊HB ×Rz≈300~400

　　3.3 緊固件

　　緊固件在法蘭連接中作用比較簡(jiǎn)單, 即施加緊固力, 一般密封等級(jí)高,，要求的螺栓力較大。為了達(dá)到T3級(jí)密封,，無(wú)論什么墊片,，一般要求螺栓予緊力要達(dá)到200MPa左右，因此,，以采用合金高強(qiáng)度螺栓為宜,，采用低碳鋼或中碳鋼的概念與要求較高的密封等級(jí)是不相適應(yīng)的。實(shí)際上,，國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局的文件中已明確液化氣球罐上法蘭必須用高強(qiáng)度合金螺栓,。

　　螺栓力的控制是保證法蘭密封性的主要因素之一,，尤其是螺栓力要均勻，否則,，易使法蘭面變形不均勻,，或使密封面和墊片壓潰，造成密封失效,。國(guó)內(nèi)通常采用套筒沖擊扳手,，螺栓潤(rùn)滑也不講究，因此實(shí)際螺栓力與要求相差甚遠(yuǎn),，最大與最小可達(dá)4倍,，往往不能保證良好的密封。如我公司加氫制氫車(chē)間的10臺(tái)意大利進(jìn)口換熱器,，原檢修時(shí)采用手工扳手,，由于螺栓力過(guò)高，且法蘭受力不均勻,，使法蘭梯形槽壓壞,，出現(xiàn)裂紋,，造成嚴(yán)重的安全隱患,。1997年，我們采用液壓力矩扳手后,，由于控制了適當(dāng)?shù)挠杈o力和均勻的螺栓力,，不僅保證了密封面完好，且保證了良好的密封性能,。

　　法蘭密封性能的影響因素還有管道系統(tǒng)布置,、熱膨脹、振動(dòng)等現(xiàn)場(chǎng)條件,，在實(shí)際選用時(shí)要綜合考慮,。

4 結(jié)論

　　⑴墊片是影響法蘭密封的主要因素,，目前在易燃易爆介質(zhì)或重要場(chǎng)合應(yīng)主要選用半金屬和金屬墊片,，如液化氣、蒸汽,、油品等以選用金屬纏繞墊為好,，高溫、高壓部位則應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件選用相應(yīng)的金屬,。

　?、浦匾课环ㄌm應(yīng)采用整體法蘭或高頸法蘭，并注意法蘭粗糙度和墊片的匹配,，采用纏繞墊,，法蘭為凸面時(shí),，墊片應(yīng)帶內(nèi)、外環(huán),。

　?、菫樘岣呙芊獾燃?jí)，螺栓強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)適當(dāng)提高,，關(guān)鍵設(shè)備,、重要設(shè)備的法蘭在安裝時(shí)要控制好螺栓予緊力,，同時(shí)要保證均勻的螺栓力。

　?、韧饧虞d荷較大時(shí),，管道設(shè)計(jì)時(shí)要采取措施予以減小,，或適當(dāng)提高法蘭等級(jí)。