法兰螺栓垫片系统高温密封性能研究

赵子艳

摘要：近年来，社会主义经济建设的飞速发展，大力推动了我国的石油开采行业、化工建设行业以及能源开发等行业的发展。法兰螺栓垫片系统在这些行业中被广泛使用，随着这些化工行业的发展，企业对于法兰螺栓垫片系统的耐高温程度以及密封性能的要求都更为苛刻。文章对法兰、螺栓以及垫片在高温下的密封性能进行了探讨。

关键词：法兰螺栓；垫片系统；法兰连接系统；高温环境；密封性能 文献标识码：A

中图分类号：TH136 文章编号：1009-2374（2016）20-0066-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.032

如今，随着我国的高端机械制造行业飞速发展，我国要想保持这种高端机械制造行业的发展速度，就要保证我们所生产出的高端机械的质量不存在任何问题。而作为我国高端机械制造行业发展的基础的法兰螺栓垫片，其作用可谓是“四两拨千斤”，这一个小小的零件就能够决定一台机器的好与坏。本文将简单介绍法兰螺栓垫片连接系统的历史与现状，了解在高温情况下垫片的类型对于法兰螺栓连接系统的密封性能的影响，深入分析法兰螺栓垫片系统的泄露形式以及影响法兰螺栓垫片系统泄露的主要因素。

1 法兰螺栓垫片连接系统的历史与现状

近几年来，我国一直在坚持对于法兰螺栓垫片连接系统的研究，并且也取得了不少的科技成果。各大高等学校和国家研究院也积极响应国家的号召，专门成立了针对法兰螺栓垫片连接系统的研究工作的有关部门，但是研究成果始终不尽如人意，因此我国科研教育工作者不仅仅要加强在理论知识上的积累，还要在科学实践的道路上坚定不移地走下去，实践才是检验真理的唯一标准。近十年以来，中国在法兰螺栓的发展上令世人瞩目，同时也令不少发达国家感到吃惊，但是在大家都惊讶的同时，也让他们发现了一个以法兰螺栓的连接系统的密封为基础的新兴市场。当今中国的法兰螺栓市场已经不拘泥于大量生产普通的标准螺栓，我国已经发现，传统的发展已经不能真正地为企业带来核心的竞争力，反而会受制于原材料、人力成本等条件的变化，因此我国现阶段将市场打入研究法兰螺栓的连接系统的密封性能上，而且在生产技术水平上也已经基本接近世界先进水平。传统的对于法兰螺栓垫片连接系统的研究工作还很不完善。首先，我们要明确，法兰到底是什么？法兰是法兰螺栓垫片连接系统中的一个环节，主要是用于管端之间连接的零件，法兰既可以用于管子与管子之间的连接，也可以用于设备与设备之间的连接。法兰都是成对使用的，不同的情况使用不同的法兰，如低压管道可以使用丝接法兰、4公斤以上压力的使用焊接法兰。不同压力的法兰厚度也不尽相同，因此它们使用的螺栓也不同。法兰螺栓垫片连接系统的主要特点就是在拆卸方面简单、使用强度高、密封性能好。在安装法兰的时候要求两个法兰保持平行，法兰的密封面不能碰伤，并且要清理干净，还要根据设计者的规定和要求选用合适的法兰垫片。法兰螺栓垫片连接系统使用起来非常方便，而且能够承受的压力也非常大。目前，在我国很多工艺设备上都会采用法兰螺栓垫片的连接系统。虽然法兰螺栓垫片的连接系统是我们工业上最常用的拆卸、连接装置，但是，以我国目前的科技水平，还不足以解决法兰螺栓垫片连接系统的高强度和紧密性不足的问题，不管是国外的工程师还是国内的工程师，都不能确保整个法兰螺栓垫片连接系统的高强度和紧密性。因此，对于如何提高法兰螺栓垫片连接系统的高强度和紧密性还有待研究。

2 法兰螺栓垫片系统的泄露形式

2.1 法兰螺栓垫片的渗透泄露

我们常见的法兰螺栓垫片都是由石棉、聚四氟乙烯、非石棉、石墨等材料制成的，这些材料的密封程度较弱，组织松散、致密性差、纤维之间的缝隙非常大，容易渗透的地方非常多，尤其是在高温的情况下，介质会穿透纤维之间的缝隙渗透出去，造成渗透泄露。

2.2 法兰螺栓垫片的界面泄露

如果法兰螺栓密封垫片的压紧力不足，两个法兰安装时没有保持平行，法兰的密封面粗糙度较大，法兰表面清理得不够彻底，当管道由于温度升高或者压力而变形的时候，就会造成法兰界面连接出现松动，造成法兰螺栓垫片的界面泄露。另外，法兰螺栓的变形，法兰螺栓的密封垫片长时间使用导致压迫变形的等问题都会造成法兰螺栓垫片的界面泄露，并且法兰螺栓垫片的界面泄露是导致泄露的主要途径。

3 影响法兰螺栓垫片系统泄露的主要因素

3.1 螺栓预紧力的影响

经过一系列的调查研究我们发现，增加法兰螺栓的螺栓预紧力，可以增大对法兰螺栓的连接系统的密封情况。但是如果法兰螺栓的螺栓预紧力过大，就会造成法兰螺栓垫片的弹性变差，甚至会完全失去弹力，这样就会造成法兰螺栓垫片起不到它本来的作用，不能维持它在工作状态下所需要的弹性。因此，当法兰螺栓的连接系统的密封所需要的螺栓预紧力大小确定下来之后，就可以采取一些有利于法兰螺栓的连接系统的密封的方式，如增加法兰螺栓的数目等。

3.2 操作条件的影响

操作条件就是指影响法兰螺栓垫片连接系统的密封的外界条件，如压力、温度、介质的物化性质等。单单凭借压力和介质的物化性质还不足以对法兰螺栓垫片的连接系统的密封程度产生太大的影响，造成法兰螺栓的连接系统的密封泄露的最主要的因素还是温度的升高或降低，在高温条件下，一方面，法兰螺栓垫片的渗透能力会增强，从而造成法兰螺栓的连接系统的密封泄露严重；另一方面，会加剧对于法兰螺栓垫片的腐蚀度和溶解度，从而导致法兰螺栓的连接系统的密封泄露程度加重。而对于法兰螺栓的非金属垫片则会造成垫片的老化和变质，甚至于烧毁，也会对法兰螺栓连接系统的密封性能产生影响。

3.3 法兰螺栓垫片性能的影响

法兰螺栓垫片适当的变形和回弹是形成法兰螺栓连接系统的密封的一个重要现象。法兰螺栓垫片的变形主要包括弹性变形和塑性变形。如果我们选择制作法兰螺栓垫片的材料拥有很好的弹性和塑性，那么就能在很大程度上提高法兰螺栓的连接系统的密封性能。

4 在高温情况下垫片的类型对于法兰螺栓连接系统的密封性能的影响

4.1 法兰螺栓的金属垫片

法兰螺栓的金属垫片是由高精密度、高硬度的片状材料精制而成，通常用于较精密的模具以及较精密的五金调整和测量上，一般是用于原装进口的不锈钢和高碳钢以及黄铜这三种材料经热处理精磨加工而成的，具有精密度高、光洁度好、拉力度强、韧性高、不易弯折等特点。其中高碳钢的材质具有一定的弹性，而不锈钢的材料则是韧性非常好，不容易被折断。经过专家们的研究调查可知，如果法兰螺栓的金属垫片在法兰预紧升压之后再升高温度的话，法兰螺栓的金属垫片的应力是逐渐增大的，由于金属垫片之间的应力增大了，就会增强两片垫片之间的契合度，因此在升温过程中，法兰螺栓的金属垫片不需要热紧就可以了。

4.2 法兰螺栓的半金属垫片

法兰螺栓的半金属垫片主要包括金属包覆垫片、金属缠绕垫片、金属波纹复合垫片、金属齿形复合垫片，其中最常见的就是金属缠绕垫片。金属缠绕垫片是目前为止应用最为广泛的一种密封垫片，为法兰螺栓的半金属垫片中回弹性最佳的垫片，具有耐高温、耐高压和适应超低温等特点，通过改变垫片的材料组合，可解决各种介质对垫片的化学腐蚀问题，法兰螺栓的半金属垫片的结构密度也可以依据不同的预紧力的要求来制作，为了加强主体和准确的定位，法兰螺栓的半金属垫片设有金属内加强环和外定位环，利用内外钢环来控制其最大压紧度，对垫片接触的法兰密封面的表面精度要求并不高。通过专家的调查研究表明，对于法兰螺栓的半金属垫片来说，在升压后法兰螺栓的半金属垫片的应力均下降，应力下降就会造成垫片之间的契合度下降，从而导致垫片的密封性能差。而升温后的法兰螺栓的半金属垫片的应力的变化随着法兰螺栓的半金属垫片的压缩回弹性能以及热膨胀系数的变化而变化，应力越大，垫片的密封性能就越好，至于怎么变化，变大还是变小，还需要具体情况具体分析。

4.3 法兰螺栓的非金属垫片

在法兰螺栓的非金属垫片中，最常见的就是非石棉纤维垫片，非石棉纤维垫片是国际使用的新型产品，非石棉纤维垫片以其廉价、耐高温、强度高、耐高压、耐腐蚀等特点在工况中被广泛使用，曾经我国长期使用石棉材料，自从加入了WTO以来，国内各个行业都面临着国外的挑战，渐渐地，我国无石棉化的改革开始启动，通过我国科研人员经过多年的研究与开发，终于取得了巨大的成功。经过我国专家学者的实际调查可知，法兰螺栓的非金属垫片在升温后垫片的应力增大，非金属垫片之间的应力增大了，两片垫片之间的契合度就会增强，密封性能有所提高，不需要热紧就可以。

5 结语

综上分析可知，随着社会主义经济建设的飞速发展，一枚小小的法兰螺栓也足以影响到未来我国经济建设的发展，因此我们需要深刻认识法兰螺栓垫片连接系统的历史与现状，了解在高温情况下垫片的类型对于法兰螺栓连接系统的密封性能的影响，并且坚持不懈地研究高温对于法兰螺栓垫片系统的泄露形式的影响以及影响法兰螺栓垫片系统泄露的主要因素。

参考文献

[1] 罗从仁.法兰螺栓垫片系统高温密封性能研究[D].大连理工大学，2013.

[2] 张忠华.高温螺栓法兰系统密封性能研究[D].大连理工大学，2012.

[3] 马凯.金属与金属接触式法兰接头在高温重整装置中的密封性能研究[D].华东理工大学，2015.

[4] 刘雁.金属与金属接触型法兰接头预紧方法及密封性能研究[D].华东理工大学，2014.

[5] 张飞.发动机平衡轴密封垫的非线性有限元分析及优化设计研究[D].华南理工大学，2013.