关于螺栓法兰垫片连接接头密封性能研究概述

李慧芳，王修慧，郭秭君，钱才富

(北京化工大学 机电工程学院，北京 100029)

螺栓法兰垫片接头是常用的静密封连接形式。目前广泛使用的设计计算方法是ASMEⅧ-1附录2推荐的计算规则[1]。该方法是通过引入垫片系数m和y来保证强度，从而间接保证其密封性[2]。尽管该方法在使用中没有出现过大的问题，但是，对于密封性要求高的容器，法兰按照该规范计算不能保证严密性。因此，美国 ASME锅炉和压力容器委员会提出基于泄漏率准则的设计方法[3]。按照不同工艺对接头泄漏的要求，将泄漏率定义为单位时间通过单位密封长度的质量，按其紧密程度分级为经济、标准、紧密、严密和极密，不同的紧密程度规定了不同的泄漏率。本文从控制泄漏率的角度对目前关于泄漏率计算的各种模型，泄漏失效预测的模型进行了概述，并分析影响泄漏率的关键因素，为今后更好地优化模型以及更好地控制泄漏量的大小提供参考。

1 螺栓法兰接头泄漏率计算模型

计算泄漏率的关键是要分析影响泄漏率的关键因素，提出合适的泄漏率计算模型来计算接头的泄漏率。本节介绍了工程上常见的几种泄漏率计算模型，并对各种模型的优缺点进行了评述。

1.1 基于垫片平均应力的泄漏率计算模型

顾伯勤根据多孔介质中气体的流动来描述垫片的泄漏，通过图算法来预测螺栓法兰垫片接头的泄漏率[4]。该方法可以方便直观地通过工作压力、介质粘度等已知参数得到泄漏率，在工程上具有一定的意义。但是，该方法并没有考虑温度变化对垫片性能的影响[4]，也没有考虑多孔介质在工作压力作用下流道的变化。 因此，其计算结果只在一定范围内适用。

1.2 基于垫片有效密封宽度的泄漏率计算模型

刘麟等以垫片应力的径向分布规律为基础，提出基于垫片有效密封宽度的泄漏率计算方法[5]。该方法得到的泄漏率较文献[4]中的预测方法更为精确。其原因是文献[4]中采用垫片平均应力对接头泄漏率进行计算，没有考虑不均匀分布的垫片径向应力。研究认为，接头的泄漏率对垫片外缘的最大应力更为敏感，但文中没有给出垫片最大应力与泄漏率的关系[6]。

1.3 基于时间的泄漏率计算模型

李国蒙采用单因素分析法系统分析了影响螺栓法兰接头密封的各种因素，得到了泄漏率随不同影响因素之间的变化关系[7]。但是，分析中未考虑这些因素的综合影响。研究还针对垫片蠕变性能和压缩回弹性能，提出了基于时间的泄漏率模型[7]，补充了文献[4]中未考虑温度变化的不足。 研究认为泄漏率与时间成幂指数关系，泄漏率随时间的增加逐步增大，当时间达到一定程度后，泄漏率趋于稳定[7]。

1.4 基于分形参数的泄漏率计算模型

冯秀等从理论[8]和实验[9]均证实密封表面分形维数对螺栓法兰接头的密封有直接的影响，并给出了泄漏率与密封表面形貌的关系[8]。研究认为接头的泄漏随分形维数增大而减小，该研究可以指导金属垫片密封表面的加工[8]；或已知泄漏率对密封连接进行设计[9]。但是，该模型在推导过程中假定法兰没有偏转[8]，这与实际情况不太相符。研究者在随后的研究中推导了法兰偏转导致截面变化的变截面泄漏率计算式[10]。但文献[8-10]模型中包含了大量基于试验数据的经验回归系数，工程上应用不太方便[11]。

1.5 基于渗流力学的泄漏率计算模型

黄晓明等从泄漏的物理本质出发，提出了金属垫片泄漏率计算模型[11]。该模型以渗流力学与分形接触力学为基础，可以实现不同密封介质、密封材料和工况条件之间的换算，为垫片密封泄漏率分析提供依据[11-13]，大大扩大了模型的使用范围。

1.6 基于螺栓力的泄漏率计算模型

庄法坤等以静力学分析为基础，并耦合接头螺栓力，得到了石墨缠绕垫片法兰接头的泄漏率[14]。研究认为，泄漏率同总螺栓力之间呈对数线性关系，该研究可以在已知螺栓力的情况下估算泄漏率的大小，为工程实际提供了方便。

1.7 基于模糊决策支持系统的泄漏率计算模型

Arghavani等提出基于模糊决策系统的泄漏率计算模型，该模型的思想和实现基于推理的组合规则，考虑了气体压力、垫片偏斜和泄漏率等因素，可以用于垫片选型[15-16]。文献还提出了在给定的操作条件下(例如施加的负载、气体压力和泄漏率)下选择垫片的方法[16]。

2 螺栓法兰接头密封泄漏失效预测模型

2.1 基于故障树的泄漏概率预测模型

沈轶等对法兰接头故障树底事件的结构重要度进行了分析，根据重要度大小研究了造成法兰密封失效的主要原因[17]。孙振国等建立了接头泄漏失效为顶事件的故障树，将模糊重要度中值法引入螺栓法兰接头的故障树分析中，得到影响泄漏失效的主要因素，并给出相应的泄漏预防措施[18-19]。王堃基于故障树方法，确定了与泄漏事故有关的各种因素，建立了螺栓法兰接头泄漏的故障树模型，给出其泄漏失效概率的计算方法[20]。

2.2 基于蒙特卡洛法的泄漏概率预测模型

王程龙采用用蒙特卡洛法，应用Matlab对随机变量进行随机抽样，计算法兰泄漏的概率[21]。该方法可以用来有效评价压力容器管道的安全。

3 螺栓法兰接头泄漏的关键影响因素分析

3.1 垫片对螺栓法兰接头泄漏的影响

3.1.1 垫片形式

垫片对于螺栓法兰接头的泄漏有较大影响。安源胜等对非线性垫片的螺栓法兰接头进行了分析，得到了相同厚度不同宽度垫片连接中法兰的应力分布[22]。研究认为，在相同螺栓预紧力下窄面垫片较宽垫片和平垫片有较好的密封性能[22]。

梁立军等研究了柔性石墨缠绕垫的密封性能，分析了非线性垫片应力回弹曲线拐点应力与泄漏率的关系[23]。研究认为，垫片的拐点应力和变形与垫片的尺寸和垫片材料性能有关。范淑玲等研究了石墨密封垫片的高温力学性能[24]。研究认为，石墨垫片的压缩量和回弹量随温度的变化呈现不同的变化规律，压缩量随温度升高而增大，回弹量随温度升高而减小；研究者还实验研究了垫片接触应力与温度的关系，为接头的密封设计提供了参考[24]。

3.1.2 垫片应力

蔡仁良等分析了垫片应力、垫片系数和不同标准设计准则的关系，确定了基于容许泄漏率的垫片最小工作应力，为安装法兰接头的密封安全性提供了保证[25]。蔡暖妹等分析了影响垫片应力的各种因素，认为垫片应力在预紧和工作过程中经历一个逐渐衰减的过程，要维持法兰接头的密封性能，安装垫片应力在材料允许的范围内应尽可能大[26]。

陈圆等采用有限元法对螺栓法兰接头进行了静力学分析和热分析，研究了在内压作用下垫片平均应力的变化，以及垫片应力随温度的变化[27]。该研究结果可为螺栓法兰接头完整性评价提供参考。

Murali Krishna等采用有限元方法研究了石棉填充、石墨填充和聚四氟乙烯缠绕式垫片的密封性能。研究结果表明，不同的垫片类型和法兰盘厚度会导致垫片径向应力分布不均匀性的差异[28]。进一步研究发现，即使法兰旋转远低于 ASME规范规定的0.3°，法兰接头也可能发生泄漏，该研究说明保持最小接触应力的重要性，该研究结果与文献[25-26]一致。

3.2 螺栓载荷对螺栓法兰接头泄漏的影响

3.2.1 螺栓预紧方式

对法兰密封而言均匀的螺栓载荷是十分必要的。喻健良等对接头的螺栓加载方式进行了实验研究，比较了LEGACY法加载和JIS B 2251法加载对法兰密封的影响[29]。研究认为不同的加载方式都可以达到较为平均的螺栓载荷，但LEGACY法与JIS B 2251法相比，加载繁琐，操作中易出错[29]。试验发现以扭矩增量全顺次加载可以获得较为均匀的螺栓载荷，但没有给出加载次数对密封性能的影响。王璐等采用星形螺栓加载方式，分析了加载过程中螺栓载荷和垫片应力的变化，认为按照星形螺栓加载方式会产生较大的螺栓载荷分散性，从而使垫片接触应力的分布不均匀[30]。张志明分析了顺序加载和两种不同的星形加载方式对螺栓载荷和垫片应力的影响，并给出了不同加载方式达到目标螺栓载荷的加载步数[31]。

3.2.2 螺栓安装载荷

安装不当也是引起法兰失效的主要原因。蔡仁良等给出了最小螺栓载荷，最大允许螺栓载荷，最大可用螺栓载荷和安装螺栓载荷之间的关系[32]，给工程设计人员提供了参考[33]。蒋小文等对螺栓法兰连接中螺栓的加载方式、加载顺序以及螺栓预紧力大小确定进行了分析，提出了一种将压力及温度加载考虑在内的螺栓预紧力确定方法[33]，并针对工程实例比较了不同螺栓预紧力的确定方法[34]。

3.3 法兰对螺栓法兰接头泄漏的影响

3.3.1 法兰形式和选用

法兰密封失效的另外一个原因是由于法兰刚度不足引起的[35]。Abid等使用有限元法对金属与金属接触法兰进行了参数化研究，分析了压力容器法兰在内压下的应力和位移值，在分析过程中采用单因素分析法，分析了法兰厚度、螺栓预应力和法兰锥角的影响。此外，作者还将法兰表面无锥角法兰几何结构的结果与根据 ASME、 PD5500和 EN13445第3部分得出的预测结果进行了比较，给出了无泄漏条件下的最佳法兰形式和尺寸[36]。应道宴等系统分析了法兰的设计选用规则并对法兰承载能力进行了评估[37]。

3.3.2 法兰密封面

廖建敏等采用有限元法研究了四种密封面结构的密封接触压力。研究给出了在不同工况下不同密封面的密封效果。环形密封的密封面较凹凸面密封、榫槽面密封和凸面密封有较好的密封效果；其中，环形密封与凹凸面密封结构与突面密封与榫槽面密封相比对轴向力作用不敏感。因此，密封面的接触压力不易出现削弱[38]。

3.3.3 法兰刚度和转角

法兰由于刚性不足引起垫片的预紧应力在操作过程中下降会引起接头的泄漏失效[24,35,38]。匡良明等采用解析法推导了法兰刚度与偏转角的关系，给出了不同法兰偏转角计算式，对不同法兰偏转角极限值的确定提供了参考[39-40]。冉振等分别研究了法兰密封环尺寸、螺栓预紧力和法兰刚度对其密封性能的影响；结果表明，密封环外径对法兰密封环的应力分布均匀性有显著影响，而法兰刚度和螺栓预紧力对法兰密封环的应力分布均匀性无明显影响[41]。

4 结论

螺栓法兰垫片接头是常用的静密封连接形式。本文对螺栓法兰垫片接头密封性能进行了文献综述，所得主要结论如下：

(1)文献中给出了7种泄漏率计算模型，分别为基于平均应力计算模型、基于垫片有限宽度计算模型、基于时间计算模型、基于螺栓力计算模型、基于分形参数的金属垫片计算模型、基于渗流力学计算模型和基于模糊决策支持系统的计算模型。

(2)文献中给出了2种密封泄漏失效预测模型，分别基于故障树的泄漏预测概率模型和基于蒙特卡洛法的泄漏概率预测模型。

(3)螺栓法兰接头泄漏的关键影响因素为垫片的形式、垫片应力、螺栓预紧方式、螺栓安装载荷、法兰形式以及法兰刚度等。