压力管道法兰密封与泄漏的浅析

焦 磊

(中国石化集团洛阳石油化工工程公司， 471003)

压力管道法兰密封与泄漏的浅析

焦 磊

(中国石化集团洛阳石油化工工程公司， 471003)

对法兰的密封机理及泄露原因进行了分析，探讨了受到压力及温度变化过程中法兰、垫片和螺栓的协调变化，定性地阐述了密封与泄漏的一般规律。重点分析了温度变化时法兰瞬态温度分布及垫片应力、螺栓应力、垫片回弹量的瞬时变化，同时简单介绍了法兰密封的核心元件垫片的种类及特性，并举例介绍了为防止泄漏在管道设计时应注意的问题。

法兰 垫片 密封 泄漏 管道设计

在石油化工装置中，法兰是管道、管件、阀门、仪表和设备等进行连接的最重要、最常见的形式之一。这种连接虽具有拆卸方便且不用动火等优点，但因由法兰、螺栓、垫片三者协同实现密封，其中任一元件出现问题就会造成泄漏，不仅造成浪费，而且还会污染环境，甚至造成人员伤亡及财产损失。因此探讨法兰的密封以及防止泄漏具有重大的现实意义。

1 法兰的密封

法兰连接确切地说应该是螺栓、法兰、垫片连接，其密封是靠三者的协同作用实现的，其中垫片是实现密封的核心部件。

1.1 法兰的密封原理

通过螺栓的预紧力，使垫片和法兰密封面之间产生足够的压力，以使垫片表面产生的变形足以填补法兰密封面的微观不平度，达到密封的目的。为达到上述目的所作用到垫片上的最小单位压紧力，称为比压力。当与法兰连接的管道达到操作压力时，因内压的轴向力的作用导致两片法兰有分开的趋势，而螺栓则有伸长的趋势，作用在垫片上的压紧力将减少。当作用在垫片有效截面上的压紧力降至某一临界值时，仍能保持密封，这时垫片上的剩余压紧力即为垫片的有效紧固力。当垫片上压紧力小于有效紧固力时法兰就会发生泄漏，甚至将垫片吹跑，因此垫片的有效紧固力必须大于管道的操作压力。两片法兰密封面之间的距离，在操作状态要比初始状态大，这时垫片与法兰密封面的紧密性是靠垫片的回弹力来保证的。可以这么说，在初始密封阶段，垫片的表面塑性变形填补法兰密封面的微观不平度起决定性作用;而操作状态下法兰的密封，垫片内部的弹性回复起主导作用。

1.2 法兰密封的紧固力

在预紧状态下，若不计安装应力，螺栓的紧固力即为垫片所受到的压紧力。设垫片的比压力为Y，有效接触面积为S，据此求其最小紧固力T为:

式(1)表明，在预紧状态下，T 只跟垫片的性能有关，而与操作条件无关。而事实上，在操作状态下，螺栓的紧固力是一个与操作条件密切相关的数据。预紧状态下，螺栓的预紧载荷仅仅由垫片的压紧引起，但在实际操作工况时，随着压力的升高，螺栓的载荷开始增大，螺栓也因荷载的增加而变长，螺栓载荷直到系统达到操作条件而稳定到一个值G。另一方面，因螺栓伸长，两法兰密封面的间距变大而使垫片回弹，垫片的压紧力减少，使螺栓的荷载减少。人们最关心的是操作状态下垫片所受到的压紧力F，因为使垫片在操作状态下所受压紧力为F的螺柱的紧固力，才是要直接控制的，设为f。若操作状态流体静压所产生的轴向力为M，则操作状态下螺栓垫片法兰的力的平衡方程可表达为:

设从预紧状态到操作状态垫片的压紧力变化为△F，垫片的回弹量为△L1，螺栓的伸长量为△L2。垫片和螺栓的弹性因子分别为K1、K2，则有:

由于螺栓、法兰、垫片是协变过程，假设法兰为刚性件，则垫片的回弹量应与螺栓的伸长量相等，可得应变协变方程如下:

因紧固力f等于预紧状态垫片的压紧力，也等于操作状态下垫片的压紧力F加上从预紧状态到操作状态垫片加压紧力的变化。即:

将式(6)、(8)代入式(7)，可得应力协变方程如下:

从式(9)中可以看出，螺栓的最小预紧力由两部分组成:SY这一部分是与垫片有关的量，MK1/K2是与垫片、螺栓、操作条件有关的物理量。因此紧固力f不但与垫片本身的属性有关，还与操作条件、螺栓本身的刚度有关。

影响紧固力f的因素很多，诸如螺栓、螺母的制造质量，螺纹的清洁程度，螺母与螺栓及法兰接触面的润滑状况，垫片的塑性变形、法兰的塑性和弹性变形、法兰的转角等等都是影响预紧力的因素。另外，系统的温度变化和垫片的蠕变和应力松弛也对式(9)产生重大影响［1－3］。

2 法兰的泄漏

2.1 法兰泄露概述

从实际生产的角度来讲，要求法兰密封达到绝对不泄漏是不可能的，人们应该做的是按生产过程的重要性、危险性和经济性的要求来确定相应的泄漏标准。法兰的泄漏一般有两种途径:第1种是垫片本身的渗透作用;第2种是垫片与法兰密封面间隙的泄漏。由于新型密封材料的不断出现，第一种泄漏已基本能解决。日常发生的绝大多数都是第二种泄漏，下面主要分析第二种泄漏。

在某一特定操作条件下，法兰连接所能达到的泄漏率低于某一特定的指标泄漏率;或在规定的泄漏条件下，法兰连接能够承受特定的操作条件，满足这个指标泄漏率或特定操作条件的法兰连接即视为不泄漏，或紧密的，反之则视为会泄漏，或者说是不紧密的。

2.2 法兰及螺栓的影响

法兰在实际工况中受力状况很复杂，螺栓、垫片、内压都直接对法兰产生作用力，这些力可能会导致法兰的不规则变形。这些作用力从强度方面讲是没有问题的，但变形可能会导致法兰泄漏。因此，在法兰设计时不仅要满足强度要求，还要满足法兰不泄漏所要求的最小变形，即按刚度理论进行设计。

众所周知，拧紧螺栓能提高密封效果，减少泄漏率，但因受法兰和螺栓自身的强度和刚度限制，这种方法到达一定程度后无效。螺栓安装程序不当也会产生泄漏，正确的螺栓上紧顺序(十字交叉等距对称)对保证法兰连接点的密封和缩短上紧操作时间是极为重要的。

2.3 垫片的蠕变和应力松弛

提高密封效果，减少泄漏最有效的现有手段还是提高元件——垫片的性能。由于承受很大的压紧力，所以垫片存在蠕变和应力松弛现象，且发生这种现象的机率随温度的升高而增大。只不过在这个过程中应力和蠕变都是逐渐变化的，在螺栓、法兰、垫片这种结构中，垫片发生应力松弛后也必然会有相应的应变产生，蠕变则必然导致螺栓载荷的变化。因此这种变化既不是理论上的纯蠕变，也不是纯应力松弛，这里既有蠕变，也有应力松弛，可称其为蠕变－松弛。

蠕变－松弛的最终结果必然使垫片的压紧力减小，是影响密封性能的重要因素之一，特别是在高温高压下影响更大。

3 热压工况下法兰紧固件的分析

高温高压会降低垫片的回弹能力和实际密封性能。就法兰螺栓结构来看，热压工况引起的变形是影响密封的主要因素之一。在实际工况中，影响密封的因素很多，所以下面把法兰、螺栓、垫片视为一个整体，重点分析温度变化时，其瞬态温度分布及垫片应力、螺栓应力、垫片回弹量的瞬时变化，揭示温度和压力下螺栓法兰连接的密封特性。

3.1 瞬态温度场

升温过程中，法兰环从内到外存在一定的温度差，因热量是从法兰内壁向外壁传递的，法兰中靠近外壁部分的温度变化比内壁滞后一段时间。螺栓与法兰之间仅靠接触面传热，螺栓的温度应比法兰有较大的滞后，形成法兰螺栓的瞬态温度场。

瞬态温度场引起法兰变形。升温初期，法兰接管受热升温比法兰环快得多，两者热涨量相差较大，接管的进一步膨胀受到法兰环的约束，从而使法兰产生较大的偏角，具体如图1所示。

图1 瞬态温度场引起的法兰变形对比

事实上，法兰偏角是热涨与螺栓力矩共同作用的结果，而升温前因为只有螺栓力矩的作用，导致产生的法兰偏角很小罢了。当法兰温度达到稳定时，法兰与接管的温度差最小，转角也趋于减小，但法兰和螺栓的轴向和径向的线胀量却增加了。

3.2 热压工况对法兰连接系统密封性能的影响

系统升压使垫片的有效紧固力比预紧力小，而系统升温时，螺栓升温滞后，法兰升温较快而产生的热胀使垫片进一步压缩，垫片应力又增加。因此在系统升温和升压的过程中，垫片应力的变化量取决于升压和升温的共同作用。法兰转角的变化，一方面抑制了因法兰和螺栓的膨胀差引起的垫片应力的进一步升高;另一方面由于法兰的转动变形，导致垫片外侧被进一步压缩，使之产生塑性变形而降低了垫片的回弹能力，并对垫片的密封产生不利影响。温度对法兰密封的影响还随接管、法兰、垫片螺栓的材质不同和升温的速度和时间点不同，可使垫片的密封应力减少或增加。

瞬间升温过大也会导致不良后果，这是因为垫片会在短时间内被过分压缩，失去部分回弹能力，同时使法兰产生了较大变形而降低了密封能力。此外，法兰内也会产生较大的不利于密封的瞬态热应力，所以必须控制升温的速率;瞬间降温幅度过大同样也会使法兰在瞬间发生较大变形，并产生较大的瞬态热应力造成泄漏。

从另一个角度讲，温度升降过快都会导致管道、法兰、垫片、螺栓的温差加大，它们的应力、应变不能在瞬间完成相互的协调变化，导致法兰密封失效［3］。

法兰、垫片、螺栓在高温操作条件下达到平衡后，因其发生蠕变－松弛，使垫片在一个较低的应力水平达到密封。若此操作压力不变，而温度有较大幅度下降，因冷缩会使垫片所受的有效压紧力更小，极易发生泄漏。因此，停工检修时控制降温速率也是必要的。

4 常用垫片的特性

垫片是在石油化工法兰连接中最重要的密封元件，其密封特性直接影响法兰连接的紧密性，同时对连接点的泄漏性也起着至关重要的作用。在对螺栓紧固力研究的同时，垫片本身的一些特性及其密封性对泄漏的影响也是需要重视和了解的。因预紧阶段垫片是靠表面的塑性变形实现密封的，而操作阶段是靠垫片的回弹力密封的，所以理想的垫片应是其表面具有良好的塑性变形，内部应有优良的压缩回弹性，所有垫片的结构设计都是围绕这两点进行的。

4.1 石棉橡胶垫

石棉橡胶垫因具有质轻，不易变形，方便运输、存放，耐腐蚀等特点，可以任意剪成各种规格和形状而广泛使用，但其回弹性很差，因此只能用在低压环境中，而且因其含有致癌物质，在许多国家已被禁用。

4.2 缠绕垫

柔性石墨缠绕垫是用V形或W型断面的金属带和填充带相间螺旋状缠绕而成。后来为了提高垫片的强度和可靠性，以及方便安装对中，根据法兰密封形式和操作条件不同，分别采用了带外环、带内环、带内外环的垫片。

缠绕垫在安装和使用过程中，最常见的破坏主要是散架和压溃。由于缠绕垫的密封比压要求较大，安装和使用过程中，垫片受到很大的压紧力，外层同心焊接的焊点在周向力的作用下容易发生拉脱，使整个垫片散架。在高温和高压情况下，垫片受到的压紧力很大，垫片内的填充物受压产生的内应力向内径方向作用于内层钢带，使内层钢带受到外压作用。当外压超过一定值时，此钢带围成的钢带圈向内凹陷，使垫片发生局部损坏，导致密封失败，称为压溃现象。缠绕式垫片的压紧比压越高，规格越大就越容易发生压溃。

缠绕垫内的填充物受压产生的内应力沿径向向外产生散架的破坏作用，向内产生压溃的破坏作用，不利于垫片的压紧，故带内外环的垫片的密封效果要比带内环和外环的好;又因内压有使垫片产生散架的破坏作用，故带外环的比带内环的密封效果好。

4.3 金属环垫

与金属环垫配用的法兰密封面为环槽面，常用在高温、高压工况下。从理论上讲，金属垫片的密封是圆周线密封，因此，要求金属环，法兰梯形槽表面不得有伤痕，表面应光滑洁净。

金属环垫虽然第一次密封效果好，但因垫片与法兰之间仅为线接触，且这种垫片的密封压紧力又很大，垫片和法兰梯形槽接触点之间的力很大(一般要大于12 MPa)，特别是高温条件下，会使梯形槽表面发生变形、裂纹等不同程度的损伤，一旦密封失效，很难再实现密封。即使更换新的垫片，也解决不了泄漏问题，必须对梯形槽进行补焊和研磨，否则只能将法兰与垫片一起更换，尤其在应力腐蚀介质存在的情况下，裂纹的发生和扩展更为明显或严重。这是金属环垫片使用过程中最常见的问题之一，再加上金属环垫的安装拆卸困难等因素，发达国家从20世纪70年代已开始用高压缠绕垫代替金属环垫，目前已基本不用金属环垫。我国因制造技术与工艺还不成熟，加上其他诸多因素，仍沿用金属环垫［1］。

5 石油化工管道设计时应注意的问题

5.1 考虑法兰等级对法兰密封的影响

确定法兰等级除应考虑满足强度条件外，还要考虑在设计温度下的刚度要求，否则法兰在力和力矩的作用下变形过大，易发生泄漏，此时应提高法兰的等级。

例如制氢装置分馏塔底线，操作温度为375℃，操作压力为0.3 MPa，而公称压力2.0 MPa、材质为16Mn的GB法兰在400℃时所能承受的最大无冲击压力为0.65 MPa，仅从强度方面考虑，公称压力为2.0 MPa的法兰就足够了。但因公称压力为2.0 MPa的法兰在温度大于200℃时刚度太小，易变形发生泄漏，且也有分馏塔底法兰发生泄漏的实例，故最后把该管线的压力等级提高到公称压力5.0 MPa。

5.2 尽力减小对法兰的作用力和力矩

使法兰有分开趋势的力必然减小垫片和法兰间的残余压紧力，当这个力过大，使垫片的残余压紧力小于垫片的有效压紧力时，必然会发生泄漏。力矩使垫片的受力不均，有的部位的有效压紧力比无力矩时大，而另一部位的有效压紧力会比无力矩作用时小，当最小部分的残余压紧力小于垫片的有效压紧力时，泄漏便在此处发生。

假设设备嘴子有足够的强度，经计算一次应力和二次应力都通过。但这样的连接也不一定可靠，这是因为如果管道设计不当，嘴子连接处法兰所受力矩会很大，即造成垫片受力不均，导致密封失效。事实上，应力对法兰螺栓垫片的作用是均匀的，而力矩导致法兰垫片的受力不均，因此力矩对法兰密封的危害远远大于应力，所以对于高温高压管道进行应力计算的同时，一定要校核法兰泄漏情况。只有力和力矩均符合规范的管道才可靠。

5.3 冷紧在一定情况下也能减小泄漏

冷紧减小泄漏实际上就是减小热态时法兰所受的力或力矩来实现的。

现举一例说明:两台并列布置的换热器，操作温度350℃，且由于空间的限制，管道不能进行柔性设计，两法兰间管道只能采用直连的连接方式(如图2)，这种连接在实际热工况下法兰会受很大弯矩，这时冷紧水平管线ab(一般根据ab管道热涨量的0.5倍进行冷紧)，在管线受热膨胀时，冷紧量抵消部分管线热涨量，减小因热涨引起的法兰力矩，对防止泄漏起到一定作用。

图2 并列布置的换热器直连管道冷紧

5.4 消防环可以有效控制高压法兰的升温

某加氢裂化装置的反应器管道因降温太快，导致法兰泄漏，发生反应框架被烧事件，因此，对于高压厚壁法兰控制温升非常重要。采用消防环在开工升温阶段对法兰进行喷射蒸汽保护，可以防止法兰内外温差过大，控制法兰升温，有效防止瞬态温度场引起法兰泄漏。

管道设计不当留下泄漏隐患的实例很多，受篇幅限制，这里不再列举。总之，要尽可能地减小法兰所受力和力矩。

6 结束语

综上所述，在压力管道法兰连接时，其连接点的泄漏性不仅与螺栓的预紧力，垫片的材料及结构尺寸、密封面状态有关，同时也与介质的性质、压力、温度等操作因素密切相关，它们之间互相制约和影响，不能仅仅考虑某一方面因素。在实际工程应用中，造成泄漏的因素更加复杂，因此，管道设计专业在对法兰及其紧固件进行理论的计算和特性分析后，同时将这些泄漏因素考虑在内，有目的地对螺栓、垫片进行设计和选择，通过优化设计方案使泄漏的可能性降至最低，将会有效地避免在工程应用中法兰的泄漏问题。

［1］ 张德姜．石油化工装置工艺管道安装设计手册［M］．北京:中国石化出版社，2004．

［2］ 龚志钰，李章政．材料力学［M］．北京:科学出版社．1999．

［3］ 唐永进．压力管道应力分析［M］．北京:中国石化出版社，2003．

Tentative Analysis on Seal and Emission of Flange in Pressure Conduit

Jiao Lei
(SINOPEC Luoyang Petrochemical Engineering Company，471003)

The sealing principle and emission causes of flange were analyzed;the corresponding changes of flanges，gaskets and bolts on changes of pressure and temperature were discussed;and the general rules of seal and emission were expounded qualitatively．The transient temperature distribution of flange and transient changes of gasket stress，bolts stress and spring － back amount of gaskets at change of temperature were analyzed emphatically．The types and characteristics of gaskets，the core elements for flange seal were simply introduced，and problems deserving attention in design of pipes to prevent leakage were introduced with examples．

flange，gasket，sea，emission，pipe design

1674－1099 (2012)04－0026－05

TB42

A

2012-05-11。

焦磊，男，1978年出生，2001年毕业于天津轻工业学院化工设备与机械专业，工程师，长期从事管道设计工作，重点为高压加制氢工艺装置的管道设计。