法兰密封的有限元分析及其安装要点

李旺

(中海油惠州石化有限公司， 广东 惠州 516000)

法兰密封的有限元分析及其安装要点

李旺

(中海油惠州石化有限公司， 广东 惠州 516000)

在管道施工和化工装置安装中，法兰密封的安装质量是整个设备体系密封的保证。在法兰的安装过程中，螺栓、法兰、垫片处在一个协调变形系统中，影响因素比较复杂。笔者根据工作实践经验，运用有限元分析技术，将法兰密封安装要点归纳为“十八字要点”，即：选的对、查得细、清得净、装得正、把得匀、管得严。

法兰密封;垫片参数;有限元分析;要点

1 垫片的技术参数

为了说明本文内容，有必要对正确安装垫片有关4项主要参数进行说明：垫片密封比压力y，垫片系数m，垫片压缩率，垫片回弹率，这4个参数是由垫片本身的性能决定的。

(1)比压力 预紧应力是保证垫片操作时密封性能的重要前提，螺栓预紧力通过法兰密封面把垫片压紧，垫片表面压应力必须达到一定的数值才能使垫片变形而压实，压紧面上由于机械加工形成的微隙被填满，形成初始密封条件。所需的这个压紧应力称为垫片比压力y，可以理解为“填满微隙所需的压应力”。初始密封是通过垫片受压变形实现的，通俗说“填满间隙靠压缩量，保持填满间隙状态靠回弹量”，垫片越软越容易变形，也就越容易填满密封面的微隙。

(2)垫片系数 法兰形成初始密封条件后，在工作状态时，温度和介质内压的作用使法兰变形加大、螺栓被拉长，法兰面沿着彼此分离的方向移动，降低了压紧面与垫片之间的压紧应力，被压缩的垫片回弹对分离进行补偿。如果垫片的回弹能力能补偿法兰和螺栓的变形，使密封面压力降到不小于操作压力的m倍，则法兰压紧面之间能够保持较好的密封状态，否则会发生泄漏，m称为垫片系数。“在工作状态下，垫片密封面上保持m倍的操作压力，就能保持不泄露”是错误的理解，错误在于忽略了“形成初始密封条件后、微隙已被填满”这个前提。如垫片被“嗤开”后，填满微隙状态被破坏，垫片需要再被压缩一定的量才能填满微隙，对法兰密封极为不利。在工作状态下，垫片表面的剩余压应力必须大于m倍的操作压力，例如石棉橡胶垫的垫片系数为1.25，缠绕垫片的垫片系数为2.5～4。

(3)压缩率和回弹率 垫片的压缩率和回弹率是在试验时，按规定的程序对垫片加载、卸载，测量垫片在加载、卸载前后的厚度，再经过计算得到的。压缩率是压缩量与垫片厚度的比值，回弹率是回弹量与压缩量的比值。

式中：T1为垫片在预载荷时的厚度；T2为垫片在总载荷下的厚度；T3为垫片回弹至预载荷时的厚度。

在这里笔者提请注意，回弹率的基数是垫片的压缩量。例如缠绕垫片厚度4.5mm，压缩率为25%，回弹率为20%。68MPa时，垫片的压缩量=4.5*25%=1.125mm，但卸载后回弹量=1.125*20%=0.225mm，而不是4.5*20%=0.9mm。

2 压缩与回弹

(1)压缩回弹曲线 图1是金属缠绕垫片的压缩回弹试验曲线[1]，试验用垫片厚度为4.5mm。垫片沿压缩曲线被压缩后产生变形，形成压缩量。卸载后，垫片沿回弹曲线回弹，形成回弹量。压缩量=回弹量+永久变形。由图1可见：加载曲线成非线性关系；卸载曲线与加载曲线不同，卸载开始时曲线接近直线下降，至较低应力时曲线是非线性的，垫片有较大的回弹；在相同压缩量下，垫片应力随柔性石墨厚度的增加而减小。在相同的垫片应力下，压缩量随柔性石墨厚度的增加而增大。（见图1）

(2)压缩回弹过程 垫片压缩回弹过程如图2所示，对几种工况的压缩回弹过程作说明。

①从O压缩至A，在A点卸载至C。垫片沿OA被压缩至A，压缩量为OD，沿AC回弹至C，回弹量为DC，永久变形量为CO。②从O压缩至A，在A点卸载至C，再从C点压缩至B，在B点卸载，这个过程相当于二次紧固。垫片从C点沿CA被压缩至A，压缩量为CD，再沿AB被压缩至B，压缩量为DF，总压缩量为CF，沿BE回弹至E，回弹量为FE，永久变形为EC。③从O直接压缩至B，在B点卸载。垫片沿OB被压缩至B，压缩量为OF，沿BE回弹至E，回弹量为FE，永久变形为EO。④从O压缩至B，在B点卸载至E，再从E点压缩至B，在B点卸载至E，这个过程相当于垫片重复使用。垫片从E点沿EB被压缩至B，压缩量为EF，再沿BE回弹至E，回弹量为FE。（见图2）

3 法兰密封安装要点

笔者归纳为选得对、查得细、清得净、装得正、把得匀、管得严。选得对是在施工图设计阶段做的工作，本文不叙述。

(1)查得细 垫片、法兰、螺栓的规格型号、材质、尺寸与设计相符；垫片整体无变形、扭曲，外观合格，石墨带完好；垫片和法兰表面不得有划痕、磕痕和锈斑；对凸凹法兰检查垫片与凹法兰面的配合尺寸；不同材质、不同规格螺栓不得混用。

(2)清得净 法兰面必须清净，对使用过的法兰更应注意，焊渣、铁屑、氧化皮、沙粒、油泥、旧垫片的残留物等污物杂物一定要清除彻底。

(3)装得正 装得正包括法兰装得正和垫片装得正。法兰装得正要求配对法兰“偏盘”、“偏眼”、“张嘴”偏差在规定范围内。“偏盘”指配对法兰外缘不重合，对垫片装得正有影响，尤其对凸凹垫片不易入槽。强行安装过程中，法兰与垫片密封面有相对滑动，容易损伤垫片密封面，最终导致密封面泄露。“偏眼”指配对法兰螺栓孔不同心，影响螺栓穿过螺栓孔，有时作业人员违规使用细一等级的螺栓，检查时不易发现，所以对于“偏眼”的检查要尤为仔细认真，绝对不能让螺栓“以细代粗”。“张嘴”是指配对法兰面不平行(图3)，对密封的影响最大，强行把紧“张嘴”法兰，法兰密封上产生外力矩(图4)，垫片压应力不均匀。（见图3、图4）

垫片装得正要求垫片装在预订的位置上。对于平垫，外环距螺栓距离应均等，否则，垫片偏移使压应力不均匀；对于凸凹法兰必须保证垫片和法兰凸面入槽。

(4)把得匀 操作要点是位置对称、用力对称、逐次把紧。“把得匀”不是绝对的，对“张嘴”法兰，先把“张嘴”处螺栓派有经验的人员作业，如果外力矩过大必须重新安装法兰。

“把不匀”对法兰密封影响较大，笔者对“把不匀”和“把得匀”都进行了有限元分析，“把不匀”工况：例如PN25DN100法兰、304+柔性石墨内外环缠绕垫片、M20螺栓组成的法兰密封，图5是缺1套螺栓，其他7套80000N时法兰应力及变形图(变形比例1：5)；图6密封面压应力沿圆周分布图；图7是8套螺栓力4000N时，垫片压应力分布图。由图6、图7可以看出差距非常明显，所以在施工过程中不仅要“把得紧”，更要“把得匀”。要想“把得匀”首先要确保操作要点中“位置对称”，即法兰的位置对称和螺栓的位置对称；其次是要做到要点中的“用力对称”，“用力对称”一是考验作业人员的责任心，二是看作业人员的经验，所以法兰密封面的施工作业尽可能找责任心强的人员进行；再次就是要做到要点中的“逐次把紧”，即每条螺栓都不能一次性把紧，要做到每条螺栓均匀、少量、多次把紧，最好每条螺栓每次上紧的角度都是一样的，尤其对于高温热油介质法兰尤为重要。

(5)管得严 在法兰密封安装施工的实际工作中，普遍存在“认识不到位、操作不到位、检查不到位”的现象。其中，认为垫片安装是力气活不是技术活，导致施工过程不尽心、不尽力。平垫用凸凹垫代替，缺螺栓、用细螺栓代替粗螺栓、螺栓不把紧、顺序把螺栓，垫不入槽、凸法兰不入槽加双垫等现象时有发生。这些管理不严格、工作不严谨的现象是造成法兰密封安装施工质量低下的重要原因。

虽然法兰泄漏在试压和运行时可以紧住，但给以后生产运行留下隐患。法兰密封泄漏主要是“界面泄漏”，“填满界面间隙靠压缩量，保持填满间隙状态靠回弹量”。如果法兰发生泄漏，必须使垫片再产生一定的压缩量重新“填满间隙”，再次消耗了一部分压缩量。在本文笔者论述了垫片的压缩量是有限的，造成以后处理生产波动或应力松弛泄漏没有压缩量可用。由此可见，一定要认识到“压缩量是宝贵的”，加强对施工人员的培训和管理，树立对施工质量负责到底的观点。

4 结语

综上所述，笔者采用有限元分析技术，对影响法兰密封施工质量的因素进行详尽的分析，论证了加强施工管理与施工密封效果的因果关系，对本领域技术和管理人员有重要的提示作用。

图1 垫片压缩回弹试验曲线

图2 压缩回弹过程示意图

图3 法兰密封“张嘴”

图4 把紧“张嘴”法兰的有限元分析模型

图5 缺1根螺栓时法兰应力及变形图(变形比例1:5)

图6 缺1根螺栓时垫片压应力沿圆周分布图

图7 螺栓把匀时垫片压应力沿圆周分布图

[1]任建民.金属缠绕式垫片的预紧应力分析及实验研究[J].润滑与密封，2003,