浅析法兰密封原理

浅析法兰密封原理
摘要：本文通过对影响法兰密封因素的分析，着重论述了法兰、垫片选用及螺栓紧固要求，供机械设计、工程安装人员参考。

关键词：法兰；垫片；密封；螺栓紧固
The Analysis of Flange Sealing Principle
Wang QIWang Peng
China Nuclear Power Engineering Company ltd.
Abstract：the paper based on the analysis of factors affecting the flange seal, focuses on the choice of flange, gaskets, and bolts tightening requirement, for mechanical design, installation personnel reference.
Keywords：flange; gasket; sealing; bolt torque
一、引言
法兰连接结构是一个组合件，是由一对法兰、若干螺栓、螺母和一个垫片所组成。

法兰连接具有较好的强度和紧密性，适用范围广，被广泛应用于机械设备、工业管道间的连接。

由于连接件或被连接件的强度破坏所引起法兰密封失效是很少见的，较多的是因为密封不好而泄漏，而且随着生产周期要求越来越长、工艺操作条件越来越苛刻的形势下，法兰密封泄露问题越发明显。

因法兰泄露造成设备停运、管道无法使用的事件屡见不鲜，给企业造成经济损失，人民生活造成不便，并造成了资源上浪费。

为了有效的解决法兰密封泄漏问题，现将有关问题作一概述。

二、论文内容
1.法兰密封原理
法兰在螺栓预紧力的作用下，把处于密封面之间的垫片压紧。

施加于单位面积上的压力（压紧应力）必须达到一定的数值才能使垫片变形而被压实，密封面上由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叫垫片密封比压力，以y表示，单位为MPa，密封比压力主要决定于垫片材质。

当
设备或管道在工作状态时，介质内压形成的轴向力使螺栓被拉伸，法兰密封面沿着彼此分离的方向移动，降低了密封面与垫片之间的压紧应力。

如果垫片具有足够的回弹能力，使压缩变形的回复能补偿螺栓和密封面的变形，而使预紧密封比压值至少降到不小于某一值(这个比压值称为工作密封比压)，则法兰密封面之间能够保持良好的密封状态；反之，则密封将会失效。

因此，为了实现法兰连接处的密封，必须使密封组合件各部分的变形与操作条件下的密封条件相适应，即使密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧力。

为此，螺栓和法兰都必须具有足够大的强度和刚度，使螺栓在内压形成的轴向力作用下不发生过大的变形。

由此可见，法兰密封性能与法兰、垫片形式的选用及螺栓预紧力有着密切关系。

2.法兰选用
中、低压法兰常用密封面型式有平面、凹凸面及榫槽面三种。

（a）平面法兰（b）凹凸面法兰（c）榫槽面法兰
图2-1 中低压法兰密封面型式
2.1平面法兰
该种法兰的密封面是一光滑平面，有时也在密封面上加工两条界面为三角形的同心圆沟槽(俗称水线)。

如图2-1（a）所示。

适用于平面法兰的垫片有各种非金属平垫片、包覆垫、金属包垫、缠绕垫片（可带内、外环）。

由于结构简单、加工方便，便于防腐衬里的施工，故可在公称压力p＜2.45MPa时使用。

但这种密封面与垫片接触面积较大（特别是管道用宽面法兰），所需压紧力大，安装时垫片不宜定位。

预紧后，垫片易向两侧伸展或移动。

故如聚四氟乙烯等摩擦系数较小的垫片，不宜采用该种密封面。

另外，如使用缠绕垫片，为了重复利用垫片，密封面上不加工三角槽。

2.2凹凸面法兰
该法兰密封面由一凹面和一凸面组合而成，垫片放置在凹面内，如图2-1（b）所示。

其适用的垫片有：各种金属及非金属平垫、包覆垫、金属包垫、缠绕垫片（基本型或带内环的）、金属波形垫、金属齿形垫。

与平面法兰相比，凹凸面法兰中垫片不易被挤出，装配时便于对中，工作压
力范围比平面法兰宽，用于密封要求较严的场合。

但对于操作温度高，封口直径大的设备，使用该种密封面时，垫片仍存在被挤出的可能。

2.3榫槽面法兰
该法兰密封面由一榫槽面和一槽面配合组成，垫片置于槽内，如图2-1（c）所示。

适用垫片有：金属及非金属平垫、金属包垫、缠绕垫（基本型）等。

与凹凸面法兰一样，榫槽面法兰在槽中不会被挤出，压紧面积最小，只有平面法兰和凹凸面法兰的52～68%，且垫片受力均匀。

由于垫片与介质不直接接触，介质腐蚀影响和压力机制的渗透影响最小，可用于高压、易燃、易爆、有毒介质的密封要求严格的场合。

这种密封面垫片安装时对中性好，该密封面加工和垫片更换较为困难。

2.4其他密封面型式的法兰
除以上三种密封面型式以外，还有采用梯形槽密封面，以及配用O型环、透镜垫的特殊密封面形式。

图2-2其他法兰密封面型式
图2-2（a）为采用橡胶O型圈和金属中空O型环的密封面形式。

图2-2（b）为梯形槽密封面，可配金属八角垫和椭圆垫。

图2-3（c）为透镜垫密封结构，它用于高压管道的连接。

3.垫片选用
垫片的型式和材料应根据流体、使用工况（压力、温度）以及法兰接头的密封要求选用，法兰密封面型式和表面粗糙度应与垫片的型式和材料相适应。

3.1.石棉橡胶垫片
石棉橡胶板由石棉纤维、胶料及其它填充材料经混炼加热和辊压而成。

可分为高、中、低压、耐油、耐酸、耐碱等种类，但这种材料密封性能并不高（其密封性通常在1×10-2～1 x 10-3Cm3N／S左右）。

这种垫片的橡胶等组份容易受温度和介质（如溶剂）的作用而损坏，在使用时很容易发生应力松弛现象；石棉是一种纤维物质，在垫片中存在微小间隙，从而形成“毛细管现象”渗漏，影响了它的密封性能和寿命。

一般只应用于温度、压力不高的非重要设备场合。

3.2.聚四氟乙烯垫片
聚四氟乙烯垫片耐酸，碱，溶剂等各种化学介质的腐蚀，而且具有洁净不污染等特点。

但这种材料最大缺点是其冷流性能和热蠕变性，即使在常温下，也会随着时间的推移其接触应力会减少，容易产生应力松弛，从而影响垫片的密封寿命。

故其使用压力一般不大于4.0MPa，使用温度一般不超过150℃。

其密封面型式宜采用全平面、凹面、凸面或榫面、槽面。

3.3.缠绕式垫片
缠绕式垫片具有较好的弹性、强度高、不易损坏，适用于温度和压力波动以及有冲击和有振动载荷的法兰连接中。

缠绕式垫片分基本型和带内、外定位环型，由于非金属带夹在金属带之间，工作时又夹紧在两个法兰密封面之间，即使在高温下脱水成粉末状，仍然可以有效地工作。

膨胀石墨缠绕式垫片具有良好的密封性能，能适应高温高压参数的要求，回弹性较好，在温度和压力变化的场合仍能保持较好的密封性（其密封性能指标通常可达1 x 10-4Cm3N／S），可用于压力6.4MPa、温度500℃以下的水、气、蒸汽、油等介质条件下，若使用铬镍合金材料做外壳，使用温度可达600～700℃。

3.4.其他垫片形式
除以上三种常用的垫片形式以外，在设备组装、管道工程中还经常使用到金属包垫、波齿复合垫、金属垫片。

4.螺栓紧固要求
根据法兰、垫片形式及其性能要求，选择较高强度等级的螺栓，确保法兰连接的稳定可靠。

法兰连接的关键是保证密封不泄露，要保证密封的可靠性，必须预先对密封垫片施加一个合适的预紧力，使得密封垫片产生弹性变形，以达到密封的效果。

螺栓的预紧力，必须根据法兰垫片型号、类型来确定，若从螺栓强度来确定预紧力，会造成密封垫片因压紧力过大而失去弹性，无法实现密封的目的。

螺栓紧固的方法有三种，分别是扭矩法、旋转角度法、屈服点法。

法兰连接螺栓紧固最常用的方法是扭矩法，根据法兰垫片型号，选择合适的力矩值，按照“十字交叉法”分30%、60%、100%三次对螺栓进行紧固。

三、结论
总之，解决法兰密封泄露是一个比较复杂的问题，只要我们加强管理和提高技术水平，根据设备的工作要求，合理选用法兰、垫片的形式，按照正确的力矩紧固方法紧固螺栓，就能使法兰密封泄露问题得到更加合理的解决。

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王琪，男，1979年12月出生，山东济宁人，山东大学热能动力工程专业毕业，工学学士，工程师。

多年来一直从事火电厂、核电站的安装管理工作，现为中广核工程有限公司红沿河项目常规岛及BOP安装队辅机、管道主管工程师。

王鹏，男，1975年12月出生，河北唐山人，1998年华北电力大学热能动力工程专业毕业，工学学士，工程师。

多年来一直从事电厂生产管理工作，现为中广核工程有限公司常规岛调试给水系统主管工程师。