采用垫片安全系数的高压法兰螺栓密封设计

　　为了防治高压大直径法兰螺栓密封的设计失效，从影响法兰密封效果的因素中提出垫片特性及垫片受力非均匀性2 个参数；以垫片系数和垫片预紧比压为基础，分析特性比和特性系数这2 个反映垫片组合特性的新概念；提出以垫片安全系数表征垫片的结构形式和材料性能在不同计算压力下的安全储备。绘制了典型的安全系数曲线，安全系数随着计算压力的增大而降低，且曲线下降中存在单个拐点；垫片适用压力大于拐点压力，小于垫片安全系数等于1 时的计算压力。应用各种垫片在不同安全系数下相应的计算压力适用值进行密封设计，能够确保密封结构设计的有效性。

　　法兰螺栓强制压紧垫片密封是一种在石油化工装备中使用量大面广的密封形式( 如图1 所示) 。随着设备大型化和工况复杂化，工程中出现了大量因垫片原因导致的设备法兰密封失效现象。文献基于不同工况下的许用可靠度对内压容器垫片密封的螺栓静强度安全系数进行了分析，但是没涉及到垫片的安全系数；文献只对波齿复合垫片金属骨架结构参数进行了可靠性分析，其结果对其他垫片结构没有适用性；文献分别从面上对高压法兰螺栓密封失效的设计因素和制造因素进行了分析，没有深入分析垫片的问题；文献分别对复合石墨波齿金属垫的质量问题及其技术对策进行了研究；文献认为，垫片系数m 值和垫片预紧比压y 值这2个参数数值普遍非常低，由此计算的螺栓载荷是设计载荷，而实际施加的载荷通常是设计值的2 ～3 倍以上，在一定程度上补偿了设计的不足。文献指出Waters 法设计法兰存在的问题，但没有涉及密封系统中的垫片设计问题。

　　目前，绝大多数厂家仅凭经验设计生产垫片，缺乏科学的理论依据，致使垫片性能差异很大，产品安全可靠性得不到保证。在承压设备防治失效的长期实践中，机械设计引入了一系列的安全系数概念，但把垫片设计作为主体应用安全系数尚是一个空白，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为关于垫片安全系数的研究具有重要工程意义。

图1 法兰强制密封图

1、垫片密封效果的影响因素

　　1.1、垫片产品偏差

　　垫片直径、圆度、宽度、厚度都会出现结构偏差。随着石油化工装置规模化发展，设备法兰及其垫片也采用大直径设计。对于石油化工装置常用的石墨波齿复合垫，工程应用的垫片直径扩大化、垫片标准条文粗略空洞增加了垫片产品问题的复杂性。实际上，大直径垫片会造成材料的周向接头增多，引起接头与母材的材料性能差异以及开裂的可能，且尺寸加工精度很难保证。由于垫片制造质量问题，垫片系数或预紧比压的实际值不一定满足产品设计标准推荐值。

　　1.2、垫片安装偏差

　　垫片结构偏差会影响到垫片安装效果，垫片安装偏差可以进一步揭示垫片结构超差的后果。密封结构通常规则是垫片内径要比法兰内径大一点，它的余量只要垫片在受压或受介质溶胀延伸时不会堵截法兰内径。而垫片外径要比法兰密封面止口直径小一点，以便垫片能容易地装入凹面法兰止口内，但间隙不能太大，否则既增大法兰螺柱的应力水平，也使垫片安装过程中很难对中。

　　一般地，公称直径2 000 mm 以上的换热器管箱法兰的凹面止口直径与垫片外径之间的单侧径向间隙基本值达到5. 5 mm，占常用垫片宽度N = 20 mm 的27.5%，占垫片有效密封宽度b = 2.53，b0 =2.53，0. 5N = 8 mm 的68.8%。如安装不当，将严重削弱垫片的有效密封宽度。因此，该间隙宜结合垫片尺寸偏差一起考虑，应控制为2 mm。

　　传统安装垫片的方法，是在一侧密封面上周向几个点涂上少量润滑脂，压上垫片，利用常温下润滑脂的黏性把垫片黏住，再把另一侧密封面盖到垫片上，然后通过螺栓紧固密封面。对于卧式换热器垂直密封面的安装，大尺寸垫片自重较黏力大，垫片存在下坠偏移的问题； 对于大尺寸水平密封面的垫片安装，后面盖上的密封面不完全与前面的密封面平行，或者每一件螺栓的上紧力不均匀，都会使垫片受到水平方向的挤压产生偏移问题。如图2 所示，当垫片中心O1沿xx 轴向左偏移( b1 - b2) 后，垫片基本密封宽度也从b1减少为b2，其有效密封宽度也相应减少。

图2 垫片的安装偏差

　　1.3、垫片特性偏差

　　垫片的预紧比压y 是作用到垫片上的单位压紧力，是使垫片在弹性极限内变形且足以将法兰密封面上微观的不平度填补严密不致产生泄漏的最小数值。不同的垫片具有不同的y 值。当承压设备升压达到工作压力时，内压趋于将法兰分开，作用在垫片上的紧固压力减少。当垫片有效截面上的紧固压力减少至某一临界值时，仍能保持密封，这时在垫片上剩余紧固力即为有效压紧力。当紧固压力小至临界值以下时就会发生泄漏，甚至将垫片吹掉。因此垫片的有效压紧力必须超过承压设备工作压力的m 倍。通常称m 为垫片系数或剩余比压系数。

　　实际上垫片的有效压紧力是不能用简单的理论计算公式求得的。因此ASME 根据经验于1943 年提出各种垫片的m 值和y 值。文献认为，这2 个参数只是一种形式上简单虚拟的垫片性能参数，原因是它们与内压、温度及密封介质等直接关系泄漏的因素没有关系，不能实质性反映垫片的性能，也无助于垫片制造厂和用户来对垫片性能进行有效评价。

　　此外，对于换热器管箱法兰，管箱内分开管程的隔板条及管箱的进出口接管对法兰受力不均匀性存在一定的影响，管板的变形相当于存在预偏转角，也对配对法兰的密封产生影响，对此的研究和认识也尚待深入。

3、结论

　　(1) 相对于垫片系数与垫片预紧比压，提出了特性比y /m 和组合特性系数y /( 2m) 两个新概念，反映垫片的组合特性。

　　(2) 提出垫片安全系数的概念，用于综合表征垫片的结构形式和材料性能在不同计算压力下的安全储备。典型的安全系数曲线表明，安全系数随着适用压力的增大而降低，下降中存在单个拐点。随着计算压力的增大，安全系数减速放缓，数值趋近于1。

　　(3) 根据垫片安全系数曲线，可取得各种垫片在某一安全系数下相应的计算压力适用值，适用计算压力具有一个区间范围。一般地说，适用计算压力的下限是拐点压力，上限是安全系数等于1 时的计算压力。