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          法兰的密封与泄漏


           石油化工装置中,法兰连接是管道、管件、阀门、仪表、设备等自身和相互实现连接的最常见、最重要的连接形式之一。连接法兰主要依靠其连接螺栓产生的压紧力,通过法兰垫片达到足够的工作密封比压来阻止管道内介质外漏,实现密封。这种连接虽具有拆卸方便且不用动火等特点,但因其本身的结构特点,处理不当就会造成泄漏,不仅会造成资源浪费,而且还污染环境,甚至造成人员伤亡及财产损失。因此,探讨管法兰的泄漏对于设计工作具有较好的现实意义。

            1.法兰的密封与泄漏
            法兰的密封原理。
            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来实现的。其中垫片是实现密封的核心部件。
            1.1密封机理
            通过螺栓的预紧力,是垫片和法兰密封面之间产生足够的压力,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Y。当管系达到操作压力时,在内压的轴向作用力的作用下,两片法兰呈现分开的趋势,螺栓将产生弹性或塑性变形,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减小到某一临界值时,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,当有效紧固力小到某一临界值以下时,就会发生泄漏,甚至能使垫片错位。因此,垫片的有效紧固力必须大于管系的操作压力,垫片的有效紧固力与管系的工作压力的比值称为垫片系数m。两片法兰密封面之间的距离,在操作状态要比初始状态大,这时候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作用的;而在操作状态下法兰的密封,垫片内部的弹性回复起主导作用。

             2.受内压管道法兰热瞬态密封分析
            高温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,温度引起的变形式影响密封的主要因素之一。
            2.1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。
            2.2温度引起的法兰变形
            升温初期,法兰接管受热升温比法兰环快得多,两者热胀量相差较大,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。
            当法兰温度达到稳定时,法兰与接管的温度差最小,转角也趋于减少,但法兰和螺栓的轴向和径向的线胀量却增加了。
            2.3升温引起的变形和压力变化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,螺栓温度升温滞后,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,系统升温升压的过程中,垫片的应力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,导致垫片外测被进一步压缩,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。
            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,失去较大的回弹能力,同时使法兰产生较大的变形而降到了密封能力。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度;瞬间降温幅度多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而造成泄漏,控制降温幅度也是必要的。

             3.分析泄漏的方法
            法兰的泄漏是绝对的,不漏是相对的。要求法兰密封达到绝对不漏是不可能的。我们应该做到的是按生产过程的重要性、危险性以及安全和经济的要求来确定相应的零泄漏标准。一般工业的零泄漏的界限是:1.6×10-3cm3/s的体积泄漏率。
            管道连接法兰泄漏的主要原因通常有以下几个方面:
            (1)由于密封垫片压紧力不足,安装密封垫出现偏装,螺栓松紧不一,两法兰中心线偏移,导致管道压力提升后发生泄漏。
              (2)管道工艺设计不合理,减震措施不到位或外界因素造成管道震动,致使螺栓松动,造成泄漏。
            (3)管道变形或因沉降原因,法兰部位受力不均等造成泄漏。
            (4)管道热胀冷缩等原因造成连接螺栓的伸长及变形,在季节交替时出现泄漏。
            (5)密封垫片长期使用,产生塑性变形、回弹力下降以及垫片材料老化等造成泄漏。
            (6)由于垫片和法兰质量问题造成泄漏。
            分析法兰的泄漏的原因一般有两种途径:第一种是垫片本身的渗透作用;第二种是垫片与法兰密封面间间隙的泄漏。由于新型密封材料的不断出现,第一种泄漏已不存在问题。日常发生的绝大多数泄漏都是第二种泄漏。下面就第二种泄漏来作一下分析。
            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规定的指标泄漏率;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为不泄漏或紧密的,反之,则会泄漏,或者说是不紧密的。
            对法兰的紧密性分析可以从两方面着手。一是泄漏率的预测:已知螺栓的预紧荷载和操作压力,分析法兰连接结构是否满足规定的指标泄漏率的要求;二是泄漏率的控制:在给定的工况条件下,使法兰连接达到某一指标泄漏率时所需的螺栓预紧力是多大。
            4.改善密封元件对泄漏的影响
            4.1法兰
            法兰在工作中受力状况很复杂,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来讲是没有问题的,但这些变形可能会导致法兰泄漏。因此,在法兰设计时不仅满足其强度要求,还要满足法兰不泄漏所要求的最小变形,即法兰应按刚度理论进行设计。
             4.2螺栓
            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,这种方法达到一定程度后无效。
            安装顺序不当也会产生泄漏,正确的螺栓禁固顺序(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。
            4.3垫片
            提高密封效果,减少泄漏的最有效地手段还是更新核心元件——垫片,现有垫片的材质和结构各种各样,只要结合实际情况正确选用,基本上都能满足要求。当然,随着科学技术的发展,作为垫片的新材料不断涌现,结构更为完善的垫片不断出现,对密封机理的研究不断深入,密封技术也定会不断提高。

            5.管道专业应注意的泄漏问题
            5.1法兰等级的确定应充分考虑对法兰密封的影响
            确定法兰等级除考虑满足操作条件下的强度条件外,还要考虑自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,此时应提高法兰等级。
            5.2尽量减少作用于法兰上的力和力矩
            使法兰分开的作用力必然减小垫片和法兰间的残余压紧力,当这个力过大,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,垫片某一部分的有效压紧力比无力矩时的大,而另外某一部分的有效压紧力比无力矩作用时小,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。
            5.3冷紧在一定的情况下也能减少泄漏
            冷紧就是在管道安装施工时,通过外作用力使得管系中的某个局部产生塑性变形,而在操作工况下,管系受热膨胀,则产生反方向的内应力,从而达到降低管系的受力和力矩。冷紧减小泄漏实际上就是减小热态时法兰所受的力和力矩来实现的。
            6.结束语
            管道走向的布置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,尽可能地减小法兰所受的力和力矩,特别是当法兰的操作压力接近于该法兰在该操作温度下允许的最大无冲击压力时,应当特别注意。

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