服务热线：椭圆形封头用法兰及组件的密封设计
2016年10月21日
沧州五森管道有限公司
1、几个基本概念
a、密封副：通常将由法兰、螺栓、垫片三者共同组成的连接密封结构叫做密封副。它是一个静不定结构，其中，垫片是借助于螺栓的预紧载荷通过法兰压紧垫片，使垫片发生弹塑性变形，填充法兰密封面与垫片间的微观几何间隙，增加介质的流动阻力，阻止或减少介质的泄漏，从而达到密封的目的；
b、垫片的预紧密封比压（y）：指形成初始密封条件时，必须施加在垫片单位面积上的 小压紧力；
c、工作密封比压（σE）：指在操作条件下发生临界泄漏时，单位密封面上所具有的密封压紧力；
d、垫片系数（m）：指工作密封比压σE与介质操作压力P的比值。
目前，椭圆形封头用法兰密封副的设计，大多数是借助于垫片的预紧比压（y）和垫片系数（m）来进行的，认为只要保证法兰连接预紧时的单位压紧压力大于y值，操作时垫片上的残余单位压紧压力（即工作密封比压）大于m倍的介质压力，即可保证法兰的密封。
y和m是反映垫片性能的两个重要参数，其数值与垫片的种类和材质有关，m和y的值大表明垫片达到密封时需要 大的螺栓载荷。
2、影响法兰密封副密封性能的因素
对法兰及其组成件所构成的密封副失效问题，涉及到的问题比较多。单 其影响因素来讲，下列因素都将直接影响到其密封效果：
a、螺栓预紧力
我们知道，椭圆形封头用法兰的密封主要是通过拧紧连接法兰的一组均匀分布的螺栓，使法兰压紧，并通过法兰将力传递给密封面上的垫片，使垫片发生弹塑性变形而达到密封的目的。如果螺栓的预紧力太小，达不到法兰和垫片所需要的初始密封比压及工作密封比压，密封副将泄漏。反之，如果螺栓的预紧力过大，会使垫片发生过度的塑性变形，使得在工作状态下，垫片回弹不够而泄漏，严重时会使垫片被压坏而直接发生泄漏。
b、垫片的性能
垫片是法兰密封件中的又一重要组成件，它的好坏直接影响到密封副的密封性能。评价垫片好坏的性能指标有三个，即压缩率、回弹率和应力松弛率。其中：
T1—T2
压缩率 = ————×
T1
T3—T2
回弹率 =—————×
T1—T2
Do—Df
应力松弛率 = ————×
Do
式中：T1……垫片试样在预紧载荷作用下的厚度，mm；
T2……垫片试样在总载荷作用下的厚度，mm；
T3……垫片试样在载荷减小到预紧载荷时的厚度，mm；
Do……法兰连接在加热前的螺栓伸长量，mm；
Df……法兰连接在加热冷却后的螺栓伸长量，mm。
压缩率反映垫片在压紧时的变形能力，压缩率大则表明垫片填塞法兰密封粗糙面的能力大。如果垫片的压缩性能不好，它 不能有效地填充法兰密封面的微孔间隙而保证良好的密封；回弹率反映垫片在卸载后恢复原有厚度的能力，回弹率大表明当密闭系统有压力波动时，椭圆形封头用垫片保持密封的性能好。如果垫片的回弹性能不好，它将不能在工作状态下形成足够的工作密封比压以保证密封；应力松驰率反映垫片在高温压紧状态下，其弹性变形量转变为塑性变形量的相对大小。应力松驰率愈低，则表示垫片在高温压紧状态下，弹性变形转变为塑性变形的量愈小，表明垫片在长期高温条件下，能保持较好的密封性。
事实上，由于垫片是非线弹性的，故理论上研究垫片的密封性能是比较复杂的。设计上往往是借助于垫片系数m和密封比压y来简化计算。事实证明，采用垫片系数m和密封比压y进行密封副设计是能满足工程要求的。
在选择垫片时，除了上面所提出的三个重要指标外，还要考虑椭圆形封头用垫片对介质温度、压力、腐蚀性的适应性。有关这方面的介绍见第五章第三节所述。
法兰密封面越窄，在同样的螺栓载荷作用下，垫片上所形成的密封比压越大，而且密封面越窄，法兰对垫片的压力越均匀，故密封效果越好。
在常用的法兰密封面型式中，大平面（FF）法兰的密封面 宽，故不宜用于密封要求较高或工作压力较高的场合。但由于大平面法兰加工方便，价格便宜，故在常温低压工况条件下应优先选用。凸台密封面（RF）较大平面（FF）窄，且其加工成本比凹凸面（MF）、榫槽面（TG）和环连接面（RJ）较低，垫片的拆卸 换又较MF、TG、RJ容易，故其应用 广。MF和TG密封面比RF 窄，且在结构上有防止垫片被挤出的 点，故常用在压力较高的场合。RJ密封面 窄，而且它是靠金属垫片（椭园形或八角形）与法兰的梯形槽接触而进行密封的，故其密封性能较好，常用于高压、高温、受交变载荷等苛刻工况下。
除法兰密封面的结构形式之外，密封面的加工精度也会影响到密封效果。精度越高，密封效果越好，但加工成本也越高。一般情况下，配非金属垫片的法兰密封面的加工精度可稍低些，因为非金属垫片容易发生塑性变形。
d、椭圆形封头用法兰的刚度
在法兰失效的众多实例中，由于法兰的刚度不足而使法兰失效的情况占大多数。这是因为，当法兰的刚度不足时，会发生过大的翘曲变形，使垫片的受力很不均匀，从而形成宏观泄漏孔隙。影响法兰刚度的因素较多，如法兰的厚度、螺栓力作用的力臂（即螺栓中心园直径）、法兰外径、法兰颈部的刚度等。
e、椭圆形封头操作条件
操作条件即指介质的温度、压力、物理化学性质（如粘度、腐蚀性、化学稳定性等）及管系对法兰的附加力（矩）等。
需要说明的是，上面给出的一些影响因素往往不是单一作用的，而是多种因素交互影响，从而给法兰的密封设计带来麻烦。从上面的介绍中还可以看出，法兰的密封设计同时涉及到了法兰本身、垫片和紧固件三个元件的设计，因此如何选配好法兰密封副的各元件材质、型式也是至关重要的。本书的第五章第三节将给出有关方面的选用经验。
3、椭圆形封头用垫片压紧力的计算
垫片的压紧力应不低于达到初始密封（或叫预紧状态）要求所需要的压紧力和工作状态下达到密封要求所需要的压紧力两者中的较小值。
根据初始密封比压的定义，很容易求得预紧状态下所需要的压紧力，即此时所需 小压紧力应为初始密封比压与垫片有效密封面积的乘积。见式4－3：
FG=Fa=3.14DGby……………………………………………………(4－3)
式中：FG----法兰垫片压紧力，N；
Fa----预紧状态下需要的垫片 小压紧力，N；
DG----垫片压紧力作用中心园直径，mm。确定方法见前面所述；
b----垫片有效密封宽度，mm。确定方法见前面所述；
Pc----设计压力，MPa；
y----垫片初始密封比压（也叫比压力），MPa。见附录F4-1；
根据垫片系数的定义，也可以求得操作状态下达到密封要求时所需要的压紧力，即此时所需 小压紧力应为垫片系数、设计压力与垫片有效密封面积的乘积。见式4－4：
FG=Fp=6.28DGbmpc ………………………………………………(4－4)
式中：FP----操作状态下需要的垫片 小压紧力，N；
m----垫片系数，见附录F4-1；
其它代号意义同上式。
4、椭圆形封头用螺栓载荷及螺栓总面积计算
我们知道，垫片的压紧力是靠螺栓的旋紧给予的。既然垫片的压紧力是由预紧状态和操作状态两个条件共同确定的，那么螺栓载荷也应分预紧状态和操作状态两种情况确定，并取 值。
预紧状态下需要的 小螺栓载荷Wa应为此时垫片所需的压紧力Fa，即：Wa＝Fa
操作状态下，螺栓不仅要承受压紧垫片所需的力，同时还承受使法兰趋于张开的介质压力。故此时需要的 小螺栓载荷Wp应为垫片所需的压紧力与介质设计压力之和。见式4－5：
WP=F+FP=0.785 DG2pc+6.28 DGbmpc………………………………(4－5)
仅考虑介质内压作用时，可认为每个螺栓都受拉伸载荷。根据第六章介绍的拉伸计算公式很容易求得所需要的总面积。该面积应为相应状态下螺栓载荷与螺栓材料许用应力之比，即有：
Aa=Wa/[σ]b……………………………………………………………(4－6a)
…………………………………………………………(4－6b)
需要的螺栓面积Am应取Aa、Ap中的较大值，即Am=max（Aa，Ap），实际选用的螺栓面积Ab应不小于需要的面积Am，即Ab≥Am。在工程设计中，一般先用螺栓个数除以需要的螺栓总面积Am，并对所得到的数值进行园整，然后再 近上靠到标准螺栓系列。
椭圆形封头经过上面的螺栓面积园整和上靠取值，有时实际得到的螺栓面积Ab要比需要的 小螺栓面积Am大许多，也 是说实际螺栓可产生的载荷有时要比需要的 小螺栓载荷大许多。在旋紧螺栓时，既不能使它产生的载荷刚好等于需要的 小螺栓载荷，也不能使它等于它能够产生的 载荷，螺栓设计载荷应介于二者之间。工程上，预紧状态下和操作状态下的螺栓设计载荷w可分别按式4－7a、b计算：
……………………………………………(4－7a)
………………………………………………………………… (4－7b)
式4－6和式4－7的代号解释如下：
W----预紧和操作状态下的螺栓设计载荷，N；
Wa----预紧状态下需要的 小螺栓载荷，N；
Wp----操作状态下需要的 小螺栓载荷，N；
Aa----预紧状态下需要的螺栓总截面积，取螺纹 小直径或无螺纹段 小直径的计算面积，
mm2；
Ap----操作下状态下需要的螺栓总截面积，取螺纹 小直径或无螺纹段 小直径的计算面
积，mm2；
Am----需要的螺栓总截面面积，mm2；
Ab----实际选用的螺栓总截面面积，取螺纹 小直径或无螺纹段 小直径的计算面积，
mm2；
W----螺栓设计载荷，N；
[σ]b----常温下螺栓材料的许用应力，MPa；
----设计温度下螺栓材料的许用应力，MPa；
F----介质压力引起的总轴向力。N。
FG意义同前。
5．椭圆形封头用螺栓数量的确定
为了使垫片的受力尽量均匀，螺栓的数量应为偶数，一般应为4的倍数。相邻螺栓的间距不能太大，否则将使螺栓之间的垫片压不紧而产生泄漏。相邻螺栓的间距也不能太小，否则易使法兰强度和刚度受损，并影响螺栓的安装和拆卸。一般推荐螺栓间距为：B＝（3.5~4）d，B为螺栓间距，d为螺栓公称直径。
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