设备法兰用焊接密封垫片设计

随着我国石化产业的规模化、大型化发展，石化装备也朝着高参数化方向发展。石化装置中高温、高压设备的操作介质通常具有易燃、易爆、有毒特性，一旦泄漏将造成严重危害。因此，减少或避免介质泄漏是高参数化设备的设计核心。常规的法兰和密封垫片形式已经难以满足愈来愈苛刻的操作条件，而采用焊接密封元件进行密封是一种防止泄漏的有效方法[1]。

上世纪我国开始引进焊接密封垫片结构设备，经过多年运行，证明这种结构能够满足高温、高压密封要求，越来越多的化工设备上开始采用焊接密封垫片。常见焊接密封垫片结构见图1[2]。图1中DL为垫片受内压部分最大直径，dG1为垫片实际接触面最大内径，dG2为垫片实际接触面最小外径，d1为垫片内直径、d2为与法兰接触面外径、d3为受内压部分最大外径。

图1 常用焊接密封垫片结构

目前国内关于焊接密封垫片的标准只有HG/T 20530—92《钢制管法兰用焊唇密封环》[3]，而国外的标准DIN 2695—2019《Diaphragm-weld Packings and Weld Ring Seals for Flange Connections》[4]中有完整的管法兰用焊接密封垫片规格尺寸，但国内外均缺少大直径、高压力设备法兰用焊接密封垫片尺寸参考标准，亦无经验可以参考。

GB 150.3—2011《压力容器第3部分：设计》[5]第7.5.1.5条指出，垫片在预紧状态下受到最大螺栓载荷的作用，压紧过度将失去密封性能。垫片应有足够的宽度，其值可按经验确定。文中通过分析预紧状态下焊接密封垫片受力，总结出了垫片应力校核方法。通过核算DIN 2695—2019中管法兰用焊唇式垫片受力情况，确定了垫片受力合格指标，并用实际工程应用的垫片来验证合格指标的合理性。最终通过迭代计算，给出了不同公称压力、直径下设备法兰用焊唇式垫片尺寸参考值。

1 预紧状态下垫片应力计算方法

1.1 垫片应力计算公式

参考 EN 13445.3—2014《Unfired Pressure Vessels—Part 3：Design》[6]G7.3 中对垫片应力的校核方法，简化得出预紧状态下垫片应力的计算公式：

式中，σg为垫片应力，Qmax为垫片最大抗压强度，MPa[7]；Fg为垫片反作用力，N；AGt为垫片理论受压面积，mm2。

Qmax值可参考 EN 13445.3—2014第 G.9条进行选取。如果垫片制造厂家能够提供有效的垫片参数，则应采用垫片实际数据。

常用金属垫片在常温下的最大抗压强度具体数值见表1[6]。

表1 常用金属垫片常温下最大抗压强度 MPa

1.1.1 确定垫片反作用力

预紧状态下垫片受到的反作用力Fg为所有螺栓的预紧力Wp，即Fg=Wp。对于焊接密封垫片法兰而言，螺栓预紧力仅需抵消内压产生的轴向应力[8]，即：

式中，Wp为螺栓预紧力，N；p为无垫片法兰计算压力，MPa。

为保证焊接密封垫片密封焊缝在实际使用过程中不承受拉力，需要提供1个比内压轴向力略大的力[9]。按照HG/T 20582—2011《钢制化工容器强度计算规定》[10]第 11.3.1条的规定，取Fg=Wp=1.1πDL2p/4。

1.1.2 确定垫片理论受压面积

根据 EN 13445.3—2014第 G5.3.1条的规定，在满足垫片受到较大的力且法兰偏准角很小的情况下，垫片理论受压面积AGt可以按照以下公式计算：

式中，dGt为垫片理论中心圆直径，bGt为垫片理论宽度，mm。

预紧工况下垫片仅承受了较大的预紧力，法兰只受到螺栓压紧力，偏准角可以忽略不计。故有以下公式：

1.2 焊唇式密封垫片应力计算公式

焊唇式密封垫片尺寸见图1c， 其 d1=dG1、d2=dG2+10 mm、d3=DL，综合前述分析可得预紧状态下焊唇式密封垫片应力计算公式为：

2 DIN 2695—2019中焊唇式密封垫片受力分析

国内外标准规范中涉及焊唇式密封垫片的内容较少，以DIN 2695—2019中的垫片尺寸较为完整。DIN 2695—2019中Class系列及PN系列部分焊唇式密封垫片规格分别见表2和表3。

表2 DIN 2695—2019中Class系列部分焊唇式密封垫片尺寸 mm

表3 DIN 2695—2019中PN系列部分焊唇式密封垫片尺寸 mm

文中以DIN 2695—2019第4.1.3条焊唇式密封垫片为例，按表 2、表 3 选取 d1、d2、d3，计算压力取公称压力，计算得出了DIN 2695—2019中Class系列、PN系列部分焊唇式密封垫片预紧状态下的应力σg，分别见表4和表5。

表 4 DIN 2695—2019中Class系列焊唇式密封垫片应力σg MPa

3 工程应用中垫片合格指标

3.1 增加抗压强度安全系数

从表4、表5可以看出，垫片应力随着法兰公称直径、公称压力的增大而增大，但金属垫片应力控制在一定范围内，且均远小于垫片材料的最大抗压强度Qmax，仅使用式（1）来校核垫片难以符合工程实际使用现状。

表5 DIN 2695—2019中PN系列焊唇式密封垫片应力σg MPa

设备在开停车时升降温、升降压速度过快，且开停车频繁，在法兰、螺栓及壳体间的温差应力作用下，垫片受到应力的反复作用，最终在薄弱处开裂泄漏[11]。为避免密封失效带来的泄漏危害，综合考虑无垫片法兰的建造安全性和经济性，应尽量控制垫片宽度，同时保证垫片应力在合理可靠的范围内。结合表4、表5中垫片应力计算情况，参考 ASME BPVC.Ⅱ.D.M—2019《ASME Boiler&Pressure Vessel Code Section Ⅱ：Materials Part D：Properties》[12]以及 TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[13]中对抗拉强度安全系数的取值，对垫片抗压强度增加了安全系数 2.4，即：

常用焊唇式密封垫片的材料一般为不锈钢，表4、表5中数据均满足σg≤Qmax/2.4=229 MPa。按式（6）迭代计算了不同公称直径、不同公称压力下设备法兰用焊唇式密封垫片参考尺寸，见表6。

表6 不同公称直径及压力下设备法兰用焊唇式密封垫片尺寸

3.2 抗压强度安全系数验证

3.2.1 实例1

某公司渣油加氢装置中氢气/反应气相热交换器壳程侧DN1 200 mm设备法兰采用圆形空腔式焊接密封垫片，垫片材料为不锈钢锻件，p=20 MPa、dG1=1 200 mm、dG2=1 300 mm、DL=1 355 mm，按式（6）计算得出 σg=161.6 MPa＜229 MPa。

该热交换器管程侧设备法兰采用隔膜密封盘式焊接密封垫片，垫片材料为不锈钢，p=22.69 MPa、dG1=1 200 mm、dG2=1 300 mm、DL=1 300 mm，按式（6）计算得出 σg=168.7 MPa＜229 MPa。

3.2.2 实例2

某公司渣油加氢装置中进料/反应气相热交换器壳程侧DN1 500 mm设备法兰采用圆形空腔式焊接密封垫片，垫片材料为不锈钢锻件，p=20.77 MPa、dG1=1 500 mm、dG2=1 600 mm、dL=1 655 mm，按式（6）计算得出 σg=201.8 MPa＜229 MPa。

该热交换器管程侧设备法兰采用隔膜密封盘式焊接密封垫片，垫片材料为不锈钢，其p=27.02 MPa、dG1=1 500 mm、dG2=DL=1 600 mm， 按式 （6） 计算得出σg=245.8 MPa＞229 MPa。

3.2.3 实例3

某公司柴油加氢装置中反应产物/混氢油热交换器壳程侧DN1300 mm设备法兰采用焊唇式焊接垫片，垫片材料为不锈钢锻件，其p=14.4 MPa、d1=1 320 mm、d2=1 400 mm、d3=1 430 mm， 按式（6）计算得出 σg=159 MPa＜229 MPa。

该热交换器管程侧设备法兰采用隔膜密封盘式焊接密封垫片，垫片材料为不锈钢，其p=12.6 MPa、dG1=1 350 mm、dG2=1 400 mm、DL=1 400 mm，按式（6）计算得出 σg=197.6 MPa＜229 MPa。

3.2.4 验证结果

在实例1～实例3的6组垫片应力计算结果中，除1组垫片计算应力超过Qmax/2.4外，其余5组垫片计算应力均低于Qmax/2.4，且6组垫片应力均接近于Qmax/2.4。从这几组工程实际使用焊接密封垫片校核结果看，文中所确定的抗压强度安全系数较合理，能够满足实际工程使用要求。

4 设备法兰用焊唇式密封垫片尺寸

根据式（6），迭代计算得出了不同公称直径、不同公称压力下设备法兰用焊唇式密封垫片参考尺寸(表6)。垫片尺寸d3是在d2的基础上相应加大30 mm，可根据实际结构进行略微调整。

对于圆形空腔式、卵形空腔式以及隔膜密封盘式垫片，垫片宽度尺寸可参考表6，并按文中介绍的计算方法重新校核计算，其余尺寸则应根据经验或者按照文献[14]重新进行应力分析设计。

5 结语

现行国内标准中缺少对焊接金属密封垫片应力校核的规范性说明，文中引用EN 13445.3—2014中对垫片应力的校核方法，计算了国内外常用标准DIN 2695—2019中部分焊接金属密封垫片的受力，确定了垫片应力校核标准。并以此为基准，通过迭代计算给出了设备法兰用焊唇式密封垫片的规格尺寸，供压力容器设计人员选用垫片时参考。焊接密封垫片使用环境较为苛刻，且压力容器造价较为昂贵，设计者应综合考虑，慎重确定垫片尺寸。