浅析压力容器中法兰连接垫片密封泄漏原因

0 引言

压力容器是一种常见的生产设备，常用于各种特殊的工作环境。为了充分保证压力容器在服役过程中的安全性，往往需要对其进行定期检查，因此便于设备制造、安装和检修也一直是压力容器设计中追求的目标之一。在设计生产过程中通常会将压力容器制成几个部分，然后再连接起来，因此压力容器往往带有各种可拆卸连接[1-2]。

法兰连接是一种常用的可拆卸连接方式，其优势在于强度以及密封性能较好，拆装方便，因此被广泛应用在各种式况。但在生产实践过程中法兰难免会发生泄漏现象，一旦其发生密封失效不仅会带来经济损失，更会引发安全事故，因此对连接中的泄漏现象及其影响因素进行讨论是必不可少的。生产实践经验以及相关研究表明，垫片对法兰连接泄漏失效具有较大影响。在工业生产实践中，常用的压力容器（如换热器）发生泄漏的主要原因往往是法兰连接处的垫片失效。本文主要针对法兰连接中的垫片导致的泄漏以及垫片选用进行了讨论。

1 法兰连接中密封泄漏的主要原因

法兰连接主要由法兰、垫片以及螺栓组成（如图1 所示），通过螺栓将两片法兰连接在一起，然后拧紧螺栓，将螺栓预紧力传递给垫片，法兰将其压紧使之发生弹性或者塑性形变填充在密封面从而保证法兰装置的密封性能。

图1 法兰连接形式

1.1 垫片的泄漏形式

一般垫片的泄漏形式主要包括渗透泄漏和界面泄漏两点。

（1）渗透泄漏

渗透泄漏是指压力容器内部流体通过垫片的内部孔隙发生的泄漏现象。组织比较松散，致密性较差的非金属垫片往往较易发生渗透泄漏，这主要是因为相对比于金属材料来说，非金属材料内部纤维间存在大量的微细孔道，当垫片内外两侧存在压差时，压力容器内部的介质就会通过垫片自身的微细孔道渗透泄漏 [1]。比如生产实践过程中常用的石棉、石墨等材料所制作成的垫片或者垫圈内部组织之间的多孔孔隙较大，因此较易发生泄漏。

（2）界面泄漏

界面泄漏是指介质在接触面不同部分发生的泄漏现象，法兰连接中界面泄漏是指压力容器内部介质在垫片与法兰的接触面发生的泄漏现象，其原因主要与垫片与法兰接触面的间隙尺寸密切相关。间隙越大则发生的泄漏现象越严重，当密封垫片压紧力减小时，外界的振动、法兰表面光洁度较差、机械变形等因素都可能引起密封接触面间隙变大，从而导致泄漏。法兰连接中泄漏的主要形式就是界面泄漏[2]。

1.2 影响垫片泄漏的因素

垫片的密封机理如下 ：首先通过螺栓将法兰连接的两个部分连接在一起，然后预紧螺栓，通过法兰压紧面将力作用到垫片上，使得垫片发生弹性或者塑性变形填满法兰压紧面，达到密封的效果。法兰的密封效果与垫片的性能和螺栓预紧力息息相关[1]，同时也受到外界环境等因素的影响。影响密封的主要因素以下包括几类[3-4]。

（1）操作条件

操作条件是指与整个法兰连接系统相关的外界条件以及外界环境，比如操作压力、操作温度、介质性质等。当操作温度过高时，介质黏性会变小，渗透性增强而导致泄漏情况加剧；在高温作用下法兰、垫片和螺栓可能会产生蠕变以及应力松驰，破坏密封性能。相较于金属垫片，温度对非金属垫片的影响更大，温度过高通常会导致非金属垫片变质加速垫片老化，造成其回弹减小甚至烧毁等严重后果。

（2）螺栓预紧力

增大螺栓预紧力可以增强垫片的密封性，但当螺栓的预紧力过大时，通常会导致垫片的弹性变差甚至损坏。螺栓预紧力的大小通常与垫片的系数m 以及最小压紧力y 值相关，除此之外，不合适的螺栓拧紧顺序也会导致垫片弯曲或缠绕。

（3）设计整片系数m 和最小压紧力y 值

垫片系数m 以及最小压紧力y 值是压力容器法兰密封设计中2 个非常重要的参数[5-6]。m 和y 值的选取通常需要参照标准GB 150—2001《压力容器》。过去，行业内一直认为m 及y 值仅与垫片的材料、结构以及垫片的厚度相关，而相关研究表明， m 与y值还与法兰的密封面、垫片的宽度、操作环境、压力容器内介质特性以及压紧面的粗糙度等因素相关，而且两者之间也存在一定的内部联系。

（4）垫片类型

根据材料不同，垫片可分为非金属垫片、金属垫片以及金属-非金属组合垫片，不同材料的垫片适用于不同的操作温度以及操作压力。根据其断面形式的不同，垫片可以分为波纹形垫片、平面形垫片、锯齿形垫片、椭圆形垫片、八角形垫片，垫片断面形式需根据具体工矿以及操作条件来选择。金属-非金属组合垫片兼具金属垫片以及非金属垫片的优点，适用于较高温度和压力的场合。选用垫片时需要综合考虑各种因素，选择不合适的材料往往会造成垫片在工作过程中失效，最终导致泄漏。

（5）压紧面形式

除了以上因素，还需要考虑垫片的安装位置以及安装位置周围环境对垫片造成的影响，就是要考虑法兰连接面形式以及压紧面的粗糙度产生的影响。常用的压紧面形式主要包括突面、凹凸面、榫槽面及梯形槽面等。压紧面形式不同对垫片产生的作用也不同，例如凹凸面的垫片便于对中，不易被吹出。

（6）化学腐蚀

压力容器经常应用于各种特殊的工作环境，比如腐蚀性介质等，若垫片的材料选取不合适，当垫片或者密封表面与介质接触时，垫片就会被腐蚀，造成装置泄漏。

2 垫片的选用原则

垫片的工作环境非常复杂，选择合适的垫片参数通常需要考虑各种因素。

（1）操作参数

操作参数是指与整个法兰连接系统相关的外界条件以及外界环境，比如操作压力、操作温度、介质性质等，且这些影响因素之间也会相互影响。选用垫片时，必须综合考虑操作参数对于法兰泄漏情况的影响，比如对垫片的密封性能、操作压力、操作温度、介质性质、法兰密封面形式以及整个密封装置的经济性等的影响。其中压力容器内介质的特性、操作温度以及操作压力对法兰的密封性具有重要影响。

（2）垫片厚度

垫片厚度的选择取决于垫片的可压缩性、法兰压紧面的表面粗糙度以及垫片表面需要的比压。厚度较小的垫片宜用于密封面加工良好，压紧面平整光滑，压力不高的工况。密封压力较高时，如果压紧面表面质量较好，结构并不十分密致的非金属垫片的厚度应较小。

（3）垫片宽度

在达到一定密封要求的情况下，垫片的宽度通常会直接影响螺栓预紧力的大小。在密封压力较高的场合，为了使法兰结构紧凑，且保证垫片不会失效，一般选用较窄的垫片。在选取垫片时，垫片的宽度也应一起考虑。

（4）垫片材料

在压力容器使用过程中，垫片通常会与操作介质直接接触，因此在选择垫片材料时必须考虑介质物性、操作压力、操作温度等因素的影响。普通的橡胶垫片仅适用于压力低于1.0 MPa 和温度低于70 ℃的水、蒸汽、非矿物油类等无腐蚀性介质；当压力大于6.4 MPa ，温度高于350 ℃时，通常宜选用金属垫片或者垫圈。不同材料适用的操作环境差别较大，因此在选择垫片时不仅要考虑其经济性，更要考虑不同材料垫片的适用范围，避免造成安全事故。

（5）垫片品居中

垫片品种较为多样化，在选用垫片时应该简化垫片的选用品种和规格，避免不必要的多样化。

3 结论

导致垫片发生泄漏的因素有很多，且各种因素之间会相互影响，在选择垫片时应当综合考虑各种影响因素，同时兼顾垫片的实用性和经济性。