垫片的密封应力

1螺栓法兰接头安全密封技术（四）——垫片密封应力——摘要：在法兰接头设计或选用中，垫片虽然成本相对较低，但在保证连接密封性能、控制泄漏要求方面起着重要的作用。人们往往容易将泄漏的原因集中在垫片上，当然有垫片本身的原因，但更多的是法兰连接系统的设计或选用中存在的许多问题，最后通过垫片密封应力的降低表现了出来。在法兰接头安装过程以及后续的各种使用过程中，垫片密封应力的大小和变化受到众多因素的影响。当垫片的密封应力降低到低于设计要求的基准值时，其结果是导致法兰连接的密封失效、发生泄漏。本文分析了引起垫片密封应力降低的影响因素及其原因，介绍了估算方法，提出要减小弥补这样的影响，维持法兰接头的密封状态，初始安装螺栓载荷应足够大。同时螺栓也要有足够的强度，能承受相应的拉伸载荷及其可能的增加量。前言螺栓连接法兰接头的强度和密封性能对于承压设备/装置以及管道系统的正常、安全运行非常重要。法兰连接强度的保证，在承压设备行业（包括锅炉、压力容器、压力管道）长期以来都非常重视，当然这很重要，但对于其密封性能的保证或评估国内却较少有研究。螺栓垫片法兰连接的泄漏途径，一个是通过垫片内部的渗透泄漏，另一个是通过垫片与法兰密封面之间的间隙的界面泄漏，界面泄漏是最难对付的。通常，我们考虑通过选用不同材料和类型垫片用于不同的设计工况条件以及在垫片表面途密封剂量等方法，达到减少/控制泄漏的目的。要控制法兰接头的泄漏，仅仅通过采用各种措施消除垫片与法兰密封面之间的间隙/泄漏通道是远远不够的，最重要的是无论在安装阶段、还是各种使用过程中，当螺栓/垫片有蠕变松弛产生、当有介质压力等外载荷/温度等作用下，垫片与法兰密封面上必须始终保持/维持有足够的压缩应力，本文称之为“垫片密封应力”。所以，法兰接头的强度和密封需要通过螺栓提供足够的夹紧力和垫片密封应力，来承受介质压力或各种外载荷，保证垫片的密封应力在安装以及随后的各种工况条件下都维持在设计要求的基准值以上，才能获得有效的密封、控制泄漏。在法兰接头设计选用中，虽然垫片的成本相对较低，但垫片是个核心的问题，在保证连接密封性能、控制泄漏达到设计要求中起重要的作用。由于螺栓连接法兰接头的强度和密封性能受到诸多因素的影响，其复杂的力学和变形关系，涉及到一个专题领域，要消除/控制法兰接头的泄漏是困难的。为了保证安全使用、控制泄漏，垫片必须正确选用设计、保证质量、正确地安装，在任何工况条件下法兰密封面和垫片接触表面之间应具有足够的压紧应力。所以，垫片的密封应力（=总的螺栓载荷力/垫片的压缩面积）是法兰接头密封设计/选用的关键性能参数。1、垫片的蠕变松弛非金属垫片中，包括半金属垫片用填充材料或覆盖层，经常使用合成橡胶、PTFE等各种弹性材料。这类材料的特点之一，是具有不同程度的蠕变松弛特性，它与温度、时间、初始应力水平、密封材料厚度等多种因素有关。2对于法兰接头，经常遇到垫片的蠕变松弛问题。当安装/预紧达到密封设计要求的垫片，随着时间的推移，由于垫片的蠕变松弛行为，垫片密封面的压缩应力会降低/减少，并影响法兰接头的刚度。当应力值下降到某一临界值以下时，即出现连接的密封失效或泄漏。尤其在高温下长期使用，对垫片密封应力降低的影响更加明显（表1，缠绕垫片的常温和高温蠕便松弛性能数据）○7。很多垫片都在一定温度下使用，但关于垫片的高温蠕变松弛性能的数据却不多。应该说蠕变并不只是高温的现象，在低温下也会产生。但由于温度低蠕变现象不明显，不容易察觉，但几乎所有的垫片多多少少有发生。不同材料和结构类型的垫片，蠕变松弛程度不同，。表2为几种垫片的常温蠕变松弛性能⑦。表1常温和高温蠕变松弛垫片蠕变松弛率，%室温650℃表2垫片的蠕变松弛率垫片室温蠕变松弛率，%压缩石棉16～30压缩芳纶纤维18～25柔性石墨＜5纯PTFE10～55填充PFTE30垫片的蠕变松弛行为是影响螺栓法兰接头发生密封的主要原因之一。用户经常碰到，使用PTFE材料为主的垫片需在法兰接头安装24小时后进行再拧紧的操作，以弥补由于垫片蠕变松弛引起的垫片压缩应力降低以及由此引起的螺栓紧固载荷的减少。在非金属垫片中，橡胶类垫片安装后由于蠕变松弛引起垫片压缩应力的降低较大，石墨材料垫片相对较小，但垫片的蠕变松弛程度与配合的法兰密封面结构有关，即垫片的变形是否有约束。图1为氟橡胶（Viton○R）垫片产品的实测应力松弛曲线，图2为柔性石墨垫片的实测应力松弛曲线⑨。图3为增强柔性石墨板和具有石墨覆盖层波纹板的长期蠕变松弛性能①（实验），由图可见，1天后垫片的应力降低约为23%～59%。(a)有约束，垫片初始应力10500psi(b)无约束图1氟橡胶（Viton○R）垫片应力松弛曲线（硬度75）3图2柔性石墨垫片应力松弛（无约束）注：垫片A，增强柔性石墨板（316不锈钢钢板0.05mm，两侧石墨层厚0.79mm）垫片B，具有石墨覆盖层的波纹板（不锈钢波纹板0.76mm，两侧石墨层厚0.79mm，节距3.2mm）垫片C，具有石墨覆盖层的波纹板（不锈钢波纹板0.61mm，两侧石墨层厚0.79mm，节距3.55mm）图3垫片的蠕变松弛性能EN1591法兰计算方法中，垫片蠕变松弛对于使用工况条件下垫片压缩应力的影响，用参数PQR表示。PQR为垫片密封面的剩余压缩应力（使用条件）与初始压缩应力（安装状态）的比值，按EN13555:2004的方法测定，是表示垫片短期松弛性能的度量参数（4小时，未考虑长期松弛影响）。表3为EN1591-2：2008中给出的PQR。表3PQR温度，℃PQR非石棉纤维增强柔性石墨（冲齿板）带内外环缠绕垫室温1.0～0.981.01.001750.9～0.82000.812500.9～0.7743001.0～0.780.944001.04500.620.93上述数据都是在一定时间内垫片试验的结果。试验结果与实际使用存在有多大差别，以及垫片的蠕变松弛其对于垫片密封应力影响程度的确定的工程实用方法还有待进一步研究。此外，由于垫片的非线性应力-变形（粘弹塑性），经历一次加载和卸载，垫片的密封应力增加和减小，即使螺栓夹紧力回到原来的水平，垫片的密封应力降低。在垫片设计或选用计算时，考虑垫片的蠕变松弛对于法兰接头密封性能的影响，通常可以设定比较高的螺栓载荷、选用抗松弛性能好的或者新的高性能材料垫片、再拧紧（热拧紧）等措施，以减小垫片蠕变松弛的影响。2、法兰或螺栓的蠕变/松弛（1）温度由于法兰或螺栓的蠕变松弛，会影响实际作用于垫片密封面的螺栓载荷大小。但与垫片相比，螺栓和法兰蠕变松弛的影响相对较小。但具体影响有多大、程度如何，目前也没有可以使用的规范方法计算确定。在EN1591(EN13445-3附录G）中法兰接头的计算，也没有考虑到螺栓和法兰蠕变松弛对于法兰接头密封性能的影响。究其原因可能是很少有螺栓选用设计用于其蠕变温度范围的应用实例。图4为温度对螺栓材料的应力松弛的影响。除了常温使用工况条件以外，法兰和螺栓之间存在有一定的温差，不同的热膨胀量会引起法兰接头中力/变形平衡的变化，从而引起垫片密封应力的变化。必要时应考虑取一定的安全裕量，或进行使用条件下蠕变松弛的评估，来确定使用条件下垫片的实际压缩载荷。通常，对于法兰和螺栓选用膨胀系数相近的材料，并正确安装的法兰连接，一般认为可以在260℃以下正常使用○11。实际使用经验也表明①，静态或动态温度对于法兰接头密封性能的影响，大致相当于10%屈服强度的螺栓载荷的减少。图4B7/B16/B8M螺栓蠕变松弛曲线（2）螺栓的短期应力松弛螺栓的短期应力松弛会导致实际作用于垫片密封面载荷的减小。不同于温度引起的材料的蠕变松弛行为，螺栓法兰接头在初始安装后，每个螺栓的预紧载荷/法兰接头夹紧力或多或少会有减少。不考虑安装过程程序、方法等原因，也排除安装5螺栓载荷超过材料屈服极限引起蠕变，主要原因是由于局部塑性变形，如螺母承压面与法兰背面之间、螺栓和螺母配合螺纹之间（螺母的第一个螺纹，螺纹配合面不平等）。所以，大部分螺栓的短期应力松弛发生在安装拧紧后几秒钟或几分钟，在随后相当长时间内保持在一个较低的水平。见图5所示。螺栓短期应力松弛的大小和程度很难计算预测，大多数情况需通过实验大致确定。按照NASa(1998)⑦提出的数据，由于螺栓的短期应力松弛，螺栓预紧载荷的损失大约在2%-10%。一般，可以通过多次拧紧来减少其对垫片密封应力降低的影响。对于螺栓来说，除了材料的蠕变松弛，其他任何导致安装螺栓载荷降低的因素，都将影响到垫片密封应力的变化。通常考虑选用合适的螺栓材料，消除/减小螺栓蠕变松弛的影响。图5法兰接头安装拧紧后螺栓的短期松弛图6法兰接头的转角变形3、法兰转角实际上法兰非完全刚性，安装时在螺栓预紧载荷作用下产生偏转，如图6所示。垫片内径处（图6中B点）部分或全部卸载，垫片密封应力沿径向不均匀分布，垫片外径处（图6中A点）应力高于内径处的应力。当有介质内压以及管道系统外载荷（外力、外弯距、温差等）作用时，将引起法兰转角变形的进一步增加。同时，螺栓拧紧力降低。此外，也就是说，法兰接头安装拧紧螺栓后，螺栓发生一定的拉伸变形。在使用工况条件下，法兰的进一步偏转的影响，使螺栓伸长变形减少，拧紧载荷降低，导致垫片密封应力减小，从而对法兰接头密封产生不利的倾向。这也可以用来解释在实际工程应用中，安装时施加了很高的预紧力的法兰接头，使用中螺栓并没有破坏。研究发现，法兰转角变形过大，容易引起法兰接头的密封失效，引起泄漏。垫片接触面密封应力的这种变化，大尺寸法兰接头比较小尺寸法兰接头要大。图7所示为采用缠绕垫的带颈对焊法兰接头的FEA计算结果③。分析表明，大直径法兰接头由于转角变形大，垫片密封面的应力分布不均匀程度更大。即，随着法兰直径的增加，法兰的转角变形对于法兰接头密封性能的影响增加。大尺寸法兰的刚度比尺寸法兰的刚度小，更加容易产生转角变形比如，大直径奥氏体不锈钢法兰（刚度小），容易偏转变形过大引起泄漏。在ASMEBPVVIII-2附录2中，对法兰安装时的转角变形有一个限制（法兰刚度）。在EN1591(EN13445-3附录G）中，有安装和使用条件下法兰转角的计算，但计算方法复杂，也没有提出限制要求。6图7：垫片密封应力的径向分布注：r0：垫片内半径，σ0：垫片内径处密封应力。4、介质内压、外载荷法兰接头安装预紧后，法兰、垫片、紧固件达到一个静态力/变形平衡状态。垫片上压缩载荷FG=螺栓预紧载荷Fb，图8（a）所示。在法兰接头设计或选用时，经常是仅考虑介质内压P的作用，其在法兰接头上产生一个轴向作用力W=1/4ЛD2P。如将由此产生的垫片压缩载荷的变化设为ΔFG，每个螺栓的拉伸载荷的变化为Δfb，则法兰接头达到新的力/变形平衡后垫片上的剩余压缩载荷为=Fb-ΔFG(卸载)。图8（b）如果把螺栓载荷的变化Δfb与内压P引起的轴向载荷W/N的比值定义为载荷系数Φg（Φg=Δfb/（W/N）），可以看到，当Φg为正值，螺栓载荷增加，当Φg为负值时，螺栓载荷将降低。实际使用工况条件下，除介质内压力以外，管道系统中还可能有外载荷（外力、外弯距、温度、压力脉动等）的作用，也有使法兰接头分离的趋势，从而引起垫片接触面实际压缩应力的降低，以及螺栓拉伸载荷的增加或减少，影响法兰连接的密封性能。因此，要弥补这样的影响，维持法兰接头的密封状态，初始安装螺栓载荷应足够大。同时螺栓也要有足够的强度，能承受相应的拉伸载荷及其可能的增加量。所以，当有介质内压或管道系统外载荷等作用时，法兰接头安装时形成的初始力/变形平衡状态将发生改变，也就是说从安装到后续的各个使用工况条件下，螺栓载荷和垫片密封面实际的压缩应力水平都会有变化，变化数值的大小与安装时螺栓预紧载荷的大小有关，这点很重要。7（a）安装（b）使用图8法兰-垫片-螺栓接头作用力垫片密封应力的变化，在法兰接头密封性能评估中占有重要的位置。这可以用一个简化的示意图来表示法兰接头中各组成元件之间力和变形的关系及其变化，称之为法兰接头载荷平衡图或密封图。法兰接头密封图经常应用于法兰接头的设计选用，可以直观地说明由于外载荷的作用引起法兰接头