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。
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）○。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
表2 垫片的蠕变松弛率
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○）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○）垫片应力松弛曲线（硬度75）
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P QR表示。P QR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P QR。
表3 P QR
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
