法兰的泄漏意味着生产力流失、安全隐患，和高昂的维修费用。因此防止法兰泄漏的相关技术和操作方法，就显得非常重要。
作者：Sandy Van den Broeck，德国博格曼填料集团（Burgmann Packings Group GmbH）产品管理兼战略项目总监，欧洲密封协会法兰密封垫分会成员。
美国的压力容器研究委员会（PVRC）发现，法兰接头泄漏的原因主要源于下列因素：
• 安装不合格（26%）
• 法兰损坏（25%）
• 密封垫出问题（22%）
• 螺栓松弛（15%）
• 法兰定位不准（12%）
上述列举的几项并不全面，但足以说明法兰安装人员技能培训的重要性。
选择正确的材料
针对具体应用选择正确的材料，是确保法兰使用表现良好的决定性因素。法兰组件中的所有部件，包括螺栓、密封垫和法兰本身，必须相互适配，并能承受应用场景中的各种工况。
如果螺栓的荷载不够大，原因可能有多种：初始紧固扭矩不够大；螺栓的螺纹损坏；振动导致自发松弛；或者未涂敷润滑脂（装置现场最常见的疏忽）。反过来说，如果施加的螺栓紧固扭矩过大，可能导致法兰扭曲变形，压裂密封垫，甚至使螺栓承受超出弹性极限的应力，导致永久拉伸变形。所采用的垫片类型（软材质和硬化材质）对残余荷载也有很大影响。
法兰泄漏
尽管密封垫是法兰组件中价格最低的部件，如果选型或安装欠妥，同样可能造成代价无比高昂的后果。密封垫材质如果和工艺介质不兼容、不能承受相应的压力或温度、尺寸或厚度不合适、重复使用，或者使密封垫沾染润滑脂，都可能导致其泄漏。此外，因外力导致密封垫弯曲、高温中重新紧固法兰螺栓，或者密封垫材质变脆，也都会影响其性能。
同样地，如果法兰存在问题也可能导致灾难性事故。法兰表面受损严重、翘曲、定位偏差，或者错误的材质，都有可能影响法兰接头的性能。安装前如果没有清洁法兰表面，也会增大泄漏风险。
如果计算紧固扭矩时出了差错，安装、紧固时操作不当，用错紧固工具或者工具未经校准，都有可能导致法兰接头的性能提前衰退。建议不要心存侥幸地采用廉价材料，或聘用未经妥善培训的操作人员。
监管措施和培训
在欧盟，如果涉及到关键用途承压系统的螺栓接头组件，操作人员资质的鉴定受到EN1591-4标准的管辖。在美国，ASME PCC-1附录A“压力边界栓接法兰组件装配纲要”也阐明了栓接操作人员的资质鉴定程序。通过一套顶级的法兰组件演示装置，辅之以相关的指导教程，可以帮助现场技术人员更好地理解密封垫接头性能、组件选择时需要考虑的因素，进而优化栓接法兰组件的安装技术，而且普遍适用于炼油、石油化工、发电，乃至其它各行各业。实操培训课程是在法兰试验台上进行的，其组成包括一套标准型4”150磅级8螺栓法兰接头，可通过数字显示屏实时显示各个螺栓的应力、螺栓平均应力、预紧力分布饼图，以及密封垫载荷-挠度曲线。
我们将展示在安装螺旋缠绕密封垫时，不正确的螺栓紧固程序可能造成的影响，以及不对螺栓和承载表面进行润滑的后果。
对螺柱和螺母进行润滑，会显著影响密封垫的载荷。同样地，采用钢强化垫圈，并遵循正确的紧固程序，全程按顺时针顺序进行紧固，也都有利于发挥密封垫的性能。下列试验将展示这些情况。
模拟试验1
密封垫：螺旋缠绕石墨无内环密封垫，4”150磅级 ASME B16.20，不采用钢强化垫圈，无润滑，未按照正确的规程—— 按顺时针顺序进行最大扭矩调定——紧固螺栓。
该试验采用了上述无内环螺旋缠绕密封垫，并模拟了前文所述的试验设置。
左侧的法兰展示了每个螺栓的荷载（绿色字体）。右上方的图展示了螺栓平均应力（兆帕，MPa）及压缩值（毫米），柱状图展示了螺栓载荷分布。螺纹、承载表面未经润滑，垫圈缺失，这些因素导致了螺栓载荷和密封垫压缩幅度均不足。
由于未按照正确的规程——按顺时针顺序进行最大扭矩调定——紧固螺栓，导致螺栓载荷的分布不均匀。
右上角图例是富士预刻度压敏胶片展示的密封垫压印影像。从图中观察不到密封垫压缩幅度不足或分布不均的迹象，这是因为有软质的石墨直接接触预刻度胶片。
胶片影像清楚地展示了螺旋缠绕密封垫的向内（向心）变形，也就是俗称的“屈曲变形”。当压力升高，可能导致焊接点断裂，进而使管道中的泵机、阀门损坏。带有内环的缠绕密封垫相对而言能避免向内变形，进而防止系统损坏。
模拟试验2
试验仍然采用无内环缠绕密封垫，但会采用最佳安装方法，包括对螺栓进行润滑处理，采用钢强化垫圈，以及正确的紧固程序。
按照对角交叉顺序进行了最大扭矩调定，螺栓载荷的分布仍然不均匀。这是由螺旋缠绕密封垫的特性决定的——它承受压缩载荷时会变形。操作人员经常会忘记最后一步操作，就是从第一至第八颗螺栓按顺时针方向进行最大扭矩调定，直至螺栓无法转动为止。这是为了消除各个螺栓载荷之间的差异，使载荷分布更加平均。
显而易见，由于润滑的作用，加上采用了钢强化垫圈和正确的紧固程序，螺栓的载荷升高了，而且分布更加均匀。进而可以发现，螺栓载荷升高后，密封垫压缩幅度变大，密封垫向内变形，也就是所谓“屈曲变形”的程度也更明显了。
结论： 如果压力超过300磅，并且密封垫材质含有聚四氟乙烯填充物，建议采用带有内环的螺旋缠绕密封垫。
模拟试验3
试验采用带有内环和外环的螺旋缠绕密封垫，以便和前两项试验对比。试验将采用正确的对角交叉紧固程序，并且采用经润滑处理的螺栓，以及钢强化垫圈。压缩幅度达到峰值，但密封垫的变形会受到内环和外环的限制。
由于螺旋缠绕密封垫的特性和试验设置，即使按对角交叉的顺序进行了最大扭矩调定，螺栓荷载分布仍然不是很均匀。好在这个问题可以通过最后一步操作加以彻底解决，即按照顺时针方向对所有螺栓进行最大扭矩调定，直至螺栓无法转动为止。由柱状图可见，现在的螺栓载荷分布非常平均。内环的存在，也有助于实现载荷的平均分布。
关于密封垫的压缩和卸载，从两次试验的示意图可以看出明显的差别。内环的存在防止了密封垫向内变形，从而降低了下游设备损坏的风险。
小结： 妥善的安装，包括聘用全面培训过的操作人员，遵循正确的紧固程序，这样就可以保障法兰接头的可靠性和安全性。
作者简介
Sandy Vanden Broeck是德国博格曼盘根集团（Burgmann Packings Group GmbH）的产品管理兼战略项目总监，同时也是欧洲密封协会法兰密封垫分会的成员。