可靠的法兰接口螺栓载荷技术

在各种工业设施中，栓接法兰接口（BFCs）对于保障安全高效运行起着关键作用。然而，实现可靠的接口密封始终是高难度的任务，因为这涉及诸多技术因素。本文作者凭借丰富的相关经验，为业内人士传授ASME栓接接口课程和密封垫特性课程，并通过本文介绍一些容易被忽视或误解，但对于栓接法兰接口的封很重要的因素。

文章详细分析了密封垫紧密性、扭矩扳手的使用和操作、密封垫选型，还有螺栓载荷等多方面因素，并着重介绍了它们对于栓接法兰接口整体完好性所起的作用。如果能正确理解上述因素的影响力，有助于降低泄漏、提高安全性和运营效率。本文全面介绍了影响栓接法兰接口密封可靠性的若干关键因素，有助于决策者在了解情况的前提下做出决定，从而有利于企业运营管理产生更好的结果。

密封垫的密封紧密性

对于栓接法兰接口的密封可靠性而言，密封垫的紧密性起着决定性作用。尽管在之前的《阀门世界》杂志欧洲密封协会（ESA）论文中已经讨论过这个话题，仍然有必要将它纳入本文，因为密封垫的作用是不可替代的，它能减少有毒有害物质的泄漏和碳排放。

如果是在危险化学品工厂里工作，一定会担心不慎接触到致癌物质。提升栓接法兰接口的密封程度，直接有助于减少介质的泄漏。密封垫材料的相关技术已经很成熟，剩下最重要的就是设计栓接法兰接口之前，先搞清楚密封垫需要承受多大的应力，因为这对于安全、可靠的密封也很重要。欧洲的监管机构早就认识到这方面的责任，并顺利地将密封垫试验协议（规程）（EN 13555）和栓接法兰接口设计要求（EN 1591-1）升级成为工程设计指令。这些指令有助于从结构强度的角度，确保栓接法兰接口能够承受足够大的应力，以便达到设计密封要求。

美国压力容器研究委员会（PVRC）的相关“方法”，也可以看做是一种密封垫密封试验协议（规程）。尽管细节上和EN 13555有实质性的不同，PVRC“方法”所提供的信息，也有助于密封垫实现特定的密封紧密度。

EN 13555规定了密封垫实现特定密封性能所必须的尺寸、压力、温度，以及结构完好性方面的要求。该标准列举了密封垫的弹性、蠕变松弛系数、密封垫最大允许应力，以及实现特定密封等级所需的最小密封垫应力。该试验协议（规程）甚至还估算了在多大的应力下，密封垫材料会被挤出（若有发生），并侵入工艺流体的极限状况。EN 1591-1可以作为一种评估手段，用于判断部件必须达到的强度标准，以便确保将足够的密封垫应力传递给接口。该标准考虑的不仅仅是压力、温度和螺栓载荷，它还考虑到了零部件变形、不同紧固方式导致螺栓载荷分布不均匀、外部轴向作用力、弯矩、各部件的不同热膨胀系数，等多种其它因素造成的影响。

美国压力容器研究委员会（PVRC）

2018年， 美国机械工程师协会（ASME）F03委员会将PVRC 密封垫密封试验协议（规程）的等级提升为指令级，编号为ASTM F2836-18。尽管该协议（规程）与EN 13555有很大的不同，但拥有长久而成功的应用历史，因为设计师们都很熟悉ASM法兰的性能。图1展示了典型的PVRC密封性能试验结果，Gb、Gs和‘a’等常数被用于密封紧密度的计算。

PVRC试验协议（规程）的成功应用可以追溯到三十多年前。E. I. Dupont——为该协议的发展提供资金的主要出资人——很快就将试验协议用于检查螺栓是否具有足够强度，以便承受可靠的栓接法兰接口密封所对应的密封垫载荷。有些情况下，这意味着会超出ASME标准设计参数。正如先前一篇论文中所述，ASME标准第八卷第1部附录S对该试验协议（规程）给予了认可，附录中称：“紧固过程中，可能需要（有些情况下是必须要）施加一个大于设计参数的螺栓初始应力。”该附录还建议将该操作列为常规条款。目前为止， 美国机械工程师协会（ASME）尚未将密封性能纳入法兰设计的基本要求3。一旦将来得到了采纳，可以预期有毒有害物质和二氧化碳排放将会显著降低。但在那之前，设计师必须凭经验自行判断ASME法兰需要的螺栓载荷。

扭矩扳手的操作

速度

在紧固扭矩方面，有一个事实经常被忽视：就是扭矩扳手的运动对于扭矩显示器读数的影响。显示器的准确度依赖于紧固螺栓时产生的动摩擦，这需要螺栓处于转动状态，但是不能太快。如果转动太快，显示器就会受到惯性作用力的影响，导致其显示的读数大于实际施加的扭矩。如果从事紧固螺栓的专职人员没有接受过这方面的培训，也不是不常见的事情。尤其是对于棘轮式扭矩扳手而言，操作人员通常会突然发力操作扳手，使其转动足够幅度并推动棘轮发出咔哒声。但这样可能导致实际施加的扭矩，远低于预期中想要施加的扭矩。

开始转动-停止

假设按照规定的紧固顺序，谨慎地按照规定扭矩对某个螺栓进行了紧固。当扳手回复初始位置时，显示的读数可能会高于之前的数据，即使有些部件发生了松弛。这种现象的首要原因是，起初扳手承受的是静摩擦力，它比动摩擦力更高一些。相应地，扳手刚开始被转动时显示的扭矩，就会高于停止转动时显示的数值。

全硬化垫圈

“硬化”垫圈和“全硬化”垫圈之间，其实有很重要的差别。硬化垫圈仅有表面得到了硬化，它的强度通常不是很高，受到螺母施加的应力后难以避免发生弯曲或杯形凹陷。垫圈弯曲会造成摩擦力降低。因为螺母的边缘会嵌入垫圈，导致传递给螺栓的扭矩变小。而全硬化垫圈则相反，从表面到核心都得到了硬化，消除或最大限度降低了摩擦力损失的可能性。由于表面相对光滑，使用全硬化垫圈产生的摩擦力，会比不用任何垫圈时更低。全硬化垫圈还可以保护法兰表面，使其不会受到螺母造成的损伤。如果垫圈的一面有标记，安装时有标记的面应该朝向法兰。

此外，安装了全硬化垫圈后，螺栓的有效长度会增加。由于螺栓载荷固定不变，这部分额外的长度意味着传递给密封垫的弹性能量增加了。这有利于维持施加给密封垫的应力，因为弹性能量会导致密封垫发生轴向变形。

螺栓荷载

在EN 1591-1没有作出相应规定的情况下，现场工程师经常被要求根据密封垫制造商提供的密封垫所需应力值，计算出必要的螺栓拉力。重要的是，制造商或是具有足够经验的人员，必须先用正规方式计算密封性能参数，并查看发生吹出（冲出）现象的工况条件。

如果确定了密封垫承受的应力、面积和螺栓数量，那就很容易利用下列方程式计算出每个螺栓需要施加的拉力：FB=σg Ag /Bno。σg是密封垫应力，Ag是密封垫的面积，Bno是螺栓数量。值得指出的是，上述方程式计算得出的螺栓拉力，并不是施加螺栓荷载时需要考量的唯一作用力。设计师为了确保栓接法兰接口实现可靠的密封，下列各项也都是需要考虑的因素。

此外，安装了全硬化垫圈后，螺栓的有效长度会增加。由于螺栓载荷固定不变，这部分额外的长度意味着传递给密封垫的弹性能量增加了。这有利于维持施加给密封垫的应力，因为弹性能量会导致密封垫发生轴向变形。

疲劳

高频循环加低应力，或者高应力加低频循环，都容易导致部件疲劳，而后一种情况在栓接法兰接口比较常见。如果不了解螺栓的承受极限，螺栓可能在某个原本被认为不会导致性能失效的应力下失效。为此推荐采用VDI 2230标准，它能帮助判断栓接法兰接口的疲劳状况。

螺栓弯曲

无论程度如何，螺栓总是会由于法兰转动而发生弯曲。弯曲会导致螺栓一侧的拉应力升高，而另一侧的拉应力降低。评估螺栓承受的极限应力时，螺栓弯曲导致的额外应力也应该考虑在内。图2是螺栓紧固和系统运行之后出现的典型螺栓弯曲效应。

管道位移

导致管道位移的原因可能有多种，而位移也会给螺栓施加应力，有些情况下会是极大的应力。为了妥善评估这一现象，可以进行“柔性”分析。但需要提醒设计师的是，即使进行了“柔性”分析，也不排除管道设计被改动，或者长期运行后支撑结构老化的可能性。对相关区域的巡检，可能成为发现设备隐患的有效手段。

法兰的安装

法兰安装不合格的问题，在先前的一篇欧洲密封协会（ESA）论文2中已经有过介绍。它可能对螺栓产生剪切力、弯曲和/或拉伸荷载。最好的保护就是严格遵循相关工程技术标准。凭借以往的经验，法兰安装不合格正是栓接法兰接口泄漏的常见原因，发生率仅次于“未遵守正规的密封级紧固规程”。因此我们务必要了解，扭矩扳手并不能区分某种作用力是施加给密封垫的，还是由于法兰安装不合格导致拉伸、弯曲、扭曲和/或剪切而产生的。

关键的收获

可能会影响栓接法兰接口密封性能的因素非常多，本文重点介绍了其中比较关键的几项，以及同样很重要，但往往被忽视的一些因素。

如果您的职责包括了提升工厂安全性，保护环境免遭有害物质泄漏的危害，希望本文能有助于实现并维持密封垫的可靠密封性能，以及相关故障排除，确保密封垫性能达到工艺条件所需的等级。归根结底，确保栓接法兰接口整体完好性和密封性能的责任，应该由所有参与设计、安装和维护的利益相关者承担。

参考资料：
1. 欧洲密封协会（ESA）论文：《美国机械工程师协会标准“M”和“ Y ”因子的应用历史》（A Brief History of ASME M and YFactors），2023年6月
2. ESA论文：《对法兰的主要作用力-第二章》（Primary Flange Forces – Part 2），2016年5月
3. 作为美国机械工程师协会（ASME）特别工作组的成员，参与负责将密封紧密性的概念纳入ASME指令。预计将于若干年后完成纳入。