法兰密封原理及常见形式

一，法兰密封原理及常见形式

法兰连接确切地说应该是螺栓、法兰、垫片连接，其密封是靠三者的协同作用实现的，其中垫片是实现密封的核心部件。

1.1 法兰密封的原理

通过螺栓的预紧力，使垫片和法兰密封面之间产生足够的压力，以使垫片表面产生的变形足以填补法兰密封面的微观不平度，达到密封的目的。

为达到上述目的所作用到垫片上的最小单位压紧力，称为比压力。当与法兰连接的管道达到操作压力时，因内压的轴向力的作用导致两片法兰有分开的趋势，而螺栓则有伸长的趋势，作用在垫片上的压紧力将减少。当作用在垫片有效截面上的压紧力降至某一临界值时，仍能保持密封，这时垫片上的剩余压紧力即为垫片的有效紧固力。当垫片上压紧力小于有效紧固力时法兰就会发生泄漏，甚至将垫片吹跑，因此垫片的有效紧固力必须大于管道的操作压力。两片法兰密封面之间的距离，在操作状态要比初始状态大，这时垫片与法兰密封面的紧密性是靠垫片的回弹力来保证的。

可以这么说，在初始密封阶段，垫片的表面塑性变形填补法兰密封面的微观不平度起决定性作用；而操作状态下法兰的密封，垫片内部的弹性回复起主导作用。

1.2 法兰密封的常见形式

定义：管法兰及其垫片、紧固件统称为法兰接头。法兰接头是工程设计中使用极为普遍、涉及面非常广泛的一种零部件。它是配管设计、管件阀门必不可少的零件，而且也是设备、设备零部件(如人孔、视镜液面计等)中必备的构件。此外，其它专业如工业炉、热工、给排水、采暖通风、自控等，也经常使用法兰接头。

材质：锻钢、WCB碳钢、不锈钢、316L、316、304L、304、321、铬钼钢、铬钼钒钢、钼二钛、衬胶、衬氟材质。

品种：平焊法兰、带颈法兰、对焊法兰、环连接法兰、承插法兰、及盲板等。

执行标准有GB系列(国家标准)、JB系列(机械部)、HG系列(化工部)、ASME B16.5（美标）、BS4504（英标）、DIN（德标）、JIS（日标）。

法兰密封有如下常见的形式：

平面法兰

优点：结构简单，加工方便。缺点：是接触面积大，需要的预紧比压大，螺栓承载大，故法兰等零件要求高、笨重，垫片易挤出，密封性能较差。使用压力P≤2.5Mpa，有毒、易燃、易爆介质中不能使用。

凹凸面法兰

优点：便于对中，能防垫片挤出，较少受到介质的冲刷和腐蚀。适用于压力较高的场合。缺点：不便于垫片的更换。

榫槽面法兰

优点：由榫面、槽面配合构成，垫片安放在槽内，不会被挤出压紧面，较少受到介质的冲刷和腐蚀。由于密封面较窄，所需螺栓力较小，适用于压力更高、密封要求严格的场合，如易燃、易爆和高度或极度危害毒性介质等重要场合。缺点：结构复杂，垫片易被挤压在槽内不易清除，更换垫片较难。另外还要注意的是，榫面法兰在运输中要加以保护，避免碰撞变形。

环连接面法兰

优点：环连接面主要用在带颈对焊法兰和整体法兰上，密封性能好，安装要求一般，使用于高温高压工况中。缺点：密封面的加工精度极高。

1.3 影响法兰密封的常见因素

法兰密封的泄露主要是密封面间的泄露。由垫片毛细管作用而发生渗漏的可能性很小。垫片靠外力压紧后，垫片本身产生的弹性变形和塑性变形，填满密封面上微小的凹凸不平的间隙，使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的压差时，即达到密封。但是受到外界条件影响时，密封受到破坏，从而产生泄露。影响密封的因素主要有以下几个方面：

（1）操作条件的影响。操作条件即是压力，温度，介质的物化性质。石油化工厂中，低压法兰较多，往往单纯的压力或者介质因素对法兰泄露的影响并不是主要的。只有和温度联合作用时，问题才显得严重。当温度反复变化时，密封失效的可能性更大。

（2）设计参数中垫片系数和压紧比的影响。我国目前选用两者参数是通过查表《钢制压力容器》，但是垫片系数和压紧比，即使是同一材料，两者系数也还跟垫片宽度，预紧压力，介质性能，法兰密封面宽度和粗糙度等因素有关，所以，两系数究竟取多少，目前尚没有权威性的规范可以选用。

（3）螺栓预紧力的影响。提高螺栓预紧力，可以增大垫片的密封性能，但过大的螺栓与精灵，会是垫片失去弹性，甚至把垫片压坏或者基础，不能保证其在工作状态下有足够的弹性。

（4）垫片性能的影响。垫片变形包括弹性变形和塑性变形。垫片材料是影响垫片性能的主要因素，因此垫片的好坏会影响到法兰的密封。

（5）法兰刚度的影响。法兰刚度不足会产生过大的翘曲变形，往往是导致密封失效的原因之一。

（6）密封面的影响。法兰密封面的形状和粗糙度应与垫片相配合。密封面的平直度和密封面与法兰轴线的垂直度是保证垫片均匀压紧的前提，因此在设计、安装时必须考虑管线热膨胀造成的推理或偏心力的影响。否则就会容易造成法兰密封不严，引起泄露。

1.4 法兰的泄漏

法兰的泄漏一般有两种途径： 第1种是垫片本身的渗透作用。 第2种是垫片与法兰密封面间隙的泄漏。

由于新型密封材料的不断出现，第一种泄漏已基本能解决。日常发生的绝大多数都是第二种泄漏。在某一特定操作条件下，法兰连接所能达到的泄漏率低于某一特定的指标泄漏率;或在规定的泄漏条件下，法兰连接能够承受特定的操作条件，满足这个指标泄漏率或特定操作条件的法兰连接即视为不泄漏，或紧密的，反之则视为会泄漏，或者说是不紧密的。

法兰及螺栓的影响法兰在实际工况中受力状况很复杂，螺栓、垫片、内压都直接对法兰产生作用力，这些力可能会导致法兰的不规则变形。这些作用力从强度方面讲是没有问题的，但变形可能会导致法兰泄漏。因此，在法兰设计时不仅要满足强度要求，还要满足法兰不泄漏所要求的最小变形，即按刚度理论进行设计。

众所周知，拧紧螺栓能提高密封效果，减少泄漏率，但因受法兰和螺栓自身的强度和刚度限制，这种方法到达一定程度后无效。螺栓安装程序不当也会产生泄漏，正确的螺栓上紧顺序(十字交叉等距对称)对保证法兰连接点的密封和缩短上紧操作时间是极为重要的。

二，法兰密封垫片

法兰垫片一般分为金属垫片和非金属垫片。

非金属垫片用石棉、橡胶、合成树脂等非金属制成的垫片。

1，石墨垫片

由纯石墨板或金属（齿板、平板、网）增强石墨板切割或冲压而成，具有众多卓越的密封性能，如：热稳定、自润滑、耐腐蚀、不老化、不发脆等，在苛刻的工况条件能长期稳定的使用，极少需要维护。内衬材料可选不同金属薄板。型式可选无包边，内包边，外包边，内外包边。石墨切割垫片是从纯石墨板打孔或切割而成的，它具有良好的防腐蚀性，耐高/低温，良好的压缩回弹性和高强度性，各种各样的圆型的复杂的几何垫片被广泛用于管道、阀门、泵、压力容器、热交换器、冷凝器、发电机、空气压缩机、排气管、制冷机等。

2，金属缠绕垫片

金属缠绕垫片采用优质SUS304、SUS316（“V”形或“W”形) 金属带及其它合金材料与石墨、石棉、聚四氟乙烯、无石棉等软性材料相互交替重迭螺旋缠绕而成，在开始及末端用点焊方式将金属带固定。金属缠绕垫片为半金属密合垫中回弹性最佳的垫片，金属缠绕垫片结构密度可依据不同的锁紧力要求来制作，并利用内外钢环来控制其最大压紧度，缠绕垫片接触的法兰密封面的表面精度要求不高。金属缠绕垫片特别适用于负荷不均匀、接合力易松弛，温度与压力周期性变化、有冲击或震动的场合。缠绕垫片是阀门、泵、换热器、塔、人孔、手孔等法兰连接处理想的静密封原件

缠绕垫片应用范围：石油、化工、冶金、电力、船舶、机械等行业的管道、阀门、压力容器、冷凝器、换热器、塔、人孔、手孔等法兰连接处密封。

缠绕片垫片分四种形式：基本型缠绕垫片、带内环型缠绕垫片、带外环型缠绕垫片、带内外环型缠绕垫片。

3，金属包覆垫片

金属包覆垫片系指内部用非金属材料(柔性石墨聚四氟乙烯、石棉橡胶板、陶瓷纤维）等，外部用特定的冷作工艺包覆金属薄板的复合型垫片，按垫片截面通常分为平面型包覆及波纹型包覆两种，是最传统的一种密合垫片，适用于热交换器、压力容器、泵、阀及法兰面密封。但回弹力有限，需要求法兰表面平坦及紧固力很高才能达到良好效果。根据不同材料可以组合成304不锈钢包石棉包覆垫片，不锈钢包石墨包覆垫片等多种形式。

包覆垫片材质：马口铁、不锈钢304、316、铜、铝等

包覆垫片填充料：石棉、柔性石墨、聚四氟乙烯、无石棉、陶瓷纤维等。

包覆垫片主要用途：适用于直径较大的压力容器(如换热器、反应器等)法兰的密封。

各种介质的机泵、管阀、管道及各类设备的法兰等密封。适用于中、低压工况。适用于中、低压工况。

4，齿形组合垫片

齿形垫片是一种金属软垫片，密封效果优于金属平垫，一般用精密的车床在金属不锈钢平垫片的二面加工成同心的90度夹角波形的锯齿状沟槽，根据不同的介质，可选择柔性石墨、PTFE、无石棉板或其它一些软金属，粘贴在垫片的二面，利用软性覆盖层的密封性以及金属的强度、弹性好的优点，还兼有迷宫密封作用，故达到同样的密封效果，垫片压紧力较小。齿形组合垫片也可不带覆盖密封层直接使用，也能达到良好的密封效果，但在高压场合中容易对法兰的表面造成损失。齿形组合垫片主要应用于中、高压力和高温的压力容器和管道法兰的密封。

5,波形复合垫片

波齿复合垫片通过模压、滚压或车削等工艺把金属平环加工成同心的波形圈，表面粘贴膨胀石墨或四氟等非金属，是针对那些对垫片回弹要求较高的地方，波形垫片具有极好的热传导性，能满足高温、高压及易腐蚀的场合，尺寸任意，金属材质可选。波齿复合垫片基本属于线接触密封垫片，由波纹提供机械支撑，其回弹性能根据采用的形式、金属厚度、波纹间距及波纹高度来决定一般在波齿垫片二面粘贴石墨层，可用于不太平整的密封面。此产品在一般应用场合可再生使用，相当经济有效。可直接代替缠绕垫片及包覆型垫片使用。适用于高温高压场合如压力容器、换热器、阀门、管道等法兰联接的密封件。

6，四氟垫片

聚四氟乙烯垫片国外又叫PTFE垫片或Teflon（铁氟龙）垫片由聚四氟乙烯棒、管、板经机械车削或裁切而成的平垫片、V形垫片、活塞环、球阀垫圈等具有耐腐蚀、抗老化和不导电等良好特性。 聚四氟乙烯pH值0-14(熔融的碱金属和高温、高压下的氟除外)。其在-100℃～100℃之间能 够具有良好的机械强度。压力10Mpa。

注意：在温度低于-185℃时。聚四氟乙烯垫片会变脆。纯聚四氟乙烯垫片是一种洁净的密封产品，不会对其所接触的任何物质形成污染，可以广泛地用于食品、医药等行业中。

7，石棉橡胶垫片

石棉橡胶垫片以石棉纤维、橡胶为主要原料再辅以橡胶配合剂和填充料，经过混合搅拌、热辊成型、硫化等工序制成。石棉橡胶垫片根据其配方、工艺性能及用途的不同，可分为普通石棉橡胶垫片和耐油石棉橡胶垫片。根据使用的温度和压力不同可以分为低压石棉橡胶垫片，中压石棉橡胶垫片和高压石棉橡胶垫片。适用于水、水蒸气、油类、溶剂、中等酸、碱的密封，石棉垫片主要应用在中、低压法兰连接的密封中。

8，金属椭圆垫及八角垫

金属椭圆垫片及金属八角垫由锻造及热处理和机械加工制成，是一种应用于油及气体的管法兰，压力容器，高速接合面，高温高压阀盖等的金属密封垫片，尤其压力、温度有波动的场合，仍能保持较好的密封性。

9，金属平垫片

10，弹簧蓄能密封圈

垫片的安装

保证系统的密封除了要有好的密封材料外，还要按照以下正确的安装方式：

1、垫片必须安放在法兰的正中心，在突面法兰上尤为重要；

2、保证密封面的平整度和加工精度；

3、必须均匀对称的紧固连接螺栓；

4、必须使用弹簧垫圈以保证负荷均匀，紧固螺栓时使用扭力矩扳手；

5、在系统运行一天后，检查和重新校正连接螺栓的扭矩；

6、为保证垫片使用寿命，请不要使用液体或金属基体的防粘剂或润滑剂。

垫片选用参考