李慧芳，王修慧，郭秭君，錢才富

(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

螺栓法蘭墊片接頭是常用的靜密封連接形式。目前廣泛使用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是ASMEⅧ-1附錄2推薦的計(jì)算規(guī)則[1]。該方法是通過引入墊片系數(shù)m和y來保證強(qiáng)度，從而間接保證其密封性[2]。盡管該方法在使用中沒有出現(xiàn)過大的問題，但是，對(duì)于密封性要求高的容器，法蘭按照該規(guī)范計(jì)算不能保證嚴(yán)密性。因此，美國(guó) ASME鍋爐和壓力容器委員會(huì)提出基于泄漏率準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)方法[3]。按照不同工藝對(duì)接頭泄漏的要求，將泄漏率定義為單位時(shí)間通過單位密封長(zhǎng)度的質(zhì)量，按其緊密程度分級(jí)為經(jīng)濟(jì)、標(biāo)準(zhǔn)、緊密、嚴(yán)密和極密，不同的緊密程度規(guī)定了不同的泄漏率。本文從控制泄漏率的角度對(duì)目前關(guān)于泄漏率計(jì)算的各種模型，泄漏失效預(yù)測(cè)的模型進(jìn)行了概述，并分析影響泄漏率的關(guān)鍵因素，為今后更好地優(yōu)化模型以及更好地控制泄漏量的大小提供參考。

1 螺栓法蘭接頭泄漏率計(jì)算模型

計(jì)算泄漏率的關(guān)鍵是要分析影響泄漏率的關(guān)鍵因素，提出合適的泄漏率計(jì)算模型來計(jì)算接頭的泄漏率。本節(jié)介紹了工程上常見的幾種泄漏率計(jì)算模型，并對(duì)各種模型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)述。

1.1 基于墊片平均應(yīng)力的泄漏率計(jì)算模型

顧伯勤根據(jù)多孔介質(zhì)中氣體的流動(dòng)來描述墊片的泄漏，通過圖算法來預(yù)測(cè)螺栓法蘭墊片接頭的泄漏率[4]。該方法可以方便直觀地通過工作壓力、介質(zhì)粘度等已知參數(shù)得到泄漏率，在工程上具有一定的意義。但是，該方法并沒有考慮溫度變化對(duì)墊片性能的影響[4]，也沒有考慮多孔介質(zhì)在工作壓力作用下流道的變化。 因此，其計(jì)算結(jié)果只在一定范圍內(nèi)適用。

1.2 基于墊片有效密封寬度的泄漏率計(jì)算模型

劉麟等以墊片應(yīng)力的徑向分布規(guī)律為基礎(chǔ)，提出基于墊片有效密封寬度的泄漏率計(jì)算方法[5]。該方法得到的泄漏率較文獻(xiàn)[4]中的預(yù)測(cè)方法更為精確。其原因是文獻(xiàn)[4]中采用墊片平均應(yīng)力對(duì)接頭泄漏率進(jìn)行計(jì)算，沒有考慮不均勻分布的墊片徑向應(yīng)力。研究認(rèn)為，接頭的泄漏率對(duì)墊片外緣的最大應(yīng)力更為敏感，但文中沒有給出墊片最大應(yīng)力與泄漏率的關(guān)系[6]。

1.3 基于時(shí)間的泄漏率計(jì)算模型

李國(guó)蒙采用單因素分析法系統(tǒng)分析了影響螺栓法蘭接頭密封的各種因素，得到了泄漏率隨不同影響因素之間的變化關(guān)系[7]。但是，分析中未考慮這些因素的綜合影響。研究還針對(duì)墊片蠕變性能和壓縮回彈性能，提出了基于時(shí)間的泄漏率模型[7]，補(bǔ)充了文獻(xiàn)[4]中未考慮溫度變化的不足。 研究認(rèn)為泄漏率與時(shí)間成冪指數(shù)關(guān)系，泄漏率隨時(shí)間的增加逐步增大，當(dāng)時(shí)間達(dá)到一定程度后，泄漏率趨于穩(wěn)定[7]。

1.4 基于分形參數(shù)的泄漏率計(jì)算模型

馮秀等從理論[8]和實(shí)驗(yàn)[9]均證實(shí)密封表面分形維數(shù)對(duì)螺栓法蘭接頭的密封有直接的影響，并給出了泄漏率與密封表面形貌的關(guān)系[8]。研究認(rèn)為接頭的泄漏隨分形維數(shù)增大而減小，該研究可以指導(dǎo)金屬墊片密封表面的加工[8]；或已知泄漏率對(duì)密封連接進(jìn)行設(shè)計(jì)[9]。但是，該模型在推導(dǎo)過程中假定法蘭沒有偏轉(zhuǎn)[8]，這與實(shí)際情況不太相符。研究者在隨后的研究中推導(dǎo)了法蘭偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致截面變化的變截面泄漏率計(jì)算式[10]。但文獻(xiàn)[8-10]模型中包含了大量基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)回歸系數(shù)，工程上應(yīng)用不太方便[11]。

1.5 基于滲流力學(xué)的泄漏率計(jì)算模型

黃曉明等從泄漏的物理本質(zhì)出發(fā)，提出了金屬墊片泄漏率計(jì)算模型[11]。該模型以滲流力學(xué)與分形接觸力學(xué)為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)不同密封介質(zhì)、密封材料和工況條件之間的換算，為墊片密封泄漏率分析提供依據(jù)[11-13]，大大擴(kuò)大了模型的使用范圍。

1.6 基于螺栓力的泄漏率計(jì)算模型

莊法坤等以靜力學(xué)分析為基礎(chǔ)，并耦合接頭螺栓力，得到了石墨纏繞墊片法蘭接頭的泄漏率[14]。研究認(rèn)為，泄漏率同總螺栓力之間呈對(duì)數(shù)線性關(guān)系，該研究可以在已知螺栓力的情況下估算泄漏率的大小，為工程實(shí)際提供了方便。

1.7 基于模糊決策支持系統(tǒng)的泄漏率計(jì)算模型

Arghavani等提出基于模糊決策系統(tǒng)的泄漏率計(jì)算模型，該模型的思想和實(shí)現(xiàn)基于推理的組合規(guī)則，考慮了氣體壓力、墊片偏斜和泄漏率等因素，可以用于墊片選型[15-16]。文獻(xiàn)還提出了在給定的操作條件下(例如施加的負(fù)載、氣體壓力和泄漏率)下選擇墊片的方法[16]。

2 螺栓法蘭接頭密封泄漏失效預(yù)測(cè)模型

2.1 基于故障樹的泄漏概率預(yù)測(cè)模型

沈軼等對(duì)法蘭接頭故障樹底事件的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行了分析，根據(jù)重要度大小研究了造成法蘭密封失效的主要原因[17]。孫振國(guó)等建立了接頭泄漏失效為頂事件的故障樹，將模糊重要度中值法引入螺栓法蘭接頭的故障樹分析中，得到影響泄漏失效的主要因素，并給出相應(yīng)的泄漏預(yù)防措施[18-19]。王堃基于故障樹方法，確定了與泄漏事故有關(guān)的各種因素，建立了螺栓法蘭接頭泄漏的故障樹模型，給出其泄漏失效概率的計(jì)算方法[20]。

2.2 基于蒙特卡洛法的泄漏概率預(yù)測(cè)模型

王程龍采用用蒙特卡洛法，應(yīng)用Matlab對(duì)隨機(jī)變量進(jìn)行隨機(jī)抽樣，計(jì)算法蘭泄漏的概率[21]。該方法可以用來有效評(píng)價(jià)壓力容器管道的安全。

3 螺栓法蘭接頭泄漏的關(guān)鍵影響因素分析

3.1 墊片對(duì)螺栓法蘭接頭泄漏的影響

3.1.1 墊片形式

墊片對(duì)于螺栓法蘭接頭的泄漏有較大影響。安源勝等對(duì)非線性墊片的螺栓法蘭接頭進(jìn)行了分析，得到了相同厚度不同寬度墊片連接中法蘭的應(yīng)力分布[22]。研究認(rèn)為，在相同螺栓預(yù)緊力下窄面墊片較寬墊片和平墊片有較好的密封性能[22]。

梁立軍等研究了柔性石墨纏繞墊的密封性能，分析了非線性墊片應(yīng)力回彈曲線拐點(diǎn)應(yīng)力與泄漏率的關(guān)系[23]。研究認(rèn)為，墊片的拐點(diǎn)應(yīng)力和變形與墊片的尺寸和墊片材料性能有關(guān)。范淑玲等研究了石墨密封墊片的高溫力學(xué)性能[24]。研究認(rèn)為，石墨墊片的壓縮量和回彈量隨溫度的變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，壓縮量隨溫度升高而增大，回彈量隨溫度升高而減小；研究者還實(shí)驗(yàn)研究了墊片接觸應(yīng)力與溫度的關(guān)系，為接頭的密封設(shè)計(jì)提供了參考[24]。

3.1.2 墊片應(yīng)力

蔡仁良等分析了墊片應(yīng)力、墊片系數(shù)和不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的關(guān)系，確定了基于容許泄漏率的墊片最小工作應(yīng)力，為安裝法蘭接頭的密封安全性提供了保證[25]。蔡暖妹等分析了影響墊片應(yīng)力的各種因素，認(rèn)為墊片應(yīng)力在預(yù)緊和工作過程中經(jīng)歷一個(gè)逐漸衰減的過程，要維持法蘭接頭的密封性能，安裝墊片應(yīng)力在材料允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡可能大[26]。

陳圓等采用有限元法對(duì)螺栓法蘭接頭進(jìn)行了靜力學(xué)分析和熱分析，研究了在內(nèi)壓作用下墊片平均應(yīng)力的變化，以及墊片應(yīng)力隨溫度的變化[27]。該研究結(jié)果可為螺栓法蘭接頭完整性評(píng)價(jià)提供參考。

Murali Krishna等采用有限元方法研究了石棉填充、石墨填充和聚四氟乙烯纏繞式墊片的密封性能。研究結(jié)果表明，不同的墊片類型和法蘭盤厚度會(huì)導(dǎo)致墊片徑向應(yīng)力分布不均勻性的差異[28]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，即使法蘭旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)低于 ASME規(guī)范規(guī)定的0.3°，法蘭接頭也可能發(fā)生泄漏，該研究說明保持最小接觸應(yīng)力的重要性，該研究結(jié)果與文獻(xiàn)[25-26]一致。

3.2 螺栓載荷對(duì)螺栓法蘭接頭泄漏的影響

3.2.1 螺栓預(yù)緊方式

對(duì)法蘭密封而言均勻的螺栓載荷是十分必要的。喻健良等對(duì)接頭的螺栓加載方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，比較了LEGACY法加載和JIS B 2251法加載對(duì)法蘭密封的影響[29]。研究認(rèn)為不同的加載方式都可以達(dá)到較為平均的螺栓載荷，但LEGACY法與JIS B 2251法相比，加載繁瑣，操作中易出錯(cuò)[29]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)以扭矩增量全順次加載可以獲得較為均勻的螺栓載荷，但沒有給出加載次數(shù)對(duì)密封性能的影響。王璐等采用星形螺栓加載方式，分析了加載過程中螺栓載荷和墊片應(yīng)力的變化，認(rèn)為按照星形螺栓加載方式會(huì)產(chǎn)生較大的螺栓載荷分散性，從而使墊片接觸應(yīng)力的分布不均勻[30]。張志明分析了順序加載和兩種不同的星形加載方式對(duì)螺栓載荷和墊片應(yīng)力的影響，并給出了不同加載方式達(dá)到目標(biāo)螺栓載荷的加載步數(shù)[31]。

3.2.2 螺栓安裝載荷

安裝不當(dāng)也是引起法蘭失效的主要原因。蔡仁良等給出了最小螺栓載荷，最大允許螺栓載荷，最大可用螺栓載荷和安裝螺栓載荷之間的關(guān)系[32]，給工程設(shè)計(jì)人員提供了參考[33]。蔣小文等對(duì)螺栓法蘭連接中螺栓的加載方式、加載順序以及螺栓預(yù)緊力大小確定進(jìn)行了分析，提出了一種將壓力及溫度加載考慮在內(nèi)的螺栓預(yù)緊力確定方法[33]，并針對(duì)工程實(shí)例比較了不同螺栓預(yù)緊力的確定方法[34]。

3.3 法蘭對(duì)螺栓法蘭接頭泄漏的影響

3.3.1 法蘭形式和選用

法蘭密封失效的另外一個(gè)原因是由于法蘭剛度不足引起的[35]。Abid等使用有限元法對(duì)金屬與金屬接觸法蘭進(jìn)行了參數(shù)化研究，分析了壓力容器法蘭在內(nèi)壓下的應(yīng)力和位移值，在分析過程中采用單因素分析法，分析了法蘭厚度、螺栓預(yù)應(yīng)力和法蘭錐角的影響。此外，作者還將法蘭表面無錐角法蘭幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)果與根據(jù) ASME、 PD5500和 EN13445第3部分得出的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，給出了無泄漏條件下的最佳法蘭形式和尺寸[36]。應(yīng)道宴等系統(tǒng)分析了法蘭的設(shè)計(jì)選用規(guī)則并對(duì)法蘭承載能力進(jìn)行了評(píng)估[37]。

3.3.2 法蘭密封面

廖建敏等采用有限元法研究了四種密封面結(jié)構(gòu)的密封接觸壓力。研究給出了在不同工況下不同密封面的密封效果。環(huán)形密封的密封面較凹凸面密封、榫槽面密封和凸面密封有較好的密封效果；其中，環(huán)形密封與凹凸面密封結(jié)構(gòu)與突面密封與榫槽面密封相比對(duì)軸向力作用不敏感。因此，密封面的接觸壓力不易出現(xiàn)削弱[38]。

3.3.3 法蘭剛度和轉(zhuǎn)角

法蘭由于剛性不足引起墊片的預(yù)緊應(yīng)力在操作過程中下降會(huì)引起接頭的泄漏失效[24,35,38]。匡良明等采用解析法推導(dǎo)了法蘭剛度與偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系，給出了不同法蘭偏轉(zhuǎn)角計(jì)算式，對(duì)不同法蘭偏轉(zhuǎn)角極限值的確定提供了參考[39-40]。冉振等分別研究了法蘭密封環(huán)尺寸、螺栓預(yù)緊力和法蘭剛度對(duì)其密封性能的影響；結(jié)果表明，密封環(huán)外徑對(duì)法蘭密封環(huán)的應(yīng)力分布均勻性有顯著影響，而法蘭剛度和螺栓預(yù)緊力對(duì)法蘭密封環(huán)的應(yīng)力分布均勻性無明顯影響[41]。

4 結(jié)論

螺栓法蘭墊片接頭是常用的靜密封連接形式。本文對(duì)螺栓法蘭墊片接頭密封性能進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，所得主要結(jié)論如下：

(1)文獻(xiàn)中給出了7種泄漏率計(jì)算模型，分別為基于平均應(yīng)力計(jì)算模型、基于墊片有限寬度計(jì)算模型、基于時(shí)間計(jì)算模型、基于螺栓力計(jì)算模型、基于分形參數(shù)的金屬墊片計(jì)算模型、基于滲流力學(xué)計(jì)算模型和基于模糊決策支持系統(tǒng)的計(jì)算模型。

(2)文獻(xiàn)中給出了2種密封泄漏失效預(yù)測(cè)模型，分別基于故障樹的泄漏預(yù)測(cè)概率模型和基于蒙特卡洛法的泄漏概率預(yù)測(cè)模型。

(3)螺栓法蘭接頭泄漏的關(guān)鍵影響因素為墊片的形式、墊片應(yīng)力、螺栓預(yù)緊方式、螺栓安裝載荷、法蘭形式以及法蘭剛度等。