隨著工業(yè)生產(chǎn)向高溫、高壓和強(qiáng)腐蝕的惡劣工況發(fā)展，對(duì)密封可靠性要求也越來越高。深入進(jìn)行以預(yù)緊力分析為基礎(chǔ)的雙楔角環(huán)墊法蘭接頭密封件可靠性改進(jìn)研究，準(zhǔn)確把握預(yù)緊力和密封性能的內(nèi)在關(guān)系，這對(duì)優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高密封可靠性具有實(shí)際意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1雙楔角環(huán)墊法蘭接頭的密封原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 密封原理

雙楔角環(huán)墊法蘭接頭的密封原理融合了機(jī)械壓緊和材料彈性形變雙重作用機(jī)制，保證各種工況下可靠密封的實(shí)現(xiàn)。其核心是通過預(yù)緊力將雙楔角環(huán)墊與法蘭密封面間緊密配合，以有效地填補(bǔ)微觀間隙和防止介質(zhì)泄漏[1]

在安裝階段，螺栓受到預(yù)緊力的作用使得螺栓拉伸形成軸向拉力，該拉力傳遞到法蘭上使其發(fā)生微小的變形，繼而在雙楔角環(huán)墊上產(chǎn)生較強(qiáng)的壓緊力。雙楔角環(huán)墊通常使用不銹鋼、鎳基合金等具有優(yōu)良彈性和韌性的金屬材料，這些材料在受到壓緊力的作用下會(huì)發(fā)生彈性變形，從而緊密地填補(bǔ)法蘭密封表面的微觀不平整區(qū)域，以形成初始的密封效果。管道系統(tǒng)在工作過程中，由內(nèi)部介質(zhì)壓力引起的徑向力將進(jìn)一步對(duì)雙楔角環(huán)墊施加作用力。這時(shí)雙楔角的特殊設(shè)計(jì)發(fā)揮關(guān)鍵作用，能把介質(zhì)壓力精巧地轉(zhuǎn)換為對(duì)密封面附加的壓緊力一自緊作用。當(dāng)介質(zhì)壓力增加時(shí)，環(huán)墊和密封面間接觸壓力也相應(yīng)增加，密封性能也能提高。該自緊特性使雙楔角環(huán)墊法蘭接頭能夠在高壓工況中依然保持較好的密封效果，有效地規(guī)避介質(zhì)壓力波動(dòng)造成密封失效的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

雙楔角環(huán)墊式法蘭接頭由法蘭、雙楔角環(huán)墊和螺栓構(gòu)成，各構(gòu)件協(xié)同作用以實(shí)現(xiàn)可靠密封，具有許多顯著結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

法蘭作為連接管道及支承雙楔角環(huán)墊等構(gòu)件的關(guān)鍵零件，一般由高強(qiáng)度碳鋼或者合金鋼制成，其強(qiáng)度及剛度能夠承受管道中介質(zhì)的壓力及外部載荷。密封面經(jīng)高精度加工，粗糙度被嚴(yán)格地控制在一定范圍內(nèi)，以保證和雙楔角環(huán)墊的緊密配合。法蘭上螺栓孔均勻分布，確保預(yù)緊力作用下雙楔角環(huán)墊所受壓緊力均勻分布，避免因局部應(yīng)力集中造成密封失效。

雙楔角環(huán)墊作為接頭的關(guān)鍵密封部件，其獨(dú)有的雙楔角設(shè)計(jì)是區(qū)別于其他密封墊的顯著特征，雙楔角的角度經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化，一般在 30^°～60^° 之間，既能有效分散壓力，又能增強(qiáng)自緊作用。環(huán)墊截面形狀一般呈矩形或者橢圓形，高度及厚度隨不同工況及密封要求定制。用金屬材料制成的雙楔角環(huán)墊具有耐高溫、高壓，耐腐蝕性能好等特點(diǎn)，適合多種惡劣工作條件。

2基于預(yù)緊力分析的雙楔角環(huán)墊法蘭接頭密封可靠性提升方法

2.1 預(yù)緊力的計(jì)算優(yōu)化

預(yù)緊力的精確計(jì)算是確保雙楔角環(huán)墊法蘭接頭密封可靠性的核心環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)預(yù)緊力計(jì)算往往依賴于經(jīng)驗(yàn)公式，難以精確契合復(fù)雜工況。為了達(dá)到優(yōu)化計(jì)算的目的，可以利用有限元分析軟件，并結(jié)合實(shí)際工況構(gòu)建準(zhǔn)確的力學(xué)模型[2]。某石油化工管道系統(tǒng)管道內(nèi)徑 500mm 設(shè)計(jì)壓力 10MPa 、工作溫度 200^°C ，前人用經(jīng)驗(yàn)公式算出的預(yù)緊力為 200kN 0借助有限元軟件建立包括法蘭、雙楔角環(huán)墊和螺栓等零件的三維模型，并對(duì)實(shí)際工況中零件的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行仿真。經(jīng)過模擬分析，綜合考慮溫度對(duì)材料性能、螺栓和法蘭彈性變形的影響，確定此工況下準(zhǔn)確預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到 230kN 。

為了進(jìn)一步完善計(jì)算流程，考慮各種不同的工況參數(shù)，例如壓力、溫度和介質(zhì)的腐蝕性，納入計(jì)算模型構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到了預(yù)緊力在不同運(yùn)行條件下的計(jì)算修正系數(shù)。比如在介質(zhì)強(qiáng)腐蝕性條件下，考慮材料腐蝕引起的強(qiáng)度降低，預(yù)緊力修正系數(shù)在 1.1～1.3 之間；在高溫環(huán)境中，每當(dāng)溫度上升 50^qC ，所需的預(yù)緊力會(huì)增加 5%～8% 。利用這些修正系數(shù)可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行條件迅速準(zhǔn)確地計(jì)算得到合理的預(yù)緊力，顯著提高了計(jì)算精度并保證了密封的可靠性。

2.2 螺栓布局的改進(jìn)

螺栓布局直接影響雙楔角環(huán)墊所受壓緊力的均勻性，從而對(duì)密封效果產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往將螺栓按等間距圓周分布。以DN600法蘭為研究對(duì)象，最初的設(shè)計(jì)方案使用16顆M20螺栓，均勻分布在直徑為 700mm 的圓周上。經(jīng)過有限元方法的模擬研究，觀察到在這種設(shè)計(jì)中，雙楔角環(huán)墊的邊緣接觸壓力分布并不均勻，最大的壓力差異高達(dá)20% ，易引發(fā)局部密封問題

為改善螺栓布置，采用以環(huán)墊上接觸壓力均勻性作為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化算法。經(jīng)過優(yōu)化，選擇了18顆M22螺栓且分布不均勻。管道中心區(qū)域附近螺栓間距以 100mm 為宜；距離中心區(qū)域較遠(yuǎn)，螺栓間距加大到 120mm 。有限元模擬結(jié)果表明：雙楔角環(huán)墊邊緣接觸壓力最大幅差減小到最小幅度范圍內(nèi)，密封面接觸壓力分布均勻性得到有效改善。同時(shí)考慮到擰緊時(shí)螺栓扭矩分布，利用扭矩控制法對(duì)螺栓進(jìn)行安裝。針對(duì)螺栓規(guī)格及材料特性確定了合理扭矩值。對(duì)于M22規(guī)格的8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓，其扭矩值被設(shè)置在 450～500N?m 范圍內(nèi)，確保每一個(gè)螺栓施加的預(yù)緊力一致性，進(jìn)一步增強(qiáng)了密封的可靠性。通過實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)，經(jīng)過對(duì)螺栓布局的優(yōu)化，這一規(guī)格的法蘭接頭密封失效的頻率減少了70% ，明顯增強(qiáng)了管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 環(huán)墊結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

在密封性能方面，雙楔角環(huán)墊結(jié)構(gòu)起著決定性作用。常規(guī)雙楔角環(huán)墊楔角及截面形狀比較固定，難以適應(yīng)復(fù)雜工況。以某海上石油平臺(tái)管道系統(tǒng)為研究對(duì)象，原用的雙楔角環(huán)墊具有 45^° 的楔角和矩形的截面，在高壓和強(qiáng)振動(dòng)的條件下，密封性能欠佳，泄漏率高達(dá) 3% 。為改進(jìn)環(huán)墊的結(jié)構(gòu)需優(yōu)化楔角。從理論分析與數(shù)值模擬可知：楔角調(diào)節(jié)到50^° 可以較好地分散介質(zhì)壓力并強(qiáng)化自緊效果。與此同時(shí)，截面形狀從矩形調(diào)整為梯形，底部寬度減少 10% ，底部寬度擴(kuò)大 15% ，高度提高 5% 。新結(jié)構(gòu)加大了環(huán)墊和法蘭密封面之間的接觸區(qū)域，改善了密封性能。在材料選擇上，選擇新型鎳基合金材料，其屈服強(qiáng)度比原始材料增加了 20% ，達(dá) 600MPa ，抗拉強(qiáng)度增加到 850MPa ，且具備更出色的抗疲勞和抗腐蝕特性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的環(huán)墊在相似的工作條件下，其泄露率已經(jīng)減少到 0.5% 以下，顯著提高了密封可靠性。另外，環(huán)墊上加工深 0.2mm， 寬0.5mm 間隔 1mm 的菱形凹槽微紋理。微紋理可以存儲(chǔ)潤(rùn)滑介質(zhì)、減小環(huán)墊和法蘭密封面間的摩擦系數(shù)、減小磨損、進(jìn)一步提高密封壽命。實(shí)際使用表明，改進(jìn)后的環(huán)墊使用壽命提高1.5倍，維護(hù)成本及安全風(fēng)險(xiǎn)均得到有效降低。

2.4密封面處理更新

為提升密封面質(zhì)量，可采取先進(jìn)磨削工藝加工。研磨后密封面表面粗糙度可以減小到 Ra0.8μm ，微觀平整度得到顯著改善。同時(shí)，對(duì)密封面進(jìn)行氮化處理，形成一層硬度高、耐磨性好的氮化層，厚度約為0.1～0.2mm ，硬度可達(dá) HV900～1200 ，有效增強(qiáng)了密封面的耐磨性和耐腐蝕性。在密封面平面度控制方面，采用高精度磨床及檢測(cè)設(shè)備，使平面度誤差達(dá)到 ±0.03mm 。在密封面的周邊區(qū)域，使用半徑范圍 1～2mm 的倒圓角處理，避免應(yīng)力集中，降低密封面在預(yù)緊力和介質(zhì)壓力影響下產(chǎn)生裂紋的可能性。經(jīng)過密封面升級(jí)處理后，泄漏率在相同的工作條件下下降了 80% ，大大增強(qiáng)了密封的可靠性。

2.5對(duì)預(yù)緊力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控

在大型化工裝置管道連接過程中，根據(jù)應(yīng)變片原理設(shè)置預(yù)緊力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。將應(yīng)變片貼附于螺栓具體部位，通過檢測(cè)螺栓應(yīng)變并依據(jù)材料彈性模量推算螺栓所受拉力為預(yù)緊力。這套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度可以達(dá)到 ±1% FS（滿量程），可以實(shí)時(shí)收集預(yù)緊力的數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸模塊將這些數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心。當(dāng)預(yù)緊力超出設(shè)定的正常范圍（如±10% ）時(shí)，系統(tǒng)立即發(fā)出預(yù)警信號(hào)。比如設(shè)備升溫時(shí)，溫度變化使某些螺栓的預(yù)緊力減小，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，工作人員迅速采取應(yīng)對(duì)措施，補(bǔ)緊螺栓，以免預(yù)緊力不夠而造成密封失效。除應(yīng)變片監(jiān)測(cè)外，超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)也可以應(yīng)用于其中，它通過檢測(cè)螺栓內(nèi)超聲波傳播時(shí)間的變化來計(jì)算螺栓伸長(zhǎng)量，進(jìn)而獲得預(yù)緊力變化。該技術(shù)不受電磁干擾，適合在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)緊力，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力異常情況并采取相應(yīng)的措施，保證密封可靠性，降低因密封失效引起事故的風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 工況適配調(diào)整

不同工況條件下對(duì)雙楔角環(huán)墊法蘭接頭密封性能有不同要求，結(jié)合實(shí)際工況做出適配調(diào)整，是增強(qiáng)密封可靠性的重要環(huán)節(jié)。管道系統(tǒng)在某類型深海石油天然氣開采平臺(tái)上面臨著高壓、低溫和強(qiáng)腐蝕的苛刻工況。就高壓而言，其工作壓力可達(dá)到15MPa ，比普通陸地管道高幾倍；低溫環(huán)境中海水溫度終年低于 5^°C ；同時(shí)海水中含有大量的各種腐蝕性離子，對(duì)密封部件有強(qiáng)烈的腐蝕作用。考慮到高壓的工作環(huán)境，選擇強(qiáng)度更高的法蘭和螺栓材料。例如，使用 16MnR 鋼來制作法蘭，屈服強(qiáng)度可以達(dá)到 345MPa ，比傳統(tǒng)碳鋼提高了大約 30% ;螺栓選用10.9級(jí)高強(qiáng)度合金鋼以確保高壓下能提供充分預(yù)緊力。在低溫環(huán)境下，雙楔角環(huán)墊選擇具有優(yōu)良低溫耐受性的橡膠材料，例如乙丙橡膠，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度能夠降至 -50^°C 以下，在低溫環(huán)境中仍然可以保持較好的彈性及密封性能。

為應(yīng)對(duì)強(qiáng)腐蝕環(huán)境，對(duì)法蘭和螺栓實(shí)施了特定的防腐措施。例如使用熱浸鋅技術(shù)，使鋅層的厚度達(dá)到 80～100μm ，在金屬表層形成了一層緊密的保護(hù)層。同時(shí)，在雙楔角環(huán)墊表面涂覆厚度為0.3＼～0.5mm 的聚四氟乙烯涂層，有效提高環(huán)墊的耐腐蝕性能。通過采取上述工況適配和調(diào)整措施，雙楔角環(huán)墊法蘭接頭密封可靠性顯著提高，確保深海油氣開采平臺(tái)安全平穩(wěn)作業(yè)。

3結(jié)語

通過對(duì)雙楔角環(huán)墊法蘭接頭以預(yù)緊力分析為基礎(chǔ)的密封可靠性進(jìn)行深入研究，闡明預(yù)緊力對(duì)密封性能的關(guān)鍵性作用和影響規(guī)律，并提出可行的提高密封可靠性策略。理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等研究手段為雙楔角環(huán)墊法蘭接頭密封設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。今后，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)密封可靠性的要求也會(huì)越來越高。

參考文獻(xiàn)：

［1］張玉，陳慶.雙楔角環(huán)墊法蘭接頭密封性能研究[J].石油化工設(shè)備，2021，50（1）：12-18.

[2］王穩(wěn)，羅宇航，李時(shí)華.葉片載荷與螺栓預(yù)緊力對(duì)應(yīng)關(guān)系分析與研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2025（2）：138-140.