1 前言
法蘭及其墊片、緊固件統稱為法蘭接頭。法蘭接頭是石油化工生產中使用極為普遍，涉及面非常廣泛的一種零部件。它是配管設計、管件閥門中*的零件，也是設備、設備零部件(如人孔、手孔、液面計等) 中*的構件。
法蘭接頭在壓力容器、壓力管道中的主要功能是連接與密封，法蘭的失效不是因為強度問題，而是在螺栓載荷、墊片反力和介質壓力的合成力矩作用下，由于剛度不足而產生變形(轉角)，使其對墊片的壓緊力不均勻，從而導致法蘭接頭泄漏。因此，控制法蘭剛度和變形是法蘭接頭的關鍵。由于法蘭接頭的載荷和變形涉及的因素比較復雜，長期以來只能用經驗和法蘭應力計算來間接反映，國外規(guī)范已列入了法蘭剛度計算方法，而我國容器標準和法規(guī)(GB150和容規(guī))是以保證壓力容器安全運行為目標而制定的，壓力容器安全成為防止強度失效或脆性斷裂的代名詞。
2 法蘭接頭的密封機理
在螺栓上緊后，使墊片與兩個法蘭密封面之間產生一定的密封力，此時墊片單位面積上的密封力稱為預緊比壓，預緊比壓使墊片產生一定的變形，從而保證接觸面的密封。墊片的材質不同，預緊比壓的要求也不同。當介質壓力升起后，由于內壓的作用使墊片的壓緊力比預緊狀態(tài)有所降低。為了保證在工作狀態(tài)下的密封性能，要求此時墊片的比壓不小于m×p(p為內壓，m是與墊片材質及要求達到的密封程度有關的數值)。
法蘭的泄漏情況用泄漏率來表示。通常氣體的泄漏率要遠大于液體的泄漏率，墊片的密封性能一般用一定壓力下氮氣的泄漏率來評價。對某種墊片而言，其泄漏率L與內壓P和預緊比壓y1的關系是y1=a+b ln(P/L)。式中a、b為墊片材料特征常數。
3 法蘭接頭的性能和幾個錯誤認識
3.1 墊片
墊片是影響接頭密封性能zui關鍵的環(huán)節(jié)，法蘭和螺栓都是圍繞保證墊片在zui適當的狀態(tài)下工作而設置的，因此，提高法蘭接頭的密封性能應首先考慮墊片問題。
長期以來，我國未把密封—泄漏率定量地作為影響壓力容器和管道安全的主要因素，對墊片材料的選用未引起重視。一些裝置在選用墊片時也同樣存在諸多誤區(qū)：
⑴把石棉橡膠板作為一個的墊片，不考慮使用條件而廣泛采用。實際上，石棉橡膠板是將石棉纖維和不同橡膠及其它粘合劑混煉后壓制而成，是一多孔的非金屬材料，而且隨著組成的品種和配比不同，其性能變化是很大的。
由于標準中列入了這種條款，長期以來我們誤認為石棉橡膠板可以用至450℃，6MPa(XB450)，無論蒸汽系統、氫氣系統、油品系統都可以普遍使用。實際上，國外對石棉橡膠板的使用有嚴格的限制，如美國杜邦公司規(guī)定易燃介質不得使用石棉橡膠板，因為一旦發(fā)生火災，采用石棉橡膠板的法蘭接頭很難保證不產生二次泄漏。日本 “石油工業(yè)用石棉橡膠板”標準規(guī)定易燃體使用石棉橡膠板的條件為0~260℃，≤1.0MPa，水、空氣、水蒸汽為-50~260℃，≤3.0MPa。而且，國外標準對石棉橡膠板的性能指標要求比國內同類產品要高。
?、坪駢|片比薄墊片好。事實上，石棉橡膠板是一多孔的材料，墊片越厚，其滲透率越高，為了保證較高的密封性，必須施加比薄墊片更大的壓緊力，才能將其芯部泄漏率降低，因此厚墊片比薄墊片需要的壓緊力要大。對于水這樣的大分子液體來講，通過墊片芯部的泄漏率很小，厚度影響不大。通常厚墊片僅僅是法蘭直徑較大，考慮密封面波浪度或瓢曲時使用。一般其厚度依次采用0.81，0.6，3.2mm。
墊片寬度也不是越寬越好，相反，適當窄一點能提高其密封比壓。但非金屬墊片保證一定的寬度是有必要的，一是可以控制內部泄漏，二是不致使壓緊力過大，把墊片壓潰。
⑶金屬纏繞墊是現在常是用的一種半金屬墊。它一般由0.2mm左右的V形金屬帶與非金屬帶(如四氟、石墨等)纏繞而成，非金屬帶一般要露頭零點幾毫米，以在兩側表面形成非金屬密封層。金屬纏繞墊的特點是強度高、彈性好、防滲漏、耐高溫。因此纏繞墊適用于中壓系統或要求較高的場合。但在使用中，有將不帶內、外環(huán)的墊片用于平面法蘭的情況，由于內、外環(huán)有定位、加固(壓緊力的作用下不致垮散)、控制壓緊力的作用，當法蘭密封面為平面時，如使用的纏繞墊不帶內、外環(huán)，極易使墊片壓潰，使密封失效。
3.2 法蘭
⑴壓力等級
一般壓力等級越高，密封性能越好。但法蘭的選用涉及管道元件，如閥門、管件、機械設備等的配套問題，因而其壓力等級不可隨意提高。
⑵法蘭型式
法蘭型式有許多種，如對焊、平焊、活套法蘭。其密封面型式有凸面、凹凸面、榫槽、梯型槽等。法蘭型式、密封面型式和密封面光潔度對密封性能影響較大。
過去，進行強度計算時，都知道同樣厚度的帶頸對焊法蘭強度比板式平焊法蘭好，且可作定量計算，但各種法蘭對密封有何影響，卻沒有定量概念，在GB150中也沒有法蘭剛度的計算公式。
美國ASME規(guī)范1995年起納入了對法蘭剛度進行校核的概念，提出了法蘭剛度計算方法：
WN帶頸對焊法蘭、整體法蘭
PL平板法蘭
當J≤1.0時，可以認為法蘭有較好的剛度。
取J=1.0可得到許用彎矩[M]的計算式。
⑶密封面表面粗糙度
密封面表面粗糙度與墊片材質、密封比壓、要求的泄漏率有關，不宜太高，也不宜太低。國外在選用、采購、驗收時對密封面表面粗糙度都有規(guī)定并作為檢查項目，我國尚未引起足夠的重視，且存在一些錯誤做法，如在密封面上車兩道1mm的三角形槽，不管用什么墊片，法蘭面均車水線。
3.3 緊固件
緊固件在法蘭連接中作用比較簡單, 即施加緊固力, 一般密封等級高，要求的螺栓力較大。為了達到T3級密封，無論什么墊片，一般要求螺栓予緊力要達到200MPa左右，因此，以采用合金高強度螺栓為宜，采用低碳鋼或中碳鋼的概念與要求較高的密封等級是不相適應的。實際上，國家*的文件中已明確液化氣球罐上法蘭必須用高強度合金螺栓。
螺栓力的控制是保證法蘭密封性的主要因素之一，尤其是螺栓力要均勻，否則，易使法蘭面變形不均勻，或使密封面和墊片壓潰，造成密封失效。國內通常采用套筒沖擊扳手，螺栓潤滑也不講究，因此實際螺栓力與要求相差甚遠，zui大與zui小可達4倍，往往不能保證良好的密封。如我公司加氫制氫車間的10臺意大利進口換熱器，原檢修時采用手工扳手，由于螺栓力過高，且法蘭受力不均勻，使法蘭梯形槽壓壞，出現裂紋，造成嚴重的安全隱患。1997年，我們采用液壓力矩扳手后，由于控制了適當的予緊力和均勻的螺栓力，不僅保證了密封面完好，且保證了良好的密封性能。
法蘭密封性能的影響因素還有管道系統布置、熱膨脹、振動等現場條件，在實際選用時要綜合考慮。
4 結論
⑴墊片是影響法蘭密封的主要因素，目前在易燃易爆介質或重要場合應主要選用半金屬和金屬墊片，如液化氣、蒸汽、油品等以選用金屬纏繞墊為好，高溫、高壓部位則應根據實際條件選用相應的金屬。
⑵重要部位法蘭應采用整體法蘭或高頸法蘭，并注意法蘭粗糙度和墊片的匹配，采用纏繞墊，法蘭為凸面時，墊片應帶內、外環(huán)。
⑶為提高密封等級，螺栓強度等級應適當提高，關鍵設備、重要設備的法蘭在安裝時要控制好螺栓予緊力，同時要保證均勻的螺栓力。
⑷外加載荷較大時，管道設計時要采取措施予以減小，或適當提高法蘭等級。
