第一章 绪论

1.1 前言

压力容器可拆卸的密封连接形式很多，如中低压容器中的螺纹连接、承插式连接和螺栓法兰连接等，其中螺栓法兰连接由于装拆方便应用最为普遍。螺栓法兰连接结构由法兰、螺栓及垫片组成，其依靠螺栓预紧力把两部分设备或管道的法兰环连接在一起，同时压紧垫片，使连接处达到密封^[1]。螺栓法兰连接是”螺栓-垫片-法兰密封系统”的总称，它拆卸方便、强度高、密封性能良好。在石油化工领域，螺栓法兰连接作为重要的连接形式被广泛地应用于化工、炼油等行业的压力容器和管道中，作为连接密封的结构，要求其连接具有可靠的紧密性能和足够的强度。由于螺栓预紧力及操作工况下介质压力、温度以及管系产生的附加弯矩和附加轴向力等载荷作用，接头处易发生泄漏，导致密封失效，不仅浪费能源，污染环境，甚至酿成灾难性的事故^[2]。2001年根据统计数据表明，泄漏事故中25%发生在安装阶段，75%发生在运行阶段，而所有泄漏事故中有17%发生在螺栓法兰连接的位置，由此可以看出螺栓法兰的紧固密封对保证压力容器的安全运行有着很重要的作用。

随着化工设备尺寸，操作压力和温度高参数化，新型密封材料的出现以及对螺栓法兰接头设计总体优化的迫切要求，对法兰连接在内的化工设备的强度和密封性的要求也随之提高。这就使得螺栓法兰接头和密封垫片的研究逐渐引起世界上主要国家、行业组织和企业的广泛重视^[3]。因此，对螺栓法兰连接工作机理做出更加深入的理解，在有关标准和规定方面更加优化，并据此设计出既能满足强度要求又能有良好紧密性能的螺栓法兰连接件已经成为当前长盛不衰的一个课题。

螺栓法兰连接研究仍有很多未考虑的因素，研究者们面临着很多困难，如：振动和冲击等载荷对连接结构的影响；螺栓法兰连接结构中存在着结构和材料的非线性以及垫片的材料非线性和应力-应变时滞效应；螺栓法兰结构强度、紧密型、泄漏、可靠性以及寿命分析等是相互联系的，所以动载荷下螺栓法兰连接系统的完整性评价研究是亟待解决的问题，这对保证工业装备的长周期安全运行具有十分重要的意义。

2.1 静密封连接系统技术的研究现况

2.1.1 密封机理

泄漏是发生在隔离物体上的传质现象，只要存在泄漏，则必然在隔离物体上存在泄漏通道。对于非金属垫片来说，密封是通过拧紧螺栓，在法兰和垫片的接触表面及垫片内部产生较大的压紧应力，从而一方面使垫片表面与法兰表面紧密贴合、填满法兰表面的微间隙，另一方面减小垫片材料的孔隙率即减小被密封介质的泄漏通道来实现密封。螺栓法兰垫片密封的泄漏主要有两种形式^[4]，即界面泄漏和渗透泄漏。非金属垫片通常由纤维与橡胶粘结压制而成，或由柔性石墨等多孔材料制造而成。其组织疏松，致密性差，由于温度和压力的长时间作用，其材料发生劣化，密封性能下降，垫片应力松弛，介质很容易通过材料内部的孔隙渗透出来发生渗透泄漏。同时，垫片压紧力不足，法兰面粗糙，管道变形及操作工况下由温度、压力作用下引起的螺栓变形伸长，垫片蠕变松弛，回弹能力下降，垫片材料劣化都会引起垫片和法兰密封面的贴合不严而发生界面泄漏。由于不可能将法兰表面加工成绝对光滑的理想表面，也不可能实现密封面间的完全嵌合以及密封元件本身孔隙的完全阻塞，所以，对垫片密封来讲，泄漏是不可避免的。

2.1.2 密封泄漏

影响法兰密封的因素虽然很多，但概括来说有三个方面^[5]：一是法兰连接构件（法兰、垫片和螺栓等）自身的状况；二是操作条件（介质、压力、温度）；三是安装不当等外界的因素。