【密封知识】垫片和螺栓法兰连接系统

                               
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垫片：

垫片是夹持在一对法兰密封面之间的单个密封零件。安装时，通过拧紧螺栓对法兰施加一外力，该外力传递给垫片，使垫片发生压缩变形。从能量的概念出发，外力作用垫片所做的功，若不考虑任何能量损失，将全部转变为变形能，贮存于垫片内。工作时，密封流体压力迫使法兰密封面分离，压缩垫片的载荷被部分卸除，贮存于垫片中的变形能以做功的方式来恢复变形，即垫片释放其能量。若贮存的变形能尚有剩余，垫片与法兰密封面仍保持接触，法兰不会发生泄漏。所以，垫片也被描述为“密封在两个表面之间，并贮存有能量的一个装置”。

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一、螺栓法兰连接系统

如技术上和经济上可行，能够制造出十分光滑和精细的两被连接件的接合面，并用螺栓连接起来，使两接合面始终保持接触，则接合面之间就不需要放置垫片，此种螺栓连接称为无垫螺栓接头（non-gasketed bolt joints），常用于汽车、飞机、钢结构、重型设备等领域。但是由于设备结构和尺寸的限制，加工和安装很难得到理想的光滑接合面；其次，接合面也会随时间产生腐蚀或磨蚀变得不光滑。因此，需要在这些接合面中间安装垫片作为过渡元件，以此与结合面形成紧密的接触，提供连接必需的密封，并与无垫螺栓接头相比，可以在较低螺栓载荷下经济地实现密封，该种螺栓连接称为垫片螺栓接头（gasketed bolt joints），是压力管道，压力容器和承压设备应用最广泛，使用最频繁的可拆式连接。由于被连接件通常采用一对法兰，法兰一端与壳体或管道相连，并用一组螺栓将两法兰紧固在一起。通常把此类螺栓连接称为螺栓法兰连接（bolted flanged connection,BFC）或螺栓法兰接头（bolted flanged joint,BFJ），如图3.18所示。

                               
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由此可见，BFC是一个由法兰、螺栓和垫片等元件组成的组合件。两个法兰可以是同样型式和材料的法兰，也可以是不同型式和（或）材料的法兰，或者其中一个是用螺栓连接的平盖。而垫片总是比法兰密封软的材料制成。

                               
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二、两种螺栓法兰连接型式

根据密封原理，将螺栓法兰连接分为浮动型（floating type,FL）或金属与金属非接触型（nonmetal-to-metal contact）螺栓法兰连接和金属与金属接触型（metal to metal contact,MMC）螺栓法兰连接两大类。如图3.19（a）所示，浮动型的螺栓法兰连接指垫片夹持在一对法兰的两个接合面之间，自从预紧螺栓的安装开始，知道法兰连接的整个服役期内，法兰接合面不发生任何接触，因此螺栓预紧载荷完全作用在垫片上，而进入运行后，垫片初始载荷将随外部载荷作用增加或减少，且垫片上的载荷分布也是不均匀的。而金属与金属接触型（下称“MMC”）的螺栓法兰连接可使用与浮动型螺栓法兰连接同样的法兰，只是将某些型式的压缩限制装置放在螺栓中心圆内的法兰接合面上，次压缩限制装置也可以是垫片一部分货独立的一个部件，起限位器的作用，如图3.19（b）所以。因此，当螺栓预紧后，法兰的两接合面金属或法兰接合面金属与压缩限制器金属之间发生机械接触。相比浮动型，MMC型螺栓法兰连接的主要特点是螺栓必须被施加到足够高的载荷，除了达到金属接除外，且保证在其后任何外部载荷作用下，在整个法兰连接的全生命周期内始终保持金属接触而不脱离，这样垫片上载荷也总是保持固定，并周向均匀分布。压缩限制装置起了承揽外部载荷的作用，提供了法兰接头最佳的密封性能。因此，浮动型和MMC型法兰螺栓连接的主要区别在于垫片环境的任何改变不会导致干扰垫片载荷大小和分布的风险，因这些干扰，包括自重、流体压力、外弯矩和温度变化等载荷及其波动都被转移到螺栓和机械接触部件上去。其次，MMC法兰螺栓连接也减少了螺栓因承受循环载荷，发生疲劳或松脱的危险。此外，它还提高了法兰的刚性，减少了法兰的转角。

                               
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三、螺栓法兰连接的载荷

如图3.20所示，作用在螺栓法兰连接上的载荷如下。

                               
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①压力载荷P：沿径向均匀作用在法兰内壁和垫片内圆表面的介质内压力。

②端部载荷W：作用在法兰端部介质内压力产生的轴向载荷，它使法兰轴向分离。

③螺栓载荷F：拧紧螺母时拉伸螺栓的力，此反作用力用于压缩法兰。

④垫片载荷G：法兰作用于垫片的压缩力。施加在垫片上的压缩载荷，一部分用于使垫片材料发生流动，用于填充法兰密封表面的凹坑和其他不规则形状缺陷，其余部分用以补偿内压、法兰和螺栓热膨胀差等引起密封面分离，防止密封介质泄露。

⑤外力T和外力距M：它是与法兰相连接的设备和管道作用在法兰的轴向外力或（和）面内外力距。

通常，垫片发生泄露是由于垫片本身存在泄露通道（内部泄露），或者是通过垫片表面与法兰密封面间的通道泄露（界面泄露）。当拧紧法兰螺栓时，垫片上下表面受到挤压后，内部泄露通道趋于闭合，而表面的变形堵塞了界面的泄露通道。因此，螺栓预紧载荷或垫片预紧应力的大小和分布状况，是影响螺栓法兰连接密封能力的最直接，也是最重要的因素。

挺好的资料，认真学习

谢谢楼主分享。

学习了

非常不错，学习了，能顺带讲下比压力和垫片系数吗

谢谢楼主分享资料。