在石油、天然气和加工工业中，工程师和技术人员必须面对为各种工业设备保持密封的问题。一个例子是法兰，这是一个管道连接到另一个管道或设备的最常见的连接方法。由于要连接的部件都是刚性的，所以它们都必须经过完美的加工和对齐。在不断变化的使用条件下，他们也必须保持这种对齐位置，以保持密封。考虑到设备中使用的合金的性质、所含流体以及工艺变量(如振动、温度变化、磨损和化学兼容性)和成本限制(人工小时维护时间、产品成本和停机时间)，这可能很难实现。
这就是为什么垫圈是至关重要的。垫片用于填充两个配合部件之间的间隙，一般比要连接的刚性部件更软，并防止流体以泄漏的形式损失。密封是通过压缩连接物体和垫圈来实现的，使后者通过夹紧力和内部压力相互作用来填充法兰表面的不规则性。
管道不是空的。它们有流体流经它们和法兰。任何流体都有向各个方向扩展力的特性。最初，流经管道的流体将接触到法兰内径的表面和垫圈。力的大小可以用公式1计算。
垫片会根据施加在它们上的初始力来密封。垫圈制造商和设计工程师已经确定，通过扭转用于压缩法兰的螺栓，垫圈可以被压缩。最简单的模型是将施加的压缩力与螺栓扭矩联系起来的公式2。
然而，垫圈所承受的应力并不均匀地与螺栓扭矩值成比例，因为应力可以沿周向变化。这是因为垫圈和法兰面之间的接触方式和面积与螺栓和螺母的接触面积不同。螺栓作用在法兰上的总力如式3所示。
扭矩与给定数量的螺栓n成正比，如式4所示。
将T表示为以英尺磅为单位的扭矩，这是用户为防止泄漏而施加在垫圈上的力的主要手段。
虽然这里给出的方程是理想模型(因为它们没有考虑粗糙性、其他法兰阻力等)，但它们确实代表了工业中观察到的平均情况。如表1所示，通过螺栓紧固施加的力压缩垫圈，使其变形。
如果要避免泄漏，施加的力必须超过流体的压力(流体静力)。管道中的流体静力倾向于分离法兰，并与压缩螺栓力相对抗，从而在运行过程中降低螺栓力。
图片1。垫圈的可接受螺栓应力。(图片由作者提供)垫圈必须既足够坚固，以承受工艺压力，又足够柔软，可变形，以填补法兰的不规则性。虽然已经写了几篇论文来更好地理解垫圈和法兰之间的关系，但众所周知，密封能力不仅是通过螺栓连接来实现的，而是通过各种因素的组合来实现的，这些因素可能因一种接头而不同。
管道诱导力在安装后不久就开始发挥作用。在运行过程中，由于温度和工艺对管道材料和结构的影响，它们开始影响系统。
图片2。作用在法兰和垫圈上的力螺母和紧固件是为法兰和垫圈提供压缩压力的其他关键元件。它们的功能是充分夹紧关节，由于工艺变量引起的张力。紧固件还表现出松弛和伸长，这取决于其结构材料，对可用的载荷量有相当大的影响。
如果在操作过程中超出了扣件的弹性区域，扣件就会屈服并发生不可逆的变形，并且提供载荷力(本质上是压缩载荷)的能力将会降低。
振动、对准和机械灵活性会影响这些变形的数量和程度，使它们成为在可变操作条件下需要考虑的关键设备和工艺设计变量。
表1。接缝密封应考虑的因素如果垫圈通过螺栓扭矩来应对所有这些力，根据施加的应力，可以出现四种情况:
垫片应力足以承受内力和法兰力，达到良好的密封性能。
垫片应力下降到不足以补偿法兰力的程度。
垫圈应力太高，很快就会破坏完整性。
管道诱导力/法兰力增加到一个值，危及垫圈和管道系统/设备的完整性。
垫片属性在任何这些场景中也起作用。了解垫圈材料、密度、可压缩性、恢复、松弛、最小阀座应力和操作下的最小应力，对于确定垫圈实现接触和密封时的装配螺栓应力极限至关重要。
因此，低扭矩负荷、垫圈选择不当、安装不当、材料选择不当甚至设备设计不当，都可能导致管道过早或灾难性故障。
垫圈制造商和技术人员利用他们多年的经验提出了故障排除指南和经验法则，以帮助用户为自己的特定情况提供最佳解决方案。
表2。解决由于管道应变导致的密封和垫圈故障对于任何特定的工艺变量集，垫圈制造商都可以提供建议。
垫圈、接头、紧固件和工艺变量应被视为一个完整的动态系统，而不是需要控制的较小的孤立元素。
这样，垫圈失效的调查过程确保泄漏问题能够根据实际原因及其在过程动力学中的含义准确定位。
参考文献
1.Kobayashi, Takashi，“垫片偏转及其对螺栓法兰连接剩余螺栓力和密封性的影响”ASME 2014压力容器和管道会议。pvp2014 - 28514
下个月: HVAC和管道系统的噪声和振动隔离-为什么橡胶是最佳选择
我们邀请您对文章主题以及密封问题提出建议，以便我们更好地响应行业需求。请将您的建议和问题转给sealingsensequestions@fluidsealing.com．