高温高压会降低垫片的回弹能力和实际密封性能。就法兰螺栓结构来看，热压工况引起的变形是影响密封的主要因素之一。在实际工况中，影响密封的因素很多，所以下面把法兰、螺栓、垫片视为一个整体，重点分析温度变化时，其瞬态温度分布及垫片应力、螺栓应力、垫片回弹量的瞬时变化，揭示温度和压力下螺栓法兰连接的密封特性。

　　1、瞬态温度场

　　升温过程中，法兰环从内到外存在一定的温度差，因热量是从法兰内壁向外壁传递的，法兰中靠近外壁部分的温度变化比内壁滞后一段时间螺栓与法兰之间仅靠接触面传热，螺栓的温度应比法兰有较大的滞后，形成法兰螺栓的瞬态温度场瞬态温度场引起法兰变形。升温初期，法兰接管受热升温比法兰环快得多，两者热涨量相差较大，接管的进一步膨胀受到法兰环的约束，从而使法兰产生较大的偏角，具体如图1 所示。

　　事实上，法兰偏角是热涨与螺栓力矩共同作用的结果，而升温前因为只有螺栓力矩的作用，导致产生的法兰偏角很小罢了。当法兰温度达到稳定时，法兰与接管的温度差最小，转角也趋于减小，但法兰和螺栓的轴向和径向的线胀量却增加了。

　　2、热压工况对法兰连接系统密封性能的影响

　　系统升压使垫片的有效紧固力比预紧力小，而系统升温时，螺栓升温滞后，法兰升温较快而产生的热胀使垫片进一步压缩，垫片应力又增加因此在系统升温和升压的过程中，垫片应力的变化量取决于升压和升温的共同作用。法兰转角的变化，一方面抑制了因法兰和螺栓的膨胀差引起的垫片应力的进一步升高;另一方面由于法兰的转动变形，导致垫片外侧被进一步压缩，使之产生塑性变形而降低了垫片的回弹能力，并对垫片的密封产生不利影响。温度对法兰密封的影响还随接管、法兰、垫片螺栓的材质不同和升温的速度和时间点不同，可使垫片的密封应力减少或增加。

　　瞬间升温过大也会导致不良后果，这是因为垫片会在短时间内被过分压缩，失去部分回弹能力，同时使法兰产生了较大变形而降低了密封能力。此外，法兰内也会产生较大的不利于密封的瞬态热应力，所以必须控制升温的速率;瞬间降温幅度过大同样也会使法兰在瞬间发生较大变形，并产生较大的瞬态热应力造成泄漏。

　　从另一个角度讲，温度升降过快都会导致管道、法兰、垫片、螺栓的温差加大，它们的应力、应变不能在瞬间完成相互的协调变化，导致法兰密封失效。

　　法兰、垫片、螺栓在高温操作条件下达到平衡后，因其发生蠕变-松弛，使垫片在一个较低的应力水平达到密封。若此操作压力不变，而温度有较大幅度下降，因冷缩会使垫片所受的有效压紧力更小，极易发生泄漏。因此，停工检修时控制降温速率也是必要的。

　　3、常用垫片的特性

　　垫片是在石油化工法兰连接中最重要的密封元件，其密封特性直接影响法兰连接的紧密性，同时对连接点的泄漏性也起着至关重要的作用。在对螺栓紧固力研究的同时，垫片本身的一些特性及其密封性对泄漏的影响也是需要重视和了解的。因预紧阶段垫片是靠表面的塑性变形实现密封的，而操作阶段是靠垫片的回弹力密封的，所以理想的垫片应是其表面具有良好的塑性变形，内部应有优良的压缩回弹性，所有垫片的结构设计都是围绕这两点进行的。

　　4. 石棉橡胶垫

　　石棉橡胶垫因具有质轻，不易变形，方便运输、存放，耐腐蚀等特点，可以任意剪成各种规格和形状而广泛使用，但其回弹性很差，因此只能用在低压环境中，而且因其含有致癌物质，在许多国家已被禁用。

　　5、缠绕垫

　　柔性石墨缠绕垫是用 V 形或 W 型断面的金属带和填充带相间螺旋状缠绕而成。后来为了提高垫片的强度和可靠性，以及方便安装对中，根据法兰密封形式和操作条件不同，分别采用了带外环、带内环、带内外环的垫片。

　　缠绕垫在安装和使用过程中，最常见的破坏主要是散架和压溃。由于缠绕垫的密封比压要求较大，安装和使用过程中，垫片受到很大的压紧力，外层同心焊接的焊点在周向力的作用下容易发生拉脱，使整个垫片散架。在高温和高压情况下，垫片受到的压紧力很大，垫片内的填充物受压产生的内应力向内径方向作用于内层钢带，使内层钢带受到外压作用。当外压超过一定值时，此钢带围成的钢带圈向内凹陷，使垫片发生局部损坏，导致密封失败，称为压溃现象。缠绕式垫片的压紧比压越高，规格越大就越容易发生压溃。

　　缠绕垫内的填充物受压产生的内应力沿径向向外产生散架的破坏作用，向内产生压溃的破坏作用，不利于垫片的压紧，故带内外环的垫片的密封效果要比带内环和外环的好;又因内压有使垫片产生散架的破坏作用，故带外环的比带内环的密封效果好。

　　6、金属环垫

　　与金属环垫配用的法兰密封面为环槽面，常用在高温、高压工况下。从理论上讲，金属垫片的密封是圆周线密封，因此，要求金属环，法兰梯形槽表面不得有伤痕，表面应光滑洁净金属环垫虽然第一次密封效果好，但因垫片与法兰之间仅为线接触，且这种垫片的密封压紧力又很大，垫片和法兰梯形槽接触点之间的力很大(一般要大于12 MPa)，特别是高温条件下，会使梯形槽表面发生变形、裂纹等不同程度的损伤，一旦密封失效，很难再实现密封即使更换新的垫片，也解决不了泄漏问题，必须对梯形槽进行补焊和研磨，否则只能将法兰与垫片一起更换，尤其在应力腐蚀介质存在的情况下，裂纹的发生和扩展更为明显或严重。这是金属环垫片使用过程中最常见的问题之一，再加上金属环垫的安装拆卸困难等因素，发达国家从20 世纪70 年代已开始用高压缠绕垫代替金属环垫。目前已基本不用金属环垫，我国因制造技术与工艺还不成熟，加上其他诸多因素，仍沿用金属环垫。

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