摘要:针对法兰连接系统长时间在高温下工作会导致泄漏失效的问题, 对法兰连接系统的 3个主要部件的失效机理进行了分析, 其中从蠕变、 预紧力、 脆性断裂及疲劳等方面分析了螺栓的失效机理;从蠕变松弛失效、 高温回弹性失效和高温强度失效等方面分析了垫片的失效机理;从高温蠕变松弛失效和高温下的界面泄漏失效等方面分析了法兰的失效机理。本文为更快地找出高温下法兰连接系统的失效原因提供了参考依据。

　　关键词:高温垫片;高温泄漏;高温蠕变

　　随着现代石油、化工、能源、深海和航天技术的飞速发展 , 其装置需要经常在高温工况下运行,因而对法兰密封连接结构提出了愈来愈高的要求。由于高温会引起垫片老化、强度降低、蠕变松弛增大,从而使其回弹能力下降 ;高温还会导致螺栓伸长或蠕变变形,引起法兰翘曲,从而影响整个螺栓法兰连接系统密封可靠性, 故法兰连接结构在高温下的失效成为目前所急需解决的一个问题。

　　1 螺栓的高温失效分析

　　螺栓是法兰连接系统的主要紧固元件, 在高温下, 螺栓的失效不仅对法兰连接系统的密封性有影响, 更重要的是对系统的经济性和安全性有很大的影响。高温螺栓失效的主要机制包括蠕变的影响、预紧力的影响、脆性断裂及疲劳的影响几个方面。

　　1. 1 螺栓的蠕变松弛失效

　　金属材料在高温和持续应力同时作用下产生缓慢塑性变形的现象称为蠕变。而松弛是金属材料蠕变的另一种表现形式,即在总变形量不变的条件下,由于蠕变的作用, 材料弹性应力随时间增加而减小的现象叫做松弛 [ 1 - 2] 。法兰螺栓的应力松弛是典型的蠕变松弛现象。当螺栓在室温状态下被预紧时, 不会发生蠕变。在温度和压力上升至操作条件并稳定后 , 随着操作时间的推移, 螺栓会开始发生蠕变, 蠕变应变的大小取决于螺栓上的应力水平和操作温度。通过实验可知 [ 3 - 5] , 随着时间的推移, 由于高温蠕变的作用, 螺栓弹性应变逐渐变小, 剩余应力也逐渐变小, 这就是螺栓的应力松弛。当螺栓拉紧力因应力松弛变得越来越小时, 垫片压紧力也随着变小, 当其小于操作状态下密封需要的最小垫片压紧力时, 法兰接头开始泄漏,导致密封失效。

　　1. 2 螺栓预紧的影响

　　在安装过程中,螺栓需要有外加作用力才能紧固法兰连接系统,这个外加的作用力就叫预紧力。由于各个紧固螺栓的外加预紧力不容易控制均匀,所以就造成螺栓受到偏心载荷作用, 从而在螺栓上产生附加的弯曲应力 ( 产生弯曲附加应力的原因有:螺栓与法兰平面不垂直;螺母支承面与法兰面不平行;垫圈厚度不均;紧固工艺不当 , 如使用大锤冲击等使螺母发生位移等) , 加上温度及介质载荷的波动 ,其对螺栓强度影响极大,是造成螺栓早期失效的主要因素之一。

　　1.3 螺栓的脆性断裂及疲劳失效

　　螺栓在高温条件下长时间运行会造成螺栓内部微观组织的变化,并造成冲击韧性α K值下降很快。材料金相组织观察发现,沿原奥氏体晶界出现黑色网状组织,随时间 的延长, 这种黑色状组织越来 越明显 [ 6] 。这是由于粗大晶粒易于杂质原子富集, 且粗大晶粒晶界处的碳化物膜厚, 使晶界强度下降, 导致脆断。且在此过程中几乎没有塑性变形, 故 α K值很低,基本是解理破坏和晶界破坏 [ 7] 。这种螺栓的脆性断裂及疲劳是一种危害性比较大的失效形式, 如果没有对设备进行仔细地监控, 这种失效形式会突然发生, 造成巨大的损失。

　　2 垫片的高温失效分析

　　垫片是法兰连接系统中的关键元件,其性能的好坏直接关系到整个法兰连接系统密封寿命 。因此 , 垫片的密封性能是评定垫片质量的一项综合指标 [ 8] 。而工况下允许泄漏率的确定一方面与所使用环境的危险程度有关 , 另一方面要考虑各种垫片可能达到的密封能力 。美国压力协会研究委员会 ( P V R C )早在 20世纪 80年代就根据典型垫片的管路泄漏率估计 , 推荐了法兰连接紧密性准则 , 将密封等级分为 3级 [ 9] :

　　( 1)经济型 T 1 :单位质的泄漏率为 2 ×10 -1g /( s ·m m ) ;

　　( 2)标准级 T 2 :单位质的泄漏率为 2 ×10 -3g /( s ·m m ) ;

　　( 3)紧密级 T 3 :单位质的泄漏率为 2 ×10 -5g /( s ·m m ) 。

　　垫片是借助于螺栓的预紧载荷由法兰面实施压紧, 使其产生弹性塑性变形, 填充一对法兰密封面之间的几何间隙, 切断或阻止流体泄漏。在高温情况下, 垫片由于受到高温的影响而产生了脆化、高温蠕变等一系列变化, 从而导致垫片密封能力下降, 最后产生泄漏 [ 10] 。常见的垫片失效形式为垫片的蠕变松弛失效、垫片的高温回弹性失效和垫片的高温强度失效。

　　2. 1 高温下的压缩回弹性失效

　　为了保证预紧时垫片表面和法兰面能够形成初始密封, 需要垫片有良好的压缩性。而当设备投入运行后 , 随着温度的不断升高, 垫片产生蠕变 , 加上螺栓伸长, 会导致法兰面和垫片表面产生相对分离的倾向 [ 11 - 12] 。为了保证垫片在高温工作环境下不会发生泄漏, 垫片必须有足够的回弹量来补偿由高温引起的蠕变。在高温高压下,由于温度和压力的波动,导致垫片的蠕变加剧,垫片材料的弹性模量、屈服极限将大幅度降低,垫片压缩量增大,塑性变形量增加,故回弹性能下降。如果此时密封介质的压力也很高,垫片就有被介质压力吹出的趋势,直至最终发生突然泄漏事故。

　　2. 2 高温下的蠕变松弛失效

　　垫片在长时间恒定应力作用下变形量不断增加的现象称为垫片的蠕变。而垫片的应力松弛是垫片在初始压紧力作用下,经过一定的时间所产生的垫片的应力逐渐降低的现象。垫片的松弛实际上就是垫片材料蠕变的另一种形式, 它们是相互作用、相互依赖的。在高温工况下,随着时间的不断增加,垫片材料产生老化,热失重增加,垫片的蠕变逐渐增大;同时加工制造过程中形成的垫片内应力逐渐释放,使垫片产生应力松弛 ;蠕变松弛的相互影响和共同作用导致垫片表面的残余应力逐渐越小,如果残余应力小到低于垫片的工作密封比压,就会产生泄漏现象。蠕变松弛率的大小实际上反映了工况条件下垫片表面保持残余压紧应力的能力。尽管温度和应力都是影响垫片的主要原因,但是温度对蠕变松弛的影响比应力的影响大得多。

　　2. 3 高温下的强度失效

　　垫片在长时间高温作用下,其材料性能会发生很大的变化,这时无论是应力的波动还是介质的腐蚀作用都会造成垫片的强度失效。

　　在高温硫化物或氯离子腐蚀环境下,一般都采用石墨金属缠绕垫片,垫片的不锈钢内加强环或内圈缠绕钢带裸露在介质中,容易产生硫化物或氯离子引起的应力腐蚀,最终造成垫片内环或钢带断裂而造成强度失效 ;另一种情况是石墨金属复合垫片中,石墨材料中的硫离子、氯离子含量超标,垫片的金属骨架也会因应力腐蚀而产生突然的断裂失效。

　　垫片在高温工况下长时间工作后, 由于其弹性模量、屈服极限将大幅度降低而导致法兰面与垫片面之间产生分离,这时就需要对螺栓进行热紧。然而随着工作时间的延长,垫片的材料性能会发生很大变化 ,如材料发生脆化、硬化、老化等,热紧过程中有可能使垫片突然溃裂,造成垫片在高温下的强度失效。

　　非金属垫片在国内的应用极其广泛,但非金属垫片在长期高温状态下工作后,其性能有很大的改变。在 300 ℃应力松弛和耐温试验后,某些非石棉纤维橡胶垫片已明显硬化,服役后密度下降明显。显微组织分析表明,某些石棉非金属垫片材料的纤维和基体结合强度较差,服役后纤维明显折断、基体材料已严重粉化,甚至某些非石棉纤维橡胶垫片会在高温蒸汽作用下发生水解 , 导致垫片完全失效 [ 13] 。

　　3 法兰高温的失效分析

　　3. 1 法兰的高温蠕变松弛失效

　　实际生产过程中, 往往在法兰强度还很富裕时 ,会因其刚度不足而引起法兰过度变形, 加之如果法兰与螺栓材料线性膨胀系数的差异造成的变形不协调,会引起整个法兰接头的松弛。当温度超过蠕变温度时, 法兰将产生蠕变翘曲, 整个接头的应力松弛将更为明显, 并形成永久性、不可恢复的塑性变形, 进而导致不可修复的泄漏失效。

　　3. 2 法兰在高温下的界面泄漏失效

　　界面泄漏的产生的主要原因是由于法兰加工精度不高、安装不当产生的表面划痕引起的, 或者在装置开车期间, 物料中杂质较多, 温度升降频繁而造成的。在这种密封条件下 ( 工况波动严重时, 密封结合面将会出现缝隙 )杂质很容易进入到密封结合面中 , 对密封结合面冲蚀而造成的 [ 14 - 15] 。法兰在高温下长时间工作, 由于温度的作用, 其硬度会下降, 杂质的进入会使得法兰面上的划痕逐渐变大, 法兰和垫片之间的密封面被破坏 , 从而导致了法兰的界面泄漏失效 。

　　4 结束语

　　高温下法兰连接系统的失效机理较为复杂,本文仅对法兰接头各元件的失效原因及其对连接系统泄漏失效的影响作了简要分析,而要真正解决高温法兰接头的泄漏问题,必须在理论上作深入研究。同时,在装置实际运行中,应该对装置的关键密封点进行监控,定期进行检查,避免装置的突然泄漏,从而为装置的安全、稳定、长周期运行创造有利条件。

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