摘要：以一台U形管a型换热器在进行壳程水压试验时管板与壳体法兰凹面间缠绕垫片被压出泄漏为事例，针对选择低公称压力等级的缠绕垫片用在高设计压力的凹凸面法兰接头密封的影响因素，从垫片最小宽度、法兰凹凸密封面尺寸偏差、垫片与法兰装配以及缠绕垫片特性等方面进行了分析，提出了在设计计算法兰时应考虑垫片最小宽度的合理确定并修订完善相关标准的建议。
关键词：凹凸法兰;缠绕垫片，密封宽度
一台DN1000的U形管a型换热器[1]在制造进行壳程水压试验时，壳体法兰与管板间的垫片密封处发生泄漏，现场发现缠绕垫片部分从管板与壳体法兰凹面间隙中压出。换热器施工图中壳体法兰垫片选用JB/T 4705-2000的B22-1000-4.0不锈钢 柔性石墨缠绕垫片，壳体法兰/16Mn III系以垫片PN4.0 DN 1000的密封面尺寸为基准进行的非标设计，螺柱/螺母则选用HG/T20634-2009的40-M42X3材料为25Cr2M0VA/30CrMo，换热器的设计参数见表1。
表1 换热器设计参数
| |
设计压力/MPa |
设计温度/℃ |
腐蚀裕量/mm |
| 壳程 |
6.3 |
220 |
3 |
| 管程 |
6.2 |
340 |
3 |
1、垫片最小宽度校核
此U形管式a型换热器壳体法兰垫片JB/T4705的B22-1000-4.0宽度为25mm。按壳程设计参数对壳体法兰用SW6计算软件程序[2]进行计算校核，虽然螺柱和法兰均通过计算校核合格(法兰结构尺寸及校核计算略)，但垫片最小宽度(见表2)值得讨论。
表2 垫片最小宽度
| 实际使用的螺栓总截面积 |
47177.96mm² |
| 常温下螺栓材料的许用应力 |
245MPa |
| 垫片压紧力作用中心圆直径 |
1079.5mm |
| 垫片比压力 |
69MPa |
| 垫片最小宽度 |
24.71mm |
2、垫片最小宽度讨论
表2中Ab系按螺柱HG/T20634-2009的40-M42X3计算取值，其它数据按SW6计算，而Nmin则按GB150-1989中式(7-3)[3]计算得出。
虽然GB150-1998中删除了Nmin计算公式[4]，但对垫片宽度仍然规定“垫片在预紧状态下受到最大螺栓载荷的作用，可因压紧过度而失去密封性能。为此垫片须油足够的宽度，其值可按经验确定”，即要求设计在计算法兰选用垫片时仍然要考虑Nmin。然而，SW6计算程序未有“校核Nmin”的提示，这就需要设计者“按经验确定Nmin”，尤其是选用低公称压力等级垫片标准用在高设计压力法兰接头时更值得注意。
Nmin计算公式是为保证垫片能在弹性状态下工作不被“压溃”而控制垫片单位面积上的预紧力小于4y的措施[5]。现以标准压力容器法兰[6]JB/T4703-2000中法兰FM800-6.4和法兰FM1000-4.0为例，校核配用垫片JB/T4705的Nmin，以说明Nmin计算公式的有效性。
例1：设计压力为6.4MPa，设计温度200℃，DN800法兰材料16Mn III。按JB/T4700-2000表2选配垫片为JB/T4705-2000的B22-800-6.4宽度为25mm，相应螺柱材料为JB/T4707的35CrMoAn。校核垫片Nmin见表3。
表3 PN6.4 DN800垫片/Nmin
| 实际使用的螺栓总截面积 |
28358.8mm² |
| 常温下螺栓材料的许用应力 |
228MPa |
| 垫片压紧力作用中心圆直径 |
898.5mm |
| 垫片比压力 |
69MPa |
| 垫片最小宽度Nmin |
16.61mm |
例2，设计压力为4.0MPa，设计温度200℃，DN1000法兰材料16M III。按JB/T4700-2000表2选配垫片为JB/T4705-2000的B22-1000-4.0宽度为25mm，相应螺柱材料为JB/T4707的35CrMoA。校核垫片Nmin见表4。
表4 PN4.0 DN1000垫片/Nmin
| 实际使用的螺栓总截面积 |
25899.9mm² |
| 常温下螺栓材料的许用应力 |
228MPa |
| 垫片压紧力作用中心圆直径 |
1079.5mm |
| 垫片比压力 |
69MPa |
| 垫片最小宽度Nmin |
12.62mm |
标准法兰凸面直径即管板外径(垫片与密封面接触外径)一般较垫片外径小2mm，当凸/凹法兰与垫片对中安装时，宽度25mm的垫片实际接触宽度为24mm。两例标准法兰的垫片Nmin校核结果显示，所选标准垫片实际接触宽度均大于Nmin。可见，标准压力容器法兰配用的JB/T4705垫片宽度是基于原GB150-1989中式(7-3)并考虑加工和安装偏差而积累的经验值。
本文案例，即使是在理想的凹面法兰/垫片/管板对中安装状态下，垫片实际接触宽度也小于仅以设计参数校核的垫片Nmin，若考虑法兰制造与安装的偏差，就更难以满足垫片Nmin的要求。
3、法兰制造与安装偏差
按压力容器法兰标准JB/T4700技术条件要求，凹凸密封面的凹面/凸面直径公差分别按GB/T1801的H12/h12级，对于本例法兰的凹面直径公差为0~ 1.05，凸面直径公差为-1.05~0。而凹面直径较凸面直径大3mm，考虑加工偏差后，凹面直径较凸面直径大3mm，考虑加工偏差后，凹面直径比凸面直径大3~5mm。当凹面法兰/垫片/凸面管板安装不对中而偏向一侧时，或垫片与凹面法兰不同心，或管板与凹面法兰不同心，或法兰/垫片/管板同时偏心，都会出现垫片一侧的接触面宽度小于垫片理想接触宽度24mm的情况，极端情形下的垫片实际接触宽度可能为20mm。这就容易造成安装时使垫片一侧外露量大即该处密封面接触宽度小而成为泄漏点，或将该处垫片压溃而从凹凸面间隙中挤出，呈现壳程水压试验泄漏后的情形。
4、缠绕垫片的欠缺
缠绕垫片用于凹/凸密封面法兰额头尤其是管壳式a型换热器(壳体法兰凹面/管板凸面)不仅存在因安装对中问题而易“压溃”，而且当直径较大时容易“散架”，并且缠绕垫片标准本身也存在不完善[7]。
(1)缠绕垫片标准未有给出成型钢带的几何尺寸，只规定了缠绕用钢带厚度的范围值0.15~0.25mm，而未对缠绕带的V角等具体规定。
(2)未有参照美国API标准规定“缠绕垫片密封面两侧非金属带均匀突出金属钢带0.15mm”而影响垫片的密封性能。
(3)其他技术要求GB/T4622.3，则不方便用户对缠绕垫片的质量直观检验与验收。为此，已有成功使用经验的H型复合垫片便应运而生[8]。
5、结束语
综上对低公称压力等级的缠绕垫片选用在高设计压力的凹/凸面法兰接头密封泄漏的讨论，应引起相关各方对凹凸密封面法兰选用缠绕垫片及垫片Nmin的注意。
(1)设计在应用SW 6计算法兰时，应考虑所选垫片的Nmin。相关标准应列出适用于公称压力等级下的垫片Nmin经验值，以便设计参照确定。
(2)凹/凸面法兰接头尤其是管壳式a型换热器经常选用的缠绕垫片，不仅存在“压溃”与“散架”问题，而且缠绕垫片标准本身也需要完善。
参考文献：
[1]GB151-1999 管壳式换热器容器[S].
[2]GB150-1989钢制压力容器[S].
[3]GB150-1998钢制压力容器[S].
[4]全国压力容器标准化技术委员会设计分委会，钢制压力容器设计指南[M].1993
[5]JB/T4700-2000压力容器法兰[S].
[6]由立臣.缠绕垫片设计、制造使用中存在的问题[J].石油化工设备，2003,6:55-56
[7]陈吉成.石油化工厂几种常用高温垫片的应用和比较[J].润滑与密封，2003,3:96-98
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