引言

法兰的密封性能对于管道的安全性起到了至关重要的作用，尤其是石油化工企业，需要严格按照相关要求进行法兰密封，这样可以有效地提高管道的密封程度，防止管道出现泄漏，保障生产系统的运行安全，避免由于管道连接处泄漏而引发生产事故，对操作人员的人身安全构成威胁。

1、法兰的种类

钛法兰主要用于管道之间的连接，保障管道中的流体能够顺利流通。按照石油化工行业的分类标准(SH)，法兰主要可以分为普通法兰以及特种法兰，法兰的连接过程一般先用螺栓固 定，再采用焊接的方式进行连接，使法兰能够和管道紧密相连，保障法兰连接后具有良好的密封性能。随着法兰生产工艺的不断发展，管道连接过程中越来越重视接口的密封性能，产生了许多新型的法兰，如T型槽法兰、grayloc法兰、ZY-LOC高压自紧式法兰等，这些新型的法兰可以有效地应对一些特殊环境，如高温、高压等，并且对管道连接处具有极好的密封效果，使工业生产过程更加的安全。对于这些新型的法兰，密封面的受力情况较为均匀，可以有效地降低管道压力的影响，使高压法兰的密封性能更加稳定，提高管道系统在运行过程中的安全性。

2、受力分析

2.1 T型槽法兰

T型槽法兰主要用于高压环境，结构较为简单，在螺栓预紧力的作用下，八角垫将会发生变形，将密封面上凸凹不平的缝隙填充完整，从而有效地避免管道发生泄漏。T型槽法兰的受力主要来自两个方面，如图1所示。一方面，螺栓力Q。法兰在连接过程中需要通过螺栓进行固定，这就产生了螺栓力Q，可以有效地避免八角垫与密封面之间出现空隙，使密封结构更加的密实。另一方面，管道内压力P。当管道中有流体通过时，管道内部将会产生压强，从管道内部对法兰产生压力P。内部压力越大，八角垫与密封面之间的接触越密实。在两种受力的影响下，八角垫的受力并不是均匀分布，这主要是受到力臂以及力矩的影响，导致八角垫不同位置的受力情况不同，在一定程度上会对法兰的密封性能造成影响，一旦管道内的压力过大，将会导致管道出现泄漏，因此，在使用T型槽法兰时，需要严格控制管道内的压强[2]。

随着管道压力的增大，八角垫的受力会不断发生变化，一旦受力超出了八角垫的弹性范围，将会导致法兰的密封性能降低。因此，在使用T型槽法兰的过程中，要定期对法兰进行维护，检查八角垫以及密封面的磨损情况，保证T型槽法兰具有良好的密封效果，法兰能够被安全地使用。

2.2 grayloc法兰

grayloc法兰主要应用于高压、高温的管道环境，与T型槽法兰相比，具有尺寸小、重量轻等特点。grayloc法兰主要由金属垫圈、卡子、衬套、螺栓等部分构成，如图2所示。与T型槽法兰密封相比，卡子作为主要受力构件，当管道内部压力增大后，法兰不会因为拉力的增大而张开，而是对金属垫圈造成挤压，使垫圈受到的压力向四周逐渐扩张。在卡子以及螺栓力的作用下，法兰之间空隙不会产生较大的变换，这使得金属垫圈与密封面之间能够充分地接触，随着管道内部压力的增大，法兰的密封性能也会逐渐增加。

下面将对grayloc法兰密封面的受力情况进行分析，如图3所示。金属垫圈在预应力P的作用下，将会被紧密地与法兰面贴合，并且被固定在法兰凹陷内侧，这样在很大程度上限制金属垫圈的形变范围。金属垫圈受在预应力P的影响下，将会由中心沿外侧产生张力，在弹性形变的作用下，被完全填充在法兰凹陷内侧，与法兰面紧密地接触，而且随着预应力P的逐渐增大，金属垫圈与法兰面之间的接触将会更加的密实，两者之间的空隙也就越小，法兰的密封效果也就越好。因此，grayloc法兰在密封性能方面具有极大的优越性，通过金属垫圈、卡子、衬套等构件，可以保障法兰能够形成稳定的刚性结构，既增加了法兰的抗拉性，又保障了法兰的密封性。由于grayloc法兰尺寸小、重量轻，所以在抗冲击方面的性能要弱一些，在一些冲击力较大的环境将不再适用。

2.3 ZY-LOC高压自紧式法兰

ZY-LOC高压自紧式法兰主要由卡套、套节(HUB)、密封环、螺栓等结构构成，在使用过程中，随着管道压力的增大，法兰的密封性能会逐渐增强。ZY-LOC采用T型结构，具有良好的弹性密封效果，使套节、套卡之间能够形成一个完整的结构，共同承担受力。与grayloc法兰密封相比，卡套是ZY-LOC的主要受力构件，如图4所示，这种结构可以使密封环在360°方向均匀受力，这样可以在很大程度上提高密封环与密封面之间的密实程度，使两者之间能够充分地接触。

ZY-LOC高压自紧式法兰的主要受力过程如下：第一，在预应力P的作用下，T型密封环的“唇”与HUB越压越紧，密封环所受的压力将会逐渐增大，因而具备良好的高压自紧效果。第二，密封环在卡套的作用下，可以在360°方向上均匀受力，使得ZY-LOC的受力上限更加的精准，抗外力扰动能力更强。第三，密封环的弹性形变范围可以通过密封唇锥角进行控制，其密封效率可以通过η=Δy/p 来计算。当锥角范围在95% 左右时，可以起到良好的密封效果。第四，密封环与HUB之间受到夹持力的作用，在HUB的作用下，套节锥面的受力非常的均匀，可以保证密封环与密封面紧密接触。第五，管道产生的扭曲载荷对密封面的影响较小，ZY-LOC各部分不会发生太大的损伤，并且密封环与密封面之间的接触将会越来越密实。

ZY-LOC具有运行稳定、使用寿命长等特点，这是由法兰的结构所决定的。以温度对ZY-LOC的影响为例，一方面，ZY-LOC具有自紧的特点，可以有效地避免外力的影响，而且外力越大，法兰的密封效果越好。另一方面，ZY-LOC在高温的作用下，热量通过管道先传递给卡套，再传递给螺栓，温度呈现阶梯递减。因而具有良好的散热效果，可以有效地降低热胀冷缩的影响。例如：当管道内流体温度为350 ℃时，在经过阶梯递减后，螺栓的温度仅为150 ℃，由此可见，温度对ZY-LOC的影响较小，ZY-LOC具有良好的耐高温能力。需要注意的是：ZY-LOC在焊接过程中，HUB需要事先进行预热，这样才能保障HUB具有良好的焊接效果，否则，在焊接后HUB的锥孔将会失圆，使得焊接误差过大，管道与锥孔不能良好的接触，进而对ZY-LOC的密封性能造成影响。

3、 密封失效分析

3.1 密封元件

密封元件的质量将会对法兰的密封性能造成影响，如垫片破损、密封面损坏等，都会导致法兰密封失效。为了防止管道出现泄漏，消除泄漏的方法主要如下：第一，加大螺栓的预紧力，使密封垫能够和密封面充分接触，避免两者之间产生空隙。第二，对损坏部位进行修复，防止局部出现泄漏风险。第三，更换密封元件。密封元件受损程度过大，则需要对密封元件进行更换，从而避免管道出现泄漏。

3.2 消减振动

为了有效地避免管道发生振动，首先，需要做好管道的加固工作，在管道转角以及跨度较大的地方通过管卡进行固定，可以减少管道的振动频率，降低对法兰的影响。另外，需要在管卡下方增加垫木，对管道和管卡之间的空隙进行填充，从而有效地消减振动。

3.3 装配

装配过程不当会导致法兰密封失效。在装配前，一方面，需要对法兰的质量进行检测，如果密封元件存在裂痕或者存在磨损，则需要立即对法兰进行更换。另一方面，需要对管道进行检查，避免管端的丝扣、螺栓等无法与法兰紧密连接。在固定法兰时，螺栓的伸长量需要控制在3/10 000 以内，确保密封面之间保持平行，误差不得超过0.3 mm，并且密封面之间的轴线需要重合，避免密封面受力不均匀。在装配后，需要做好法兰的养护工作，如防潮、防锈处理等。

4、结语

综上所述，为了保障钛法兰安装后具有良好的密封性能，施工人员在安装过程中需要严格按照相关要求进行管道连接，这样可以有效地保障法兰的密封性能，提高管道系统的安全性以及稳定性，保障工业生产过程能够顺利进行，从而为企业的发展提供重要保障。

参考文献:

[1] 沈啸彪，章兰珠，徐绍焕，等. 高压自紧式法兰密封结构研究[J]. 润滑与密封，2020, 45(11): 52-59.

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