压力容器法兰的密封原理详解

压力容器法兰是压力容器的常用部件，是连接各种压力容器部件的基本元件，广泛地用于石油化工、电力、原子能、轻工等工业领域。

对于容器而言，法兰应该是一个组件，包括法兰、垫片和连接螺栓或螺柱以及螺母，其作用是使不同的受压元件组合在一起，同时保证连接部位不产生泄漏。

法兰连接的主要失效形式为接头的刚度失效，其外部表现形式为泄漏。压力容器内部的介质具有高温、高压的特点，同时具有易燃、易爆的特性或毒性，一旦产生泄漏，将发生严重的次生灾害，严重威胁压力容器本体和周围设备以及人员的安全。因此容器法兰的设计和选用应优先考虑的因素是整体密封性能。

压力容器法兰的密封形式：

(1)强制密封。通过紧固端盖与筒体法兰的连接螺栓等强制方式将密封面压紧，从而达到密封的目的，如平垫密封、卡扎里密封等。

(2)自紧密封。利用容器内介质的压力使密封面产生压紧力来达到密封目的。它的密封力随着介质压力的增大而增大。因而在较高的压力下也能保持可靠的密封性能，如组合式密封、O形环密封、C形环密封、B形环密封、楔形密封、八角垫和椭圆垫密封、平垫自紧密封、伍德密封、氮气式密封等。

(3)半自紧密封。既利用容器内介质的压力，又利用紧固件的连接使密封面产生压紧力来达到密封的目的，如双锥密封。

压力容器法兰工作原理为：

当对法兰螺栓施加预紧力时，螵栓力通过法兰环把垫片压紧，迫使法兰垫片产生压缩变形。当螵栓力达到一定数值后，迫使法兰密封面和垫片上的四凸不平面借助垫片变形而填满，这就为阻止流体介质泄漏创造了初始密封条件。

此时垫片单位有效密封面积上的压紧力称为垫片的初始密封比压。当设备或管道承受介质压力后，螺栓受到拉伸应力而伸长，法兰密封面沿着彼此分离的方向移动，密封面与垫片之间的压紧力下降，垫片的压缩量减少，预紧密封比压下降。

如果这时密封垫片具有足够的回弹能力，垫片的变形能补偿螺栓和密封面的分离值，而使预紧密封比压只下降到不小于工作密封比压，则法兰依然保持良好的密封状态。反之，如垫片的回弹能力不足，密封比压下降到工作密封比压以下，甚至密封口重新出现缝隙，则密封失效。

压力容器法兰的分类

压力容器上使用的平焊法兰分为甲型平焊法兰和乙型平焊法兰

①甲型平焊法兰直接与容器焊接，其解焊缝尺寸较小或不开坡口焊接，不能保证法兰与容器同时受力，强度计算参照活套法兰。

②乙型平焊法兰一般附有一段较厚的短筒体，法兰与短筒体的焊接质量可靠，能保证法兰与容器同时受力，强度计算可按整体法兰考虑。乙型平焊法兰广泛用于中、低压容器和管道的连接

两者优缺点：乙型法兰带有一个短筒体，因此刚性较甲型法兰好，可用于压力较高，直径较大的场合；甲型为V型坡口，乙型为U型坡口，因此乙型更易焊透，故其强度和刚度更高。

影响压力容器法兰密封的因素如下：

1、螺栓预紧力

适当的预紧力可保证垫片在工作时还可保留一定的密封比压，预紧力过大则会把垫片压坏或挤出，从而破坏密封。预紧力在垫片上的分布也影响密封性能，保证预紧力分布均匀的方法是在满足紧固和拆卸螺栓所需空间的情况下，增加螺栓个数。

2、垫片密封性能

垫片是构成密封的重要元件。合适的垫片材料，要体现垫片在适当的预紧力作用下既能产生必须的弹性变形，又不致被压坏或挤出。工作时法兰密封面间的距离被拉大，垫片材料又应具有足够的回弹能力，使垫片表面与法兰面紧密接触，以继续保持良好的密封性能。

3、法兰密封面特征

法兰密封面的型式和表面性能对密封效果的影响起到至关重要的作用。工况要求较严格的场合应采用凹凸面和榫槽面。法兰密封面的平面度、密封面与法兰中心线和垂直度直接影响到垫片的受力均匀程度和垫片与法兰的良好接触。法兰密封面的表面粗糙度应与垫片的要求相适应，表面不允许有径向刀痕或划痕，更不允许存在表面裂纹。

4、法兰刚度

刚度不足会使法兰产生过大翘曲变形，导致密封失效。影响法兰刚度的因素很多，其中增加法兰厚度，增大法兰外径等方法都可提高法兰刚度，减小变形，使螺栓力均匀传递给垫片，获得均匀和足够的密封比压，同时可提高密封性。减小螺栓力作用的力臂，能减少法兰承受的弯矩，有利于密封。

5、操作条件

操作温度、压力和介质的化学物理性能也影响到法兰连接的可靠性。温度增高，介质黏度变小，泄漏的倾向性增大；高温使介质化学和物理活性加大，产生对垫片和法兰的腐蚀和溶解；高溫还可使螵栓、法兰和垫片发生蠕变和应力松弛。