螺栓法蘭接頭的失效和失效分析

中德密封

螺栓法蘭接頭當(dāng)在其設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行時(shí)，期望達(dá)到它的最大工作壽命。不論在期望壽命之前還是之后，一當(dāng)法蘭接頭泄露超過(guò)環(huán)境法定或工廠現(xiàn)場(chǎng)規(guī)定的泄露容限時(shí)，就認(rèn)為該接頭失效了。法蘭接頭的失效將危及設(shè)備或管線的正常運(yùn)行，以致引起整個(gè)裝置失敗和被迫停工。有報(bào)導(dǎo)有的工廠總揮發(fā)物逸出中，來(lái)自法蘭的占了28%。一個(gè)簡(jiǎn)單的螺栓法蘭接頭各組成部件可能引起的失效模式，其最終的表現(xiàn)形式——密封介質(zhì)沿墊片表面的泄露或和內(nèi)部的滲漏，這兩者泄漏量可以是少量或微量的，但當(dāng)墊片因吹出發(fā)生崩裂時(shí)，將引起大量的泄露。

研究表明大多數(shù)法蘭接頭引起泄露失效原因不是墊片而是其他的因素，這些因素包括不適當(dāng)?shù)陌惭b（26%）、法蘭損壞（25%）、螺栓缺失（15%）和法蘭未對(duì)中（12%），與墊片直接有關(guān)的原因僅小部分（26%）。早期的失效表現(xiàn)在墊片的拒不損壞，多半是由于欠少或過(guò)分或（和）不均勻的預(yù)緊、法蘭密封表面損壞（刮痕、瓢曲、腐蝕等）以及法蘭的安裝誤差（不平行、不同軸等）。通過(guò)觀察圍繞墊片周邊的損壞和差異狀況，尤其是軟質(zhì)墊片，可以了解墊片的失效原因，如墊片厚度不當(dāng)，或選用不合適，或過(guò)分壓縮，或預(yù)緊力不夠，或儲(chǔ)存不當(dāng)，或墊片退化，或墊片重復(fù)使用等。


根據(jù)發(fā)生泄露的時(shí)段，螺栓法蘭接頭有以下幾種失效原因。

1、壓力試驗(yàn)是發(fā)生泄露
承壓容器和設(shè)備在制造竣工或停工后重新啟用前，需要進(jìn)行強(qiáng)度（液壓或氣壓）試驗(yàn)，這是在高于操作壓力下進(jìn)行額壓力試驗(yàn)。因?yàn)樵囼?yàn)不進(jìn)行或溫度循環(huán)載荷，所以此試驗(yàn)中法蘭接頭若發(fā)生了泄露，表明安裝或螺栓載荷存在較大問(wèn)題，包括：

（1）安裝不當(dāng)，墊片載荷不均勻；
（1）安裝法蘭誤差過(guò)大；
（1）螺栓-螺母材料級(jí)別不正確，螺紋銹蝕、螺栓屈服或過(guò)量變形，采用強(qiáng)度級(jí)別較低的不銹鋼螺栓，如ASME SA-193 B8 C1.(304)，相當(dāng)國(guó)內(nèi)的06Cr19Ni10(0Cr18Ni9)；
（1）某些螺栓或螺母支承面磨損；
（1）墊片未放在密封面中央位置；
（1）法蘭密封面損傷、法蘭環(huán)翹曲或變形。

2、開始加壓時(shí)發(fā)生泄露
（1）安裝不當(dāng)，墊片壓縮力不夠，或墊片與法蘭之間摩擦力不足而產(chǎn)生滑移，或因過(guò)度壓縮使墊片壓潰或碎裂；
（1）緊固件失效，包括螺栓拉斷、化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂，疲勞和松弛，螺母松動(dòng)等；
（1）法蘭未對(duì)中；
（1）法蘭密封面損壞，形成泄露通道；
（1）墊片選用不當(dāng)，墊片承壓能力不足，包括墊片厚度太大，超出使用壓力范圍；
（1）管道支架或約束不當(dāng)引起墊片損壞；
（1）使用舊墊片。

3、升溫或初始運(yùn)行時(shí)發(fā)生滲漏
（1）升溫時(shí)墊片初始蠕變過(guò)大，引起螺栓載荷喪失或?qū)�墊片擠出；
（1）不同零件熱膨脹差造成螺栓載荷喪失；
（1）安裝不當(dāng)，墊片載荷不均勻或過(guò)度壓縮；
（1）纏繞墊片發(fā)生向內(nèi)屈曲或外環(huán)拱起；
（1）某些螺栓或螺母支承面磨損；
（1）管道支架或約束不當(dāng)引起過(guò)大彎矩；
（1）墊片未放在密封面中央位置；
（1）墊片選用不當(dāng)，超出其使用壓力和溫度范圍。

4、多次熱循環(huán)或壓力波動(dòng)發(fā)生泄露
（1）溫度和壓力波動(dòng)引起螺栓載荷喪失；
（1）氣候的突然變化，如大雨等。

5、運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)發(fā)生的泄露
（1）墊片化學(xué)劣化（分解、氧化、腐蝕等）
（1）墊片物理劣化（粘結(jié)劑遭遇蒸汽、有機(jī)溶劑、熱油膨潤(rùn)）；
（1）墊片和螺栓長(zhǎng)期蠕變引起螺栓載荷失效；
（1）墊片不適應(yīng)操作溫度（橡膠遇熱硬化）；
（1）法蘭不同的徑向運(yùn)動(dòng)引起墊片剪斷或墊片和法蘭錯(cuò)動(dòng)；
（1）管道支架或約束不當(dāng)引起過(guò)大彎矩；
（1）系統(tǒng)工況、流體含量、熱/壓力波動(dòng)、振動(dòng)、外部環(huán)境（如保溫層脫落、產(chǎn)生外部加熱/冷卻的其他原因）等的變動(dòng)；
（1）突發(fā)的壓力驟變、溫度波動(dòng)、熱沖擊或振動(dòng)；
（1）螺栓預(yù)緊不當(dāng)，使墊片沒(méi)有達(dá)到理想的壓縮；
（1）法蘭未對(duì)中。

6、停車時(shí)發(fā)生泄露
（1）墊片長(zhǎng)期蠕變和不同零件冷卻的收縮差引起螺栓載荷喪失；
（1）墊片不適合操作溫度；
（1）墊片劣化；
（1）法蘭不同的徑向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致墊片損壞。

以上原因中，螺栓載荷或墊片應(yīng)力不足是法蘭接頭失效的主要原因，據(jù)統(tǒng)計(jì)100件墊片失效中因載荷不足占了65%，而導(dǎo)致載荷不足的原因中，安裝不良占了36%。

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