李雙權(quán)

（中石化廣州工程有限公司， 廣州 510620）

0 引言

工業(yè)設(shè)備、管道通常采用螺栓法蘭實(shí)現(xiàn)連接，連接的密封性對(duì)于安全生產(chǎn)、節(jié)約能源以及環(huán)境保護(hù)等方面都有較大的影響。煉化企業(yè)所需設(shè)備的種類(lèi)、數(shù)量眾多，因此也會(huì)用到數(shù)量眾多、型號(hào)不一的各種法蘭連接接頭，特別是大型煉油企業(yè)，動(dòng)輒需要數(shù)十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)法蘭連接接頭。大型化、高參數(shù)化（操作條件）現(xiàn)已成為設(shè)備發(fā)展的一個(gè)基本趨勢(shì)，螺栓法蘭連接接頭的密封可靠性就越發(fā)重要。

目前，Waters 法是設(shè)計(jì)、研發(fā)和優(yōu)化法蘭連接結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)支撐，但在研究法蘭接頭的密封性、強(qiáng)度、變形協(xié)調(diào)（設(shè)計(jì)壓力與溫度下）等的分析應(yīng)用實(shí)踐中，此法通常是從墊片、螺栓、法蘭3個(gè)角度分別進(jìn)行的，而不是以整體為視角展開(kāi)的[1]。當(dāng)前螺栓法蘭設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù)主要是線(xiàn)密封比壓或墊片系數(shù)，并未涉及緊密性、定量泄漏率，僅僅關(guān)注法蘭強(qiáng)度，所以連接是否緊密缺少理論支撐。

基于法蘭連接件的理論研究與實(shí)驗(yàn)分析，Leon GF[2]、Nau B 等[3]認(rèn)為泄漏是螺栓法蘭連接系統(tǒng)失效的主要原因[4-6]，只有少數(shù)連接失效源于強(qiáng)度不足。

隨著裝置的大型化以及能源、環(huán)境問(wèn)題日益受到重視，法蘭密封泄漏問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（Waters 法等）越來(lái)越難以滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)、本質(zhì)安全提出的更高要求。因此，基于控制泄漏率的螺栓法蘭連接機(jī)理研究越來(lái)越多的受到研究者關(guān)注，其目標(biāo)包括：以EN13445-3 附錄G 法蘭設(shè)計(jì)等國(guó)外考慮連接緊密性的法蘭設(shè)計(jì)技術(shù)為借鑒參考，分析該類(lèi)方法的先進(jìn)性，對(duì)比其與傳統(tǒng)Waters 法的區(qū)別，對(duì)法蘭接頭的密封性、剛度、強(qiáng)度等方面應(yīng)用此法展開(kāi)分析，進(jìn)而不斷改進(jìn)并完善基于控制泄漏率的螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)方法。螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的密封性能研究已引起世界各國(guó)的普遍重視，且取得了許多顯著成果。

1 法蘭連接設(shè)計(jì)方法的發(fā)展

自Bach 法開(kāi)始，直至百余年后的新EN1591 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)法蘭連接方法的研究一刻也未停止。圖1所示即為法蘭連接技術(shù)及其基本標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)歷程[7]。

圖1 法蘭連接設(shè)計(jì)方法發(fā)展歷程

最早法蘭連接設(shè)計(jì)以強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，到現(xiàn)在為止，工程設(shè)計(jì)依舊以此為理論依據(jù)。18世紀(jì)末19世紀(jì)初，德國(guó)和美國(guó)分別提出了Bach 法和Locomotive 法，它們都是以梁的彎曲強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)[7-8]。相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，歐洲各國(guó)的法蘭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中始終采用Bach法[9]。

以彈性基礎(chǔ)梁與圓平板彎曲理論為基礎(chǔ)的彈性分析方法于1927年問(wèn)世；Wiliams、Waters 等科學(xué)家于1937年提出了taylor-Forge 法（Waters 方法）[7，10]。此法自1940年被第一版ASME鍋爐與壓力容器標(biāo)準(zhǔn)采用以來(lái)，始終是ASME標(biāo)準(zhǔn)法蘭連接設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

墊片載荷常數(shù)（最小預(yù)緊力y和墊片系數(shù)m）的概念于1943年由Markl和Rossheim提出[9，11]，這兩個(gè)參數(shù)提出不久即被錄入ASME 標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)方法也因此而得到了進(jìn)一步充實(shí)、完善，ASME 法就此成形。本質(zhì)來(lái)看，m、y屬于經(jīng)驗(yàn)值范疇，和密封介質(zhì)、壓力、溫度無(wú)關(guān)，僅和墊片種類(lèi)、材料相關(guān)。截止目前，ASME 法已走過(guò)了近80年發(fā)展歷程，其間改進(jìn)不斷，但墊片密封性始終沒(méi)有被考慮。

德國(guó)科學(xué)家Schwaigerer 于1951—1961年提出采用彈塑性分析方法的Schwaigerer 法[10]。1964年，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)以Schwaigerer 成果為主要依據(jù)完成了DIN V 2505 發(fā)布，密封性分析與應(yīng)力分析同時(shí)涵蓋其中。

美國(guó)PVRC（壓力容器研究委員會(huì)）于20 世紀(jì)70年代初正式開(kāi)啟螺栓法蘭連接系列實(shí)驗(yàn)。1989年，一種確定螺栓載荷的新方法——PVRC法[12]在歷經(jīng)一系列的研究、程序修正后被正式提出。1994年，PVRC正式公布3個(gè)重要墊片參數(shù)——Gb、a、Gs，并提出相應(yīng)測(cè)試技術(shù)——PVRC 室溫密封試驗(yàn)（Room Temperature Tightness Test， ROTT）[7]。PVRC 法考慮了螺栓連接的緊密性，但是其強(qiáng)度計(jì)算依然以Waters 方法為依據(jù)。工程領(lǐng)域內(nèi)目前依然沒(méi)有運(yùn)用，因其標(biāo)準(zhǔn)依然沒(méi)有形成[13]。

1990年，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)完成了DIN E 2505 發(fā)布，這是DIN V 2505 的修訂版。1995年，該會(huì)發(fā)布DIN 28090-1995 標(biāo)準(zhǔn)，意在彌補(bǔ)DIN E2505 的不足。CEN隨之將其納入并就此成為制訂歐盟法蘭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。1997年，CEN 完成了prEN1591 標(biāo)準(zhǔn)[10，12]起草，并于2001年提出EN1591 這種全新法蘭連接計(jì)算方法。2002年，EN13445-3 以附錄G 形式收錄了EN1591。

綜上所述， 法蘭連接設(shè)計(jì)方法主要有兩類(lèi)： 其一，EN1591 方法，以歐洲標(biāo)準(zhǔn)為代表；其二，Waters 法和PVRC法，以ASME標(biāo)準(zhǔn)為代表。

2 法蘭連接設(shè)計(jì)方法比較

2.1 Taylor -Forge法（Waters法）

Waters 法是ASME Ⅷ-1 等傳統(tǒng)螺栓法蘭設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)，GB/T 150-2011 法蘭計(jì)算也是基于此。GB/T 150 或ASME法蘭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要為了法蘭環(huán)厚度確定與強(qiáng)度校驗(yàn)，沒(méi)有考慮法蘭接頭密封性[14]。

（1）計(jì)算模型。Taylor-Forge 法（Waters 法）計(jì)算模型實(shí)質(zhì)上是一種力平衡計(jì)算，其基礎(chǔ)在于墊片應(yīng)力已知、螺栓法蘭聯(lián)接靜定結(jié)構(gòu)假設(shè)、彈性基礎(chǔ)梁和圓平板彎曲理論。計(jì)算時(shí)僅考慮法蘭體系整體的強(qiáng)度完整性，螺栓載荷變化關(guān)系（預(yù)緊與操作時(shí)）被忽略。所以，不能反映螺栓法蘭實(shí)際連接安裝情況。

（2）墊片系數(shù)m、y。Waters法中的墊片系數(shù)m、y是形式上的，和密封流體介質(zhì)的種類(lèi)沒(méi)有關(guān)聯(lián)性，也沒(méi)有考慮與法蘭接頭密封性能的關(guān)系。

（3）螺栓設(shè)計(jì)載荷。Waters 法中，預(yù)緊和操作狀態(tài)下螺栓載荷是互相獨(dú)立、沒(méi)有任何關(guān)系的，但實(shí)際上螺栓載荷的變化相互是有關(guān)聯(lián)的。Waters法以墊片系數(shù)m、y為基準(zhǔn)計(jì)算得出的設(shè)計(jì)螺栓載荷值偏小。從安裝實(shí)踐來(lái)看，螺栓承受的預(yù)緊載荷最少約2～3倍于設(shè)計(jì)值。

（4）墊片寬度。Waters 法提出有效墊片寬度的概念，墊片真實(shí)接觸寬度并非有效墊片寬度，且在預(yù)緊、操作過(guò)程中，墊片真實(shí)接觸寬度是一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)。

雖然如此，Waters 法的應(yīng)用并未受到太多影響，主要是由于設(shè)計(jì)螺栓載荷值明顯小于安裝實(shí)踐形成的預(yù)緊螺栓載荷，這很大程度上保證了密封的緊密性。

2.2 PVRC方法

針對(duì)上述Waters 法存在的問(wèn)題，PVRC 提出緊密度概念，且完成了Gb、a、Gs這3 個(gè)新的墊片參數(shù)界定及墊片應(yīng)力與緊密度關(guān)系構(gòu)建， 并提出相應(yīng)墊片系數(shù)試驗(yàn)方法——PVRC-ROTT 法。PVRC 法的目的在于提高密封可靠性，修正ASME標(biāo)準(zhǔn)的缺陷。

PVRC具有如下特點(diǎn)。

（1）引入代表緊密性（密封程度）的設(shè)計(jì)指標(biāo)Tp，提出新的螺栓載荷算法（基于泄漏率準(zhǔn)則）。其所提出的Gb、a、Gs和Tp等新的墊片系數(shù)多源于真實(shí)密封測(cè)試結(jié)論（真實(shí)環(huán)境中），因此與真實(shí)墊片狀態(tài)更相近。

（2）從螺栓、墊片、法蘭整體入手分析墊片壓縮應(yīng)力與螺栓載荷的關(guān)聯(lián)，即基于墊片應(yīng)力（預(yù)緊工況下）推算出操作工況下的墊片（壓縮）應(yīng)力。因此，PVRC法可基于給定墊片種類(lèi)、預(yù)緊螺栓載荷，預(yù)測(cè)法蘭連接可達(dá)到的密封等級(jí)；抑或給定密封等級(jí)（允許泄漏率），計(jì)算墊片所需預(yù)緊和操作應(yīng)力。

（3）PVRC方法的法蘭應(yīng)力計(jì)算和合格評(píng)定與Waters法相同。但ASME 目前并沒(méi)有接納此法，其與傳統(tǒng)方法并用在當(dāng)前工程實(shí)踐領(lǐng)域比較普遍。

2.3 EN1591方法（EN13445-3附錄G）

歐洲標(biāo)準(zhǔn)主要采用兩種法蘭聯(lián)接算法，即EN13445 正文采用的Waters 法和EN13445-3 附錄G 中列入的方法——EN1591 方法， 又稱(chēng)作“EN1591 方法” 或“ 另一方法”。EN1591方法具有如下特點(diǎn)。

（1）EN1591方法中，強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算確保螺栓法蘭連接系統(tǒng)有足夠的強(qiáng)度，亦即確定螺栓預(yù)緊載荷的上限值；密封設(shè)計(jì)計(jì)算確定的是滿(mǎn)足允許泄漏量所需最小螺栓載荷，亦即螺栓預(yù)緊載荷下限值。螺栓預(yù)緊載荷應(yīng)在上述范圍之間。

（2）法蘭接頭的密封性能和力學(xué)特性得到更加全面的反映，讓法蘭接頭實(shí)際情況與設(shè)計(jì)計(jì)算值吻合度更高。同時(shí)涵蓋了強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和密封設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，操作狀態(tài)下的墊片應(yīng)力、螺栓載荷變化更容易掌控。

（3）墊片性能參數(shù)的真實(shí)性決定此法中的密封分析計(jì)算。

（4）有更多因素需要考慮，迭代計(jì)算任務(wù)多，算法更繁雜，一般需要通過(guò)電腦編程來(lái)完成此類(lèi)計(jì)算。

（5）EN新方法并未累積足夠的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

綜上所述，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化是此法未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)，否則勢(shì)必會(huì)影響到其工程應(yīng)用，阻礙其現(xiàn)實(shí)發(fā)展。

表1所示為ASME、PVRC和EN三種法蘭設(shè)計(jì)方法主要特征及差異[11-12]。

在地形、地質(zhì)條件不利于布置開(kāi)敞式溢洪道的壩址條件下，選擇采用洞式溢洪洞方案。坪寨（壩高H=162 m）、九甸峽（H=137 m）、洪家渡（H=179.5 m）等工程處高山峽谷地區(qū)，溢洪道開(kāi)挖會(huì)造成不穩(wěn)定高邊坡及較大幅度增加開(kāi)挖工程量，采用的開(kāi)敞式進(jìn)口后接隧洞（洞式溢洪道）的泄洪方式，具有明流隧洞超泄能力大、適應(yīng)高陡地形條件的特點(diǎn)。

表1 ASME、PVRC和EN法蘭連接設(shè)計(jì)方法的對(duì)比

因?yàn)椴煌瑯?biāo)準(zhǔn)方法存在技術(shù)內(nèi)容差異，其次存在材料標(biāo)準(zhǔn)、制作過(guò)程、測(cè)試方法等差異，所以不同螺栓法蘭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)方法的對(duì)比比較困難。

3 國(guó)內(nèi)法蘭連接研究現(xiàn)狀

工程應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果表明，新螺栓法蘭設(shè)計(jì)方法盡管早已被歐美科學(xué)界提出，卻并未實(shí)質(zhì)性影響或改變Waters 法的應(yīng)用普遍性，而且在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，這種狀態(tài)依然不會(huì)出現(xiàn)明顯變化。而從密封性能上來(lái)看，改善、提升密封性能是世界各國(guó)的普遍需求，這是基于可靠性提升而形成的一種普遍需求，而基于強(qiáng)度這一單純準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)方法顯然難以吻合當(dāng)代工業(yè)發(fā)展需要，也就是說(shuō)，螺栓法蘭連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)同時(shí)需要顧及泄漏率，只有如此，才能提升螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)質(zhì)量，符合飛速發(fā)展的工業(yè)實(shí)踐現(xiàn)狀。所以有必要進(jìn)一步分析探索以泄漏率控制為目標(biāo)的墊片系數(shù)與螺栓法蘭設(shè)計(jì)方法。

顧伯勤通過(guò)試驗(yàn)研究非金屬墊片的氣體泄漏過(guò)程，提出了多孔介質(zhì)泄漏模型[15-16]，同時(shí)還構(gòu)建了螺栓法蘭接頭泄漏率與墊片有效寬度、介質(zhì)粘度、流體介質(zhì)壓力、墊片應(yīng)力關(guān)系，基于圖算法預(yù)測(cè)了法蘭接頭泄漏率；基于常溫環(huán)境中金屬平墊片試驗(yàn)，顧伯勤、馮秀[17-20]完成了金屬墊片泄漏模型構(gòu)建，其所提出的泄漏率算法將墊片壓緊應(yīng)力、介質(zhì)壓力、泄漏率與密封表面分形參數(shù)有效關(guān)聯(lián)起來(lái)。

蔡仁良、應(yīng)道宴、蔡暖姝等[21-25]對(duì)螺栓法蘭接頭安全密封技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)全面的研究。研究結(jié)果表明，螺栓法蘭接頭密封性能如何主要取決于安裝（目標(biāo)）螺栓載荷確定與控制的合理性；同樣應(yīng)參考安裝技術(shù)安全裕度、外荷載、波動(dòng)與溫度、內(nèi)壓、墊片松弛等來(lái)確定實(shí)際安裝所需墊片應(yīng)力或螺栓荷載。

李駿等[26]采用正交試驗(yàn)法分析了密封結(jié)構(gòu)（墊片、法蘭、螺栓）泄漏率每一種因素干擾的大小及其最佳搭配，結(jié)果表明，最易影響泄漏率的因素有兩個(gè)，其一為墊片寬度，其二為工作壓力。

莊法坤等[27]運(yùn)用ANSYS 有限元軟件建立了螺栓、法蘭、墊片系統(tǒng)模型，以便對(duì)預(yù)緊、操作法蘭接頭進(jìn)行仿真分析?；谀M獲得墊片應(yīng)力分布（內(nèi)壓、溫度、墊片寬度均不一樣前提下）和螺栓應(yīng)力在接頭工作條件下的波動(dòng)趨勢(shì)，基于模擬對(duì)墊片應(yīng)力所受介質(zhì)壓力、溫度及墊片寬度的影響進(jìn)行了定量描述。

喻健良等[28]利用有限元分析方法對(duì)管法蘭連接（DN100 mm，PN40 MPa）展開(kāi)熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析和穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析，進(jìn)行了螺栓、墊片和法蘭在載荷、溫度、內(nèi)壓共同影響下的應(yīng)力變化與溫度分布分析，認(rèn)為墊片、螺栓、法蘭存在溫度梯度（沿徑向）；墊片應(yīng)力在內(nèi)壓加載后會(huì)顯著下降；墊片內(nèi)側(cè)應(yīng)力會(huì)因溫升而提高、外側(cè)應(yīng)力會(huì)因溫升而下降；螺栓應(yīng)力則會(huì)因溫升、加壓而同步提高。

建立DN200 法蘭高溫密封性能測(cè)試平臺(tái)，羅從仁[30]分析了常溫下2種螺栓加載技術(shù)，明確了全順次加載技術(shù)（載荷漸增）的現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢(shì)，并確定最低加載輪次；隨之實(shí)驗(yàn)分析了螺栓載荷在法蘭接頭變壓、變溫（升壓與升溫）條件下的變化狀態(tài)；同時(shí)以數(shù)值模擬技術(shù)為理論支撐展開(kāi)了法蘭高溫泄漏原因分析判斷，描述了墊片應(yīng)力所受法蘭升溫速度的影響，穩(wěn)態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析與瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，且提出法蘭密封性能改進(jìn)策略，高溫環(huán)境中法蘭密封所受墊片類(lèi)型的影響也是該學(xué)者分析的一個(gè)重點(diǎn)。

黃鑫[31]完成了標(biāo)準(zhǔn)壓力容器法蘭計(jì)算過(guò)程中Waters 法、EN 法螺栓預(yù)緊力異同對(duì)比，進(jìn)行了基于Waters 法和EN 法的螺栓預(yù)緊力所受墊片種類(lèi)、設(shè)計(jì)壓力、法蘭公稱(chēng)直徑等的影響規(guī)律分析?；谟邢拊治鐾瓿闪税惭b法蘭接頭螺栓時(shí)采用Waters 法和EN法指導(dǎo)的可行性驗(yàn)證，分析判斷了合適螺栓預(yù)緊力（適合安裝）范圍。

基于密封機(jī)理探索、國(guó)內(nèi)泄漏率測(cè)量技術(shù)，孫召鋒[32]完成了墊片系數(shù)（基于泄漏率）測(cè)量方案設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)并搭建了測(cè)試設(shè)備?；诟鞣N測(cè)試環(huán)境中的泄漏率測(cè)試數(shù)據(jù)完成了泄漏率、預(yù)緊比壓y和墊片系數(shù)m三者之間關(guān)系分析，并進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，獲得了不同泄漏率前提下兩個(gè)墊片參數(shù)m和y對(duì)應(yīng)值，同時(shí)還給出法蘭設(shè)計(jì)過(guò)程中的墊片系數(shù)m、預(yù)緊比壓y（針對(duì)差異化泄漏率的現(xiàn)實(shí)需求）這兩個(gè)基本參數(shù)的建議值。

基于定量控制泄漏率意圖，鹿璐[33]分析了典型石化過(guò)程承壓設(shè)備柔性石墨金屬纏繞墊片的性能與結(jié)構(gòu)。完成了壓縮回彈性能受墊片纏繞密度的影響實(shí)驗(yàn)分析，在擬合墊片壓縮回彈性曲線(xiàn)（不同纏繞密度）基礎(chǔ)上完成了回彈特性方程與壓縮特性方程（和墊片纏繞密度相關(guān)）構(gòu)建；基于墊片密封性能受纏繞密度的影響分析，獲得墊片泄漏率在纏繞密度不同前提下伴隨應(yīng)力波動(dòng)而變化的規(guī)律。

李國(guó)蒙[34]基于螺栓法蘭墊片密封系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、理論推導(dǎo)以及Ansys三維有限元等多種方式，選取帶頸對(duì)焊法蘭，以纏繞墊片為研究對(duì)象，充分考慮墊片的非線(xiàn)性，對(duì)泄漏率以及密封失效進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，墊片壓緊應(yīng)力與泄漏率成冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系；墊片寬度與泄漏率成反比例函數(shù)關(guān)系；介質(zhì)壓力與泄漏率成線(xiàn)性關(guān)系；介質(zhì)黏度與泄漏成反比例函數(shù)關(guān)系等。

郭秭君[35]有限元數(shù)值模擬了柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片結(jié)構(gòu)和螺栓法蘭墊片接頭整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了纏繞墊片，并對(duì)螺栓法蘭墊片接頭密封性能存在實(shí)際影響的各種因素進(jìn)行了探討分析，完成了墊片接頭整體結(jié)構(gòu)有限元模型構(gòu)建，對(duì)兩種工況（預(yù)緊與操作）中墊片承受的壓應(yīng)力與接頭形變進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，墊片承受的壓應(yīng)力會(huì)因法蘭盤(pán)偏轉(zhuǎn)而出現(xiàn)徑向分布失衡現(xiàn)象，墊片外緣會(huì)出現(xiàn)決定著接頭的密封性能的最大壓應(yīng)力環(huán)帶；接頭泄漏率會(huì)因法蘭偏轉(zhuǎn)而受到一定程度的影響，但泄漏率與偏轉(zhuǎn)程度并不具有正相關(guān)性。

劉炎等[13]測(cè)試了不同加卸載循環(huán)和不同介質(zhì)壓力條件下石墨纏繞墊片密封性能，在此基礎(chǔ)上，提出與工程實(shí)踐更相接近、更相吻合的某種m、y參數(shù)測(cè)試技術(shù)。擬合墊片系數(shù)m和泄漏率關(guān)系（墊片初始表面應(yīng)力不同前提下），獲得能達(dá)到各種緊密度等級(jí)必備的預(yù)緊比壓y和墊片系數(shù)m這兩個(gè)參數(shù)，同時(shí)還進(jìn)一步優(yōu)化了預(yù)緊比壓y、墊片系數(shù)m取值，以便這兩個(gè)參數(shù)更能貼合工程實(shí)踐需要。由于預(yù)緊比壓y、墊片系數(shù)m之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系被新墊片參數(shù)測(cè)試技術(shù)全面考慮在內(nèi)，因此這種新技術(shù)能將墊片特性更為全面而準(zhǔn)確地體現(xiàn)出來(lái)，以此支持法蘭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（基于泄漏率），促進(jìn)石化設(shè)備泄漏率下降。

王璐等[36]發(fā)明了一種基于泄漏率的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)方法。該發(fā)明所提出的基于泄漏率的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)方法既考慮了螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度準(zhǔn)則，同時(shí)又考慮了其密封性能，為解決目前國(guó)內(nèi)螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮泄漏率的問(wèn)題提供了技術(shù)支撐。

王璐等[37-39]采用有限元分析方法分析了墊片接觸應(yīng)力、法蘭偏轉(zhuǎn)角度所受法蘭尺寸、介質(zhì)內(nèi)壓、螺栓預(yù)緊載荷的影響，以及螺栓預(yù)緊、運(yùn)行前提下的墊片接觸應(yīng)力、法蘭應(yīng)力分量、法蘭偏轉(zhuǎn)角，提出了確定螺栓最高安裝荷載的具體策略；考慮墊片材料的非線(xiàn)性和遲滯性，模擬了螺栓法蘭接頭的預(yù)緊過(guò)程，對(duì)墊片接觸應(yīng)力、分布狀態(tài)和螺栓荷載的分散性進(jìn)行了分析，墊片應(yīng)力場(chǎng)所受介質(zhì)內(nèi)壓的影響也是學(xué)者分析討論的內(nèi)容，就此從理論層面支撐了螺栓法蘭接頭設(shè)計(jì)（基于緊密度）和螺栓法蘭接頭密封性能判斷。

基于有限元+實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、常溫下墊片泄漏率測(cè)試與壓縮回彈實(shí)驗(yàn)，肖光凱[40]測(cè)試了外彎矩下金屬與金屬FLT 型（浮動(dòng)型）、MMC 型（接觸型）螺栓法蘭接頭的力學(xué)特征，在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證有限元分析結(jié)果，同時(shí)定量評(píng)定了兩類(lèi)接頭在外彎矩下的密封性與強(qiáng)度。完成了外彎矩下3個(gè)法蘭連接（尺寸各異的MMC石墨墊片內(nèi)嵌其中）的密封性與力學(xué)性能分析，確定了法蘭接頭外彎矩抵抗能力所受石墨密封環(huán)尺寸改變的影響。

以金屬齒形石墨組合墊為研究對(duì)象，賈丙中[41]基于數(shù)值模擬、試驗(yàn)測(cè)試、調(diào)查分析等方法，構(gòu)建了允許泄漏率與墊片系數(shù)的關(guān)系。以有限元分析軟件（ANSYS）為支撐，從數(shù)值層面模擬了不同目標(biāo)泄漏率前提下螺栓法蘭墊片密封結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)還完成了螺栓法蘭墊片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)方法發(fā)展的歷程，并對(duì)國(guó)內(nèi)外3種主要螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)設(shè)計(jì)人員深入理解并更合理地進(jìn)行螺栓法蘭連接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。目前，Waters 法仍然是主要采用的螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)方法。但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，基于控制泄漏率的螺栓法蘭設(shè)計(jì)技術(shù)將會(huì)越來(lái)越受到重視。國(guó)內(nèi)對(duì)基于控制泄漏率的螺栓法蘭設(shè)計(jì)方法相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了深入分析和研究，取得了很多新成果，但沒(méi)有形成系統(tǒng)性和標(biāo)準(zhǔn)化，需要更加全面和系統(tǒng)的研究。

基于以上分析，今后基于控制泄漏率的螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)方法研究工作的重點(diǎn)將集中在以下幾方面。

（1）墊片泄漏率計(jì)算模型的研究。研究多因素條件下墊片密封性能的影響，完善墊片泄漏模型，有助于基于控制泄漏率的法蘭連接設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)和推廣應(yīng)用。

（2）墊片性能參數(shù)及測(cè)試方法的系統(tǒng)化研究。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)不同類(lèi)型墊片的性能參數(shù)做了許多試驗(yàn)研究，但是墊片材料、類(lèi)型繁多，而且墊片廠商眾多質(zhì)量參差不一，同時(shí)還缺乏不同壓力、溫度條件下更精確的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以后續(xù)還需要進(jìn)行大量、系統(tǒng)性的多因素（溫度、壓力等）影響下的基于墊片泄漏率的墊片系數(shù)的研究測(cè)試工作，統(tǒng)一測(cè)試方法，提高測(cè)試裝置的精度，從而使得到的墊片系數(shù)更具有代表性、高精確性和普適性。

（3）研究法蘭連接接頭全過(guò)程行為多因素（墊片應(yīng)力、螺栓預(yù)緊方式、法蘭剛度和偏轉(zhuǎn)角、法蘭外彎矩等）對(duì)螺栓載荷的影響，提出更精準(zhǔn)的能夠滿(mǎn)足目標(biāo)泄漏率要求的螺栓載荷。

（4）基于控制泄漏率的螺栓法蘭計(jì)算方法的簡(jiǎn)化研究，并輔助于ANSYS、ABAQUS 等有限元模擬軟件進(jìn)行模擬分析。

（5）開(kāi)發(fā)基于控制泄漏率的螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)軟件，對(duì)正確合理選用密封墊片、優(yōu)化法蘭連接密封的設(shè)計(jì)，以及促進(jìn)螺栓法蘭密封技術(shù)研究和工程應(yīng)用都具有重要的意義。