垫片的密封应力

螺栓法兰接头安全密封技术（四）

——垫片密封应力——

摘要：

在法兰接头设计或选用中，垫片虽然成本相对较低，但在保证连接密封性能、控制泄漏要求方面起着重要的作用。人们往往容易将泄漏的原因集中在垫片上，当然有垫片本身的原因，但更多的是法兰连接系统的设计或选用中存在的许多问题，最后通过垫片密封应力的降低表现了出来。

在法兰接头安装过程以及后续的各种使用过程中，垫片密封应力的大小和变化受到众多因素的影响。当垫片的密封应力降低到低于设计要求的基准值时，其结果是导致法兰连接的密封失效、发生泄漏。

本文分析了引起垫片密封应力降低的影响因素及其原因，介绍了估算方法，提出要减小弥补这样的影响，维持法兰接头的密封状态，初始安装螺栓载荷应足够大。同时螺栓也要有足够的强度，能承受相应的拉伸载荷及其可能的增加量。

前言

螺栓连接法兰接头的强度和密封性能对于承压设备/装置以及管道系统的正常、安全运行非常重要。法兰连接强度的保证，在承压设备行业（包括锅炉、压力容器、压力管道）长期以来都非常重视，当然这很重要，但对于其密封性能的保证或评估国内却较少有研究。

螺栓垫片法兰连接的泄漏途径，一个是通过垫片内部的渗透泄漏，另一个是通过垫片与法兰密封面之间的间隙的界面泄漏，界面泄漏是最难对付的。通常，我们考虑通过选用不同材料和类型垫片用于不同的设计工况条件以及在垫片表面途密封剂量等方法，达到减少/控制泄漏的目的。

要控制法兰接头的泄漏，仅仅通过采用各种措施消除垫片与法兰密封面之间的间隙/泄漏通道是远远不够的，最重要的是无论在安装阶段、还是各种使用过程中，当螺栓/垫片有蠕变松弛产生、当有介质压力等外载荷/温度等作用下，垫片与法兰密封面上必须始终保持/维持有足够的压缩应力，本文称之为“垫片密封应力”。

所以，法兰接头的强度和密封需要通过螺栓提供足够的夹紧力和垫片密封应力，来承受介质压力或各种外载荷，保证垫片的密封应力在安装以及随后的各种工况条件下都维持在设计要求的基准值以上，才能获得有效的密封、控制泄漏。

在法兰接头设计选用中，虽然垫片的成本相对较低，但垫片是个核心的问题，在保证连接密封性能、控制泄漏达到设计要求中起重要的作用。

由于螺栓连接法兰接头的强度和密封性能受到诸多因素的影响，其复杂的力学和变形关系，涉及到一个专题领域，要消除/控制法兰接头的泄漏是困难的。为了保证安全使用、控制泄漏，垫片必须正确选用设计、保证质量、正确地安装，在任何工况条件下法兰密封面和垫片接触表面之间应具有足够的压紧应力。所以，垫片的密封应力（= 总的螺栓载荷力/垫片的压缩面积）是法兰接头密封设计/选用的关键性能参数。

1、垫片的蠕变松弛

非金属垫片中，包括半金属垫片用填充材料或覆盖层，经常使用合成橡胶、PTFE等各种弹性材料。这类材料的特点之一，是具有不同程度的蠕变松弛特性，它与温度、时间、初始应力水平、密封材料厚度等多种因素有关。

对于法兰接头，经常遇到垫片的蠕变松弛问题。当安装/预紧达到密封设计要求的垫片，随着时间的推移，由于垫片的蠕变松弛行为，垫片密封面的压缩应力会降低/减少，并影响法兰接头的刚度。当应力值下降到某一临界值以下时，即出现连接的密封失效或泄漏。尤其在高温下长期使用，对垫片密封应力降低的影响更加明显（表1，缠绕垫片的常温和高温蠕便松弛性能数据）○7。很多垫片都在一定温度下使用，但关于垫片的高温蠕变松弛性能的数据却不多。

应该说蠕变并不只是高温的现象，在低温下也会产生。但由于温度低蠕变现象不明显，不容易察觉，但几乎所有的垫片多多少少有发生。不同材料和结构类型的垫片，蠕变松弛程度不同，。表2为几种垫片的常温蠕变松弛性能⑦。

表1 常温和高温蠕变松弛

表2 垫片的蠕变松弛率

垫片的蠕变松弛行为是影响螺栓法兰接头发生密封的主要原因之一。用户经常碰到，使用PTFE材料为主的垫片需在法兰接头安装24小时后进行再拧紧的操作，以弥补由于垫片蠕变松弛引起的垫片压缩应力降低以及由此引起的螺栓紧固载荷的减少。

在非金属垫片中，橡胶类垫片安装后由于蠕变松弛引起垫片压缩应力的降低较大，石墨材料垫片相对较小，但垫片的蠕变松弛程度与配合的法兰密封面结构有关，即垫片的变形是否有约束。图1为氟橡胶（Viton○R）垫片产品的实测应力松弛曲线，图2为柔性石墨垫片的实测应力松弛曲线⑨。图3为增强柔性石墨板和具有石墨覆盖层波纹板的长期蠕变松弛性能①（实验），由图可见，1天后垫片的应力降低约为23%～59%。

(a) 有约束，垫片初始应力10500psi (b) 无约束

图1 氟橡胶（Viton○R）垫片应力松弛曲线（硬度75）

图2 柔性石墨垫片应力松弛（无约束）

注：垫片A，增强柔性石墨板（316不锈钢钢板0.05mm，两侧石墨层厚0.79mm）

垫片B，具有石墨覆盖层的波纹板（不锈钢波纹板0.76mm，两侧石墨层厚0.79mm，节距3.2mm）垫片C，具有石墨覆盖层的波纹板（不锈钢波纹板0.61mm，两侧石墨层厚0.79mm，节距3.55mm）

图3 垫片的蠕变松弛性能

EN1591法兰计算方法中，垫片蠕变松弛对于使用工况条件下垫片压缩应力的影响，用参数P QR表示。P QR为垫片密封面的剩余压缩应力（使用条件）与初始压缩应力（安装状态）的比值，按EN13555:2004的方法测定，是表示垫片短期松弛性能的度量参数（4小时，未考虑长期松弛影响）。表3为EN1591-2：2008中给出的P QR。

表3 P

上述数据都是在一定时间内垫片试验的结果。试验结果与实际使用存在有多大差别，以及垫片的蠕变松弛其对于垫片密封应力影响程度的确定的工程实用方法还有待进一步研究。

此外，由于垫片的非线性应力-变形（粘弹塑性），经历一次加载和卸载，垫片的密封应力增加和减小，即使螺栓夹紧力回到原来的水平，垫片的密封应力降低。在垫片设计或选用计算时，考虑垫片的蠕变松弛对于法兰接头密封性能的影响，通常可以设定比较高的螺栓载荷、选用抗松弛性能好的或者新的高性能材料垫片、再拧紧（热拧紧）等措施，以减小垫片蠕变松弛的影响。

2、法兰或螺栓的蠕变/松弛

（1）温度

由于法兰或螺栓的蠕变松弛，会影响实际作用于垫片密封面的螺栓载荷大小。但与垫片相比，螺栓和法兰蠕变松弛的影响相对较小。但具体影响有多大、程度如何，目前也没有可以使用的规范方法计算确定。在EN1591(EN13445-3附录G）中法兰接头的计算，也没有考虑到螺栓和法兰蠕变松弛对于法兰接头密封性能的影响。究其原因可能是很少有螺栓选用设计用于其蠕变温度范围的应用实例。

图4为温度对螺栓材料的应力松弛的影响。除了常温使用工况条件以外，法兰和螺栓之间存在有一定的温差，不同的热膨胀量会引起法兰接头中力/变形平衡的变化，从而引起垫片密封应力的变化。必要时应考虑取一定的安全裕量，或进行使用条件下蠕变松弛的评估，来确定使用条件下垫片的实际压缩载荷。

通常，对于法兰和螺栓选用膨胀系数相近的材料，并正确安装的法兰连接，一般认为可以在260℃以下正常使用○11。实际使用经验也表明①，静态或动态温度对于法兰接头密封性能的影响，大致相当于10%屈服强度的螺栓载荷的减少。

图4 B7/B16/B8M螺栓蠕变松弛曲线

（2）螺栓的短期应力松弛

螺栓的短期应力松弛会导致实际作用于垫片密封面载荷的减小。

不同于温度引起的材料的蠕变松弛行为，螺栓法兰接头在初始安装后，每个螺栓的预紧载荷/法兰接头夹紧力或多或少会有减少。不考虑安装过程程序、方法等原因，也排除安装

螺栓载荷超过材料屈服极限引起蠕变，主要原因是由于局部塑性变形，如螺母承压面与法兰背面之间、螺栓和螺母配合螺纹之间（螺母的第一个螺纹，螺纹配合面不平等）。所以，大部分螺栓的短期应力松弛发生在安装拧紧后几秒钟或几分钟，在随后相当长时间内保持在一个较低的水平。见图5所示。

螺栓短期应力松弛的大小和程度很难计算预测，大多数情况需通过实验大致确定。按照NASa(1998)⑦提出的数据，由于螺栓的短期应力松弛，螺栓预紧载荷的损失大约在2%-10%。一般，可以通过多次拧紧来减少其对垫片密封应力降低的影响。

对于螺栓来说，除了材料的蠕变松弛，其他任何导致安装螺栓载荷降低的因素，都将影响到垫片密封应力的变化。通常考虑选用合适的螺栓材料，消除/减小螺栓蠕变松弛的影响。

图5 法兰接头安装拧紧后螺栓的短期松弛图6 法兰接头的转角变形

3、法兰转角

实际上法兰非完全刚性，安装时在螺栓预紧载荷作用下产生偏转，如图6所示。垫片内径处（图6中B点）部分或全部卸载，垫片密封应力沿径向不均匀分布，垫片外径处（图6中A点）应力高于内径处的应力。当有介质内压以及管道系统外载荷（外力、外弯距、温差等）作用时，将引起法兰转角变形的进一步增加。同时，螺栓拧紧力降低。此外，也就是说，法兰接头安装拧紧螺栓后，螺栓发生一定的拉伸变形。在使用工况条件下，法兰的进一步偏转的影响，使螺栓伸长变形减少，拧紧载荷降低，导致垫片密封应力减小，从而对法兰接头密封产生不利的倾向。这也可以用来解释在实际工程应用中，安装时施加了很高的预紧力的法兰接头，使用中螺栓并没有破坏。

研究发现，法兰转角变形过大，容易引起法兰接头的密封失效，引起泄漏。垫片接触面密封应力的这种变化，大尺寸法兰接头比较小尺寸法兰接头要大。图7所示为采用缠绕垫的带颈对焊法兰接头的FEA计算结果③。分析表明，大直径法兰接头由于转角变形大，垫片密封面的应力分布不均匀程度更大。即，随着法兰直径的增加，法兰的转角变形对于法兰接头密封性能的影响增加。大尺寸法兰的刚度比尺寸法兰的刚度小，更加容易产生转角变形比如，大直径奥氏体不锈钢法兰（刚度小），容易偏转变形过大引起泄漏。

在ASME BPV VIII-2附录2中，对法兰安装时的转角变形有一个限制（法兰刚度）。在EN1591(EN13445-3附录G）中，有安装和使用条件下法兰转角的计算，但计算方法复杂，也没有提出限制要求。

图7：垫片密封应力的径向分布

注：r0：垫片内半径，σ0：垫片内径处密封应力。

4、介质内压、外载荷

法兰接头安装预紧后，法兰、垫片、紧固件达到一个静态力/变形平衡状态。垫片上压缩载荷F G = 螺栓预紧载荷F b，图8（a）所示。

在法兰接头设计或选用时，经常是仅考虑介质内压P的作用，其在法兰接头上产生一个轴向作用力W = 1/4ЛD2P。如将由此产生的垫片压缩载荷的变化设为ΔF G，每个螺栓的拉伸载荷的变化为Δf b，则法兰接头达到新的力/变形平衡后垫片上的剩余压缩载荷为= Fb -ΔF G(卸载)。图8（b）

如果把螺栓载荷的变化Δf b与内压P引起的轴向载荷W/N的比值定义为载荷系数Φg （Φg = Δf b /（W/N）），可以看到，当Φg为正值，螺栓载荷增加，当Φg为负值时，螺栓载荷将降低。

实际使用工况条件下，除介质内压力以外，管道系统中还可能有外载荷（外力、外弯距、温度、压力脉动等）的作用，也有使法兰接头分离的趋势，从而引起垫片接触面实际压缩应力的降低，以及螺栓拉伸载荷的增加或减少，影响法兰连接的密封性能。

因此，要弥补这样的影响，维持法兰接头的密封状态，初始安装螺栓载荷应足够大。同时螺栓也要有足够的强度，能承受相应的拉伸载荷及其可能的增加量。

所以，当有介质内压或管道系统外载荷等作用时，法兰接头安装时形成的初始力/变形平衡状态将发生改变，也就是说从安装到后续的各个使用工况条件下，螺栓载荷和垫片密封面实际的压缩应力水平都会有变化，变化数值的大小与安装时螺栓预紧载荷的大小有关，这点很重要。

（a）安装（b）使用

图8 法兰-垫片-螺栓接头作用力

垫片密封应力的变化，在法兰接头密封性能评估中占有重要的位置。这可以用一个简化的示意图来表示法兰接头中各组成元件之间力和变形的关系及其变化，称之为法兰接头载荷平衡图或密封图。法兰接头密封图经常应用于法兰接头的设计选用，可以直观地说明由于外载荷的作用引起法兰接头的力平衡变化的概念，特别是工作条件下垫片密封应力的评估。

最简单的密封图用2条直线来表示，图9所示，一条表示螺栓力和螺栓拉伸变形的关系（直线（c）），另一条表示受压元件的压紧力和压缩位移/变形的关系（直线（b））。○a点对应的两条直线的交点表示螺栓预紧后的状态，○d点表示介质内压以及外载荷作用后新的力/变形平衡点。同时也可得到法兰接头安装后螺栓力和压紧力的变化（⊿F G、⊿F b）。

这样的密封图非常简单，便于概念的理解，受压件理想化为完全弹性（相当于不考虑垫片以及法兰的偏转的影响）。一般，不能直接用于采用垫片密封的螺栓法兰接头的密封性能的评估。

图9 法兰接头载荷平衡示意图（无垫片）

通常的（传统的）观点认为，法兰接头安装后增加的外载荷几乎大部分是由螺栓来承担的，即螺栓载荷增加。但对于一个刚度较大的法兰接头，也就是说螺栓的刚度相比较法兰/垫片的刚度要小得多的情况下，增加的外载荷部分实际由螺栓载荷增加而承担的比例很小。图10（b）。也就是说，当法兰接头安装完成后，介质内压和外载荷的作用而产生的轴向力F P，使螺栓伸长、法兰/垫片卸载（垫片回弹，法兰偏转）。法兰接头上增加的外载荷的大小，实际是由螺栓和法兰/垫片共同来承担，并按照其刚度的大小进行分摊。相对刚度大的，分摊/承担的比例就大。

如果是螺栓的相对刚度越大（法兰/垫片相对刚度小，较“软”接头），则增加的外载荷

越多的部分由螺栓载荷的增加来承担，相应地垫片的卸载就小（图10（a））。这种情况对于法兰接头的密封就有利。反之，垫片/法兰的相对刚度大（较“硬”接头），同样的外载荷作用下，由垫片卸载来承担得就越多(图10（b）)，垫片密封应力的降低越多，对于法兰接头的密封就越不利。

（a）“软”接头（b）“硬”接头

图10 法兰接头载荷平衡示意图（完全弹性体）

同样的道理，对于螺栓的相对刚度较大的法兰接头，安装螺栓载荷的确定应考虑有一定的安全裕量（与最小屈服强度）。如安装螺栓载荷的目标值建议取螺栓材料最小屈服强度的50%。而对于法兰/垫片的相对刚度较大的法兰接头，安装螺栓载荷的目标值可以适当大些，如经常建议取螺栓材料最小屈服强度的75%○1。这方面详见本系列文章相关专题的内容。

实际上，由于垫片的压缩-回弹变形为非线性和粘弹性的特点，法兰的偏转变形以及法兰/垫片与螺栓相对刚度的不同等因素的影响，对垫片密封应力变化的影响是不一样。图11中考虑了法兰的偏转变形以及法兰/垫片与螺栓相对刚度的不同对于垫片密封应力变化的影响。

（a）载荷系数为正(b) 载荷系数为负

注：（e）线表示在介质内压及外载荷作用下螺栓载荷的变化；

（e）线的斜率为kΦg/（1-Φg）, k为垫片回弹刚度系数。

图11 法兰接头载荷平衡示意图

图中：(a)点为安装时初始预紧达到的力平衡状态，(d)点表示内压等外载荷作用后新的力平衡点，（e）线表示外载荷作用后螺栓载荷的变化。可见，由于外载荷的作用，垫片密封载荷降低（卸载），螺栓载荷依据法兰接头的载荷系数Φg的大小而增加或降低。法兰接头的载荷系数Φg与法兰和垫片的刚度/柔性有关。当载荷系数Φg为正时，螺栓载荷增加，载荷系数Φg为负时，螺栓载荷降低。

有研究表明，法兰的公称直径增加，法兰接头的载荷系数降低，表示增加的外载荷由螺栓承担的比例降低，相应的垫片卸载增大，对于法兰接头的密封不利。表4为对于采用缠绕垫的2in～20in、Class300的带颈对焊法兰，用FEM分析方法进行的计算结果○3。通常，小直径法兰接头的载荷系数为正，大直径管法兰接头的载荷系数为负数因此，法兰尺寸增加，垫片压缩应力降低越多，越容易发生泄漏。在确定安装螺栓载荷时候，应考虑这些影响，特别是大直径法兰接头。

表4管法兰接头的载荷系数Φg

当法兰接头的载荷系数为负数时，表示螺栓载荷降低螺栓载荷降低的部分以及作用的外载荷的部分都是由垫片的卸载来承担的。在这种情况下，一是垫片的密封应力降低，不利于法兰接头的密封性能。二是当垫片的密封应力低于密封设计要求的基准值、或螺栓载荷降低至密封设计要求的最小值以下时，则导致密封失效。

图12为考虑了垫片材料的非线形（粘弹塑性）特性的法兰接头密封图，更接近于法兰-垫片-螺栓连接接头的实际密封行为。GL为垫片的压缩变形曲线，GU为垫片的回弹（卸载）曲线。由作图法可以获得安装预紧和使用工况条件下垫片的密封应力，对法兰接头的密封性能进行评估。

但实际应用时除了垫片的应力-应变曲线（压缩和回弹）以外，还需要有安装时垫片压紧力作用下法兰/螺栓的载荷-位移曲线（BFG）和使用工况下介质内压等外载荷作用下法兰/螺栓的载荷-位移曲线（BFP）。详细的确定法兰接头中使用工况条件下垫片的密封应力水平的方法见参考文件[6]

因此，使用工况条件下，介质内压以及系统的外载荷的作用，对于垫片密封应力降低的影响，与安装时预紧螺栓载荷的大小、垫片材料和种类（压缩-回弹特性）、法兰/垫片与螺栓的相对刚度、法兰的偏转等因素有关。

管道系统中的法兰接头，由于管道系统的布置，或安装时不对中等原因承受外弯距的作用。在外弯距的作用下，法兰接头一侧受拉伸，垫片密封应力降低，容易导致泄漏或泄漏量增加。另一侧受压缩，垫片密封应力增加，容易被压坏。所以，外弯距的（存在）对于法兰接头的泄漏的影响是相当大的。

（a ）垫片刚度较大

（b ）垫片刚度较小

图12 法兰接头密封图

5、安装过程

法兰接头的安装过程中，存在众多影响垫片密封应力大小及其变化（降低）的因素，如螺栓的交互作用、不正确的拧紧方法、安装误差、使用工具、法兰密封表面缺陷以及其他诸多不确定因素（操作载荷的不确定，温度/压力脉动、热循环等），从而引起各种偏差或偏离，导致螺栓载荷分布不均匀及目标螺栓载荷的大小，也影响垫片密封面应力的大小和分布，引起法兰连接的密封失效。

所以，从保证法兰接头使用密封性的观点，应保证有足够的目标安装螺栓载荷，以保证在各种可能的使用工况条件下，垫片密封面始终具有足够的压缩应力，以满足法兰接头密封设计的要求。这方面的纤细内容参见本系列文章的其他相关专题。

6、 ASME PCC-1-2010方法

ASME PCC-1是关于承压设备用法兰接头安装的指导性技术文件，目的是控制由法兰接头引起的泄漏，并已得到广泛的工程应用。

ASME PCC-1依据长期的实践经验和试验研究的积累，推荐以B7螺栓屈服强度的50%作为目标安装螺栓应力，并确认对于大多数采用非金属平垫片或半金属平垫片用于Class 系列标准法兰是可行的。对于垫片的松弛系数，推荐在没有实测数据的情况下可取0.7，即认为法兰接头由安装到使用过程中，螺栓紧固载荷的损失越为30%。

由于，Class300带颈对焊法兰采用缠绕垫时，其垫片密封应力的变化如表5所示。从安装到使用过程中，垫片的密封应力是降低的，相同压力等级下，尺寸越大下降得越多。

表5 缠绕垫的密封应力变化

总结

在法兰-垫片-螺栓连接的密封性能评估中，法兰接头安装时以及后续的各个使用工况条件下的垫片密封接触面的实际压缩应力水平，直接影响法兰接头的紧密性程度。所以，垫片密封应力的大小及其变化，在法兰接头密封性能评估中占有重要的位置。特别是介质内压和外载荷的作用对于垫片密封应力降低的影响，急需确立适合工程实用的计算或评估方法。

从法兰接头的安装到各种使用条件下，最大安装螺栓载荷、垫片/螺栓/法兰材料的蠕变松弛性能、法兰在弯距作用下的偏转、法兰/垫片与螺栓材的相对刚度大小、不同材料和类型垫片的压缩回弹性能以及安装过程中的诸多不确定因素都将影响垫片的密封应力的降低，当垫片密封应力低于密封设计要求的基准值时，则导致法兰连接的密封失效和泄漏的发生。

可以说泄漏对于垫片的密封应力的降低是非常敏感的。考虑安装到使用期间，各种可能引起垫片密封应力降低的因素的影响，在考虑有一定安全裕量的前提下，最简单也是最有效的方法就是尽量提高目标安装螺栓载荷，即提高垫片的目标安装应力水平。尤其是高压和大直径法兰接头，这对于保证使用条件下法兰连接的密封性能、控制泄漏的发生是有利的。

参考文献：

1、Improved flange design method for the ASME 8,Div.2

2、Daniel F. Reid etc，“A PRACTICAL APPROACH TO EVALUATING FASTENER PRELOAD RETENTION WITH ELASTOMERIC GASKETS”，PVP2008-61583

3、New Development in Studies on the Characteristics of Bolted Pipe Flange Connections in JPVRC, Toshiyuki Sawa etc, Journal of Pressure Vessel Technology, Feb.2006,Vol.128/103

4、Vikram N. Shah2，“UNCERTAINTY OF PRELOADS IN CLOSURE BOLTS FOR RANSPORTATION CASKS FOR HAZARDOUS AND RADIOACTIVE MATERIALS”，PVP2008-61360

5、Satoshi Nagata etc，"LOAD FACTOR BASED CALCULATION FOR BOLT LOAD AND GASKET LOAD CHANGES DUE TO INTERNAL PRESSURE", PVP2004-2626

6、NEW TIGHTENING DIAGRAM FOR BOLTED FLANGED GASKETED JOINTS, Yoshio UENO etc, PVP2006-ICPVT11-93541

7、Bickford, j.h., "An Introduction to the Design and Behavior of Bolted Joints, 3rd ED.", Marcel Dekker Inc., 1995

8、Toshiyuki SAWA etc，“ STRESS CHARACTERISTICS OF LARGE DIAMATER PIPE FLANGE CONNECTION WITH NON-ASBESTOS GASKET UNDER ELEVATED TEMPERATURE”，PVP2008-61190

9、ASME PCC-1-2010 “Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly”