法兰连接实验研究

1. 法兰结构简介

法兰结构为各类承压管道、设备中广泛使用的连接组件，管道内部的介质往往具有危险性，一旦法兰连接发生泄漏失效，可能会引发重大安全事故，所以保障压力管道法兰连接的密封性至关重要。

合理的螺栓预紧力与工作时的垫片压紧力是保证法兰连接的密封性的要素。

1.1 法兰密封机理

法兰连接密封结构的主要组成如图所示。法兰密封主要依靠螺栓产生的预紧力来实现密封。

当法兰连接结构受螺栓预紧力时，螺栓、螺母和法兰将接触面填满，螺栓、螺母和法兰成为一种较为复杂的力学结构。

图(a)为还未进行预紧的工况；图(b)为预紧工况，此种情况下，当螺栓被拧紧时，螺栓预紧力会通过法兰压紧面传递到垫片上。图(c)为内压加入管道后操作状态。此时，由于介质的轴向力作用，使上、下法兰间垫片上的压紧力有所减少。这样，预紧条件下垫片所产生的压缩量也将随之减小，从而使垫片上的密封比压减小；保证垫片上的密封比压大于某一值就能保证法兰连接密封可靠。工作密封比压。法兰保证密封的关键是操作工况下垫片压紧力能够阻止内压作用下介质泄漏出垫片。

1.2 操作工况下垫片压紧力的确定

传统法兰设计方法（GB150）中推荐的操作密封比压由y（预紧密封比压）和m（垫片系数）确定。而y（预紧密封比压）和m（垫片系数）由实验经验数据得到。实践证明：y（预紧密封比压）和m（垫片系数）存在一定的局限性。PN16/DN150规格的带颈对焊管法兰在石化企业使用较多，为探讨此类法兰安全合理紧固安装，减少密封失效风险，以此管法兰和与之配套使用的石墨金属缠绕垫片作为研究对象，通过实验等多种手段对其紧固及密封展开研究。

2. 实验平台简介

搭建了基于电阻应变传感器的螺栓预紧力及垫片压紧力检测实验装置。对管道法兰连接的预紧及操作工况下的螺栓轴向应变进行了实验研究，采集得到了螺栓预紧力及推导垫片比压力实时数据，结果表明：对于PN16/DN150规格的带颈对焊管法兰，国家标准GB/T 150.3的垫片系数与比压力推荐值下的密封具有有效性；拧紧扭矩与螺栓预紧力及垫片比压力呈近似线性关系，并拟合得到了扭矩系数；对不同的拧紧顺序工艺进行研究，顺序、间隔、星型三种法兰螺栓紧固顺序工艺中星型拧紧密封性能最佳。

2.1 螺栓及传感器简介

为了满足实验设计需求，确保数据的精确性与可靠性，本文设计了如图4布片示意图所示的螺栓轴向预紧力测量方案，在距螺帽下端面14cm处沿螺栓光杆螺杆，进行打磨抛光出光洁圆滑的表面，并用酒精反复清洁干净，沿螺栓光杆轴线方向在其环向表面每隔90°使用无机硅胶水粘贴一个应变片，用来测量螺栓的轴向应变，待全部粘贴完成后使用绝缘胶带覆盖应变片外围防止应变片与螺栓孔内壁接触发生短路。取四个采样点轴向应变的算术平均值为最终螺栓轴向应变测量结果。

本研究将每根螺栓上的四个应变片全部单独顺时针，从1到4号进行编号，以确定四应变采样点在螺栓光杆空间上的相对位置，消除法兰连接螺栓在预紧过程中螺杆的转动带来的测量空间误差。为后续结果分析带来依据。将其整理引出并汇总分别编号。电阻应变片布片尺寸参数及布片实物图如图5所示。

2.2 应变仪及应变片的连接

本文应力应变采集系统选用TZT3826E静态信号测试分析系统，其拥有4路40通道，24位A/D分辨率，可使采集、显示、存盘实时同步进行；连续采样频率为1Hz；位采集分辨率可达1με，应变满度值为±20000με，带有自适应温度补偿功能，可用于弥补法兰连接螺栓预紧力测量过程中带来的环境波动误差。如图6所示接线完成后通过网线以TCP/IP通讯协议连接至电脑软件。

电阻应变片采用1/4桥三线制接线方式：将电阻应变片两根引线的其中一根并联，并将通道端子“+Eg”“Vi+”“1/4桥”连接至单个工作片，接线示意图如图6所示。

3. 实验结果及讨论

采用工程上常用的方法，先将对角四个螺栓分别预先紧固一定程度，再将所有螺栓按顺时针方向拧紧至目标力矩，待其稳定后，对每个取样点的应力稳定时间段平均值，对试验结果进行统计，结果表明，几乎每一根螺栓间隔90°粘贴的4个取样点的应变值各不相同，取其中典型螺栓做深入分析。

3.1 螺栓轴向应变实验检测

初次对螺栓施加100Nm扭矩后，发现该螺栓四点采样应力值如图8所示。稳定后1号采样点为-23.66MPa，2号采样点-242.9MPa，3号采样点120.21MPa，4号采样点为365.19MPa，应力基本为对称分布。实验测试结果表明，管法兰连接螺栓在预紧过程中，并非严格意义上的理想轴向受拉状态，而是弯扭组合模式，这说明实际预紧的螺栓会不可避免地具有弯曲效应，出现该结果的原因与法兰面不平行度与螺栓与螺栓孔的不同轴度有关。且注意到后续当扭矩逐渐增大时，受压点逐渐消失，证明此时由于螺栓预紧力的整体增大，此时螺栓轴向力占据主导。

3.2 螺栓轴向应变与螺栓拧紧扭矩对应关系实验检测

取螺栓光杆四采样点轴向应变的算术平均值，作为螺栓轴向预紧力检测结果，定力矩扳手所施扭矩与螺栓平均应力σ及螺栓预紧力F测试结果如表2所示。

实验结果表明，随着扭矩的逐渐增大，所有负的应变值全都转正，随着预紧力的增大，螺栓轴向拉伸逐渐增大，故该危险点经过评估符合强度要求。

4. 法兰连接的优化与改进

法兰连接在实际应用中存在一定的局限性，主要表现在其密封性能的可靠性、连接强度以及使用寿命等方面。为了提高法兰连接的性能，需要从以下几个方面进行优化和改进：

4.1 材料选择

选择合适的材料是提高法兰连接性能的关键。目前常用的法兰材料主要有碳钢、不锈钢、合金钢等。不同材料具有不同的性能特点，如强度、耐腐蚀性、焊接性能等。在实际应用中，应根据工作条件选择合适的材料。

4.2 结构设计

法兰连接的结构设计直接影响到其性能。为了提高法兰连接的密封性能，可以采用以下措施：

• 采用双法兰结构，增加密封面积，提高密封性能。
• 优化螺栓布局，合理分配预紧力，提高连接强度。
• 采用密封垫片，提高密封性能。

4.3 加工工艺

加工工艺对法兰连接的性能也有很大影响。为了提高法兰连接的性能，可以采用以下措施：

• 采用高精度加工设备，确保法兰面平整、光滑。
• 采用先进的焊接工艺，提高焊接质量。
• 采用表面处理技术，提高材料的耐腐蚀性能。

4.4 维护与管理

法兰连接在使用过程中需要进行定期维护和管理，以保证其性能。主要包括以下方面：

• 定期检查法兰连接的密封性能，发现问题及时处理。
• 定期检查螺栓的预紧力，确保其保持在合理范围内。
• 定期检查法兰连接的磨损情况，及时更换磨损严重的部件。

通过以上措施，可以提高法兰连接的性能，延长其使用寿命，降低故障率。

5. 结论

法兰连接在承压管道和设备中具有广泛的应用，其密封性能和连接强度对系统的安全运行至关重要。本文通过对法兰连接的实验研究，分析了法兰连接的密封机理和操作工况下垫片压紧力的确定方法，探讨了法兰连接的优化和改进措施。实验结果表明，合理的螺栓预紧力和工作时的垫片压紧力是保证法兰连接密封性的关键。通过对法兰连接的优化和改进，可以提高其性能，延长其使用寿命，降低故障率。在实际工程应用中，应根据具体工作条件选择合适的法兰连接方式和材料，并加强维护和管理，以确保系统的安全运行。