螺栓法蘭接頭的失效和失效分析

中德密封

螺栓法蘭接頭當在其設計條件下運行時，期望達到它的最大工作壽命。不論在期望壽命之前還是之后，一當法蘭接頭泄露超過環境法定或工廠現場規定的泄露容限時，就認為該接頭失效了。法蘭接頭的失效將危及設備或管線的正常運行，以致引起整個裝置失敗和被迫停工。有報導有的工廠總揮發物逸出中，來自法蘭的占了28%。一個簡單的螺栓法蘭接頭各組成部件可能引起的失效模式，其最終的表現形式——密封介質沿墊片表面的泄露或和內部的滲漏，這兩者泄漏量可以是少量或微量的，但當墊片因吹出發生崩裂時，將引起大量的泄露。

研究表明大多數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的安裝（26%）、法蘭損壞（25%）、螺栓缺失（15%）和法蘭未對中（12%），與墊片直接有關的原因僅小部分（26%）。早期的失效表現在墊片的拒不損壞，多半是由于欠少或過分或（和）不均勻的預緊、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）。通過觀察圍繞墊片周邊的損壞和差異狀況，尤其是軟質墊片，可以了解墊片的失效原因，如墊片厚度不當，或選用不合適，或過分壓縮，或預緊力不夠，或儲存不當，或墊片退化，或墊片重復使用等。


根據發生泄露的時段，螺栓法蘭接頭有以下幾種失效原因。

1、壓力試驗是發生泄露
承壓容器和設備在制造竣工或停工后重新啟用前，需要進行強度（液壓或氣壓）試驗，這是在高于操作壓力下進行額壓力試驗。因為試驗不進行或溫度循環載荷，所以此試驗中法蘭接頭若發生了泄露，表明安裝或螺栓載荷存在較大問題，包括：

（1）安裝不當，墊片載荷不均勻；
（1）安裝法蘭誤差過大；
（1）螺栓-螺母材料級別不正確，螺紋銹蝕、螺栓屈服或過量變形，采用強度級別較低的不銹鋼螺栓，如ASME SA-193 B8 C1.(304)，相當國內的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、法蘭環翹曲或變形。

2、開始加壓時發生泄露
（1）安裝不當，墊片壓縮力不夠，或墊片與法蘭之間摩擦力不足而產生滑移，或因過度壓縮使墊片壓潰或碎裂；
（1）緊固件失效，包括螺栓拉斷、化學腐蝕、應力腐蝕開裂，疲勞和松弛，螺母松動等；
（1）法蘭未對中；
（1）法蘭密封面損壞，形成泄露通道；
（1）墊片選用不當，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引起墊片損壞；
（1）使用舊墊片。

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

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

5、運行較長時發生的泄露
（1）墊片化學劣化（分解、氧化、腐蝕等）
（1）墊片物理劣化（粘結劑遭遇蒸汽、有機溶劑、熱油膨潤）；
（1）墊片和螺栓長期蠕變引起螺栓載荷失效；
（1）墊片不適應操作溫度（橡膠遇熱硬化）；
（1）法蘭不同的徑向運動引起墊片剪斷或墊片和法蘭錯動；
（1）管道支架或約束不當引起過大彎矩；
（1）系統工況、流體含量、熱/壓力波動、振動、外部環境（如保溫層脫落、產生外部加熱/冷卻的其他原因）等的變動；
（1）突發的壓力驟變、溫度波動、熱沖擊或振動；
（1）螺栓預緊不當，使墊片沒有達到理想的壓縮；
（1）法蘭未對中。

6、停車時發生泄露
（1）墊片長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）法蘭不同的徑向運動導致墊片損壞。

以上原因中，螺栓載荷或墊片應力不足是法蘭接頭失效的主要原因，據統計100件墊片失效中因載荷不足占了65%，而導致載荷不足的原因中，安裝不良占了36%。

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