1 前言
法兰及其垫片、紧固件统称为法兰接头。法兰接头是石油化工生产中使用极为普遍，涉及面非常广泛的一种零部件。它是配管设计、管件阀门中*的零件，也是设备、设备零部件(如人孔、手孔、液面计等) 中*的构件。
法兰接头在压力容器、压力管道中的主要功能是连接与密封，法兰的失效不是因为强度问题，而是在螺栓载荷、垫片反力和介质压力的合成力矩作用下，由于刚度不足而产生变形(转角)，使其对垫片的压紧力不均匀，从而导致法兰接头泄漏。因此，控制法兰刚度和变形是法兰接头的关键。由于法兰接头的载荷和变形涉及的因素比较复杂，长期以来只能用经验和法兰应力计算来间接反映，国外规范已列入了法兰刚度计算方法，而我国容器标准和法规(GB150和容规)是以保证压力容器安全运行为目标而制定的，压力容器安全成为防止强度失效或脆性断裂的代名词。

2 法兰接头的密封机理
在螺栓上紧后，使垫片与两个法兰密封面之间产生一定的密封力，此时垫片单位面积上的密封力称为预紧比压，预紧比压使垫片产生一定的变形，从而保证接触面的密封。垫片的材质不同，预紧比压的要求也不同。当介质压力升起后，由于内压的作用使垫片的压紧力比预紧状态有所降低。为了保证在工作状态下的密封性能，要求此时垫片的比压不小于m×p(p为内压，m是与垫片材质及要求达到的密封程度有关的数值)。
法兰的泄漏情况用泄漏率来表示。通常气体的泄漏率要远大于液体的泄漏率，垫片的密封性能一般用一定压力下氮气的泄漏率来评价。对某种垫片而言，其泄漏率L与内压P和预紧比压y1的关系是y1=a+b ln(P/L)。式中a、b为垫片材料特征常数。
3  法兰接头的性能和几个错误认识
3.1 垫片
垫片是影响接头密封性能zui关键的环节，法兰和螺栓都是围绕保证垫片在zui适当的状态下工作而设置的，因此，提高法兰接头的密封性能应首先考虑垫片问题。
长期以来，我国未把密封—泄漏率定量地作为影响压力容器和管道安全的主要因素，对垫片材料的选用未引起重视。一些装置在选用垫片时也同样存在诸多误区：
⑴把石棉橡胶板作为一个的垫片，不考虑使用条件而广泛采用。实际上，石棉橡胶板是将石棉纤维和不同橡胶及其它粘合剂混炼后压制而成，是一多孔的非金属材料，而且随着组成的品种和配比不同，其性能变化是很大的。

由于标准中列入了这种条款，长期以来我们误认为石棉橡胶板可以用至450℃，6MPa(XB450)，无论蒸汽系统、氢气系统、油品系统都可以普遍使用。实际上，国外对石棉橡胶板的使用有严格的限制，如美国杜邦公司规定易燃介质不得使用石棉橡胶板，因为一旦发生火灾，采用石棉橡胶板的法兰接头很难保证不产生二次泄漏。日本 “石油工业用石棉橡胶板”标准规定易燃体使用石棉橡胶板的条件为0~260℃，≤1.0MPa，水、空气、水蒸汽为-50~260℃，≤3.0MPa。而且，国外标准对石棉橡胶板的性能指标要求比国内同类产品要高。
 　　　⑵厚垫片比薄垫片好。事实上，石棉橡胶板是一多孔的材料，垫片越厚，其渗透率越高，为了保证较高的密封性，必须施加比薄垫片更大的压紧力，才能将其芯部泄漏率降低，因此厚垫片比薄垫片需要的压紧力要大。对于水这样的大分子液体来讲，通过垫片芯部的泄漏率很小，厚度影响不大。通常厚垫片仅仅是法兰直径较大，考虑密封面波浪度或瓢曲时使用。一般其厚度依次采用0.81，0.6，3.2mm。
垫片宽度也不是越宽越好，相反，适当窄一点能提高其密封比压。但非金属垫片保证一定的宽度是有必要的，一是可以控制内部泄漏，二是不致使压紧力过大，把垫片压溃。
⑶金属缠绕垫是现在常是用的一种半金属垫。它一般由0.2mm左右的V形金属带与非金属带(如四氟、石墨等)缠绕而成，非金属带一般要露头零点几毫米，以在两侧表面形成非金属密封层。金属缠绕垫的特点是强度高、弹性好、防渗漏、耐高温。因此缠绕垫适用于中压系统或要求较高的场合。但在使用中，有将不带内、外环的垫片用于平面法兰的情况，由于内、外环有定位、加固(压紧力的作用下不致垮散)、控制压紧力的作用，当法兰密封面为平面时，如使用的缠绕垫不带内、外环，极易使垫片压溃，使密封失效。

   　　3.2 法兰
⑴压力等级
一般压力等级越高，密封性能越好。但法兰的选用涉及管道元件，如阀门、管件、机械设备等的配套问题，因而其压力等级不可随意提高。
⑵法兰型式
法兰型式有许多种，如对焊、平焊、活套法兰。其密封面型式有凸面、凹凸面、榫槽、梯型槽等。法兰型式、密封面型式和密封面光洁度对密封性能影响较大。
过去，进行强度计算时，都知道同样厚度的带颈对焊法兰强度比板式平焊法兰好，且可作定量计算，但各种法兰对密封有何影响，却没有定量概念，在GB150中也没有法兰刚度的计算公式。
美国ASME规范1995年起纳入了对法兰刚度进行校核的概念，提出了法兰刚度计算方法：
WN带颈对焊法兰、整体法兰
PL平板法兰
当J≤1.0时，可以认为法兰有较好的刚度。
取J=1.0可得到许用弯矩[M]的计算式。
⑶密封面表面粗糙度
密封面表面粗糙度与垫片材质、密封比压、要求的泄漏率有关，不宜太高，也不宜太低。国外在选用、采购、验收时对密封面表面粗糙度都有规定并作为检查项目，我国尚未引起足够的重视，且存在一些错误做法，如在密封面上车两道1mm的三角形槽，不管用什么垫片，法兰面均车水线。

3.3 紧固件
紧固件在法兰连接中作用比较简单, 即施加紧固力, 一般密封等级高，要求的螺栓力较大。为了达到T3级密封，无论什么垫片，一般要求螺栓予紧力要达到200MPa左右，因此，以采用合金高强度螺栓为宜，采用低碳钢或中碳钢的概念与要求较高的密封等级是不相适应的。实际上，国家*的文件中已明确液化气球罐上法兰必须用高强度合金螺栓。
螺栓力的控制是保证法兰密封性的主要因素之一，尤其是螺栓力要均匀，否则，易使法兰面变形不均匀，或使密封面和垫片压溃，造成密封失效。国内通常采用套筒冲击扳手，螺栓润滑也不讲究，因此实际螺栓力与要求相差甚远，zui大与zui小可达4倍，往往不能保证良好的密封。如我公司加氢制氢车间的10台意大利进口换热器，原检修时采用手工扳手，由于螺栓力过高，且法兰受力不均匀，使法兰梯形槽压坏，出现裂纹，造成严重的安全隐患。1997年，我们采用液压力矩扳手后，由于控制了适当的予紧力和均匀的螺栓力，不仅保证了密封面完好，且保证了良好的密封性能。
法兰密封性能的影响因素还有管道系统布置、热膨胀、振动等现场条件，在实际选用时要综合考虑。
4 结论
⑴垫片是影响法兰密封的主要因素，目前在易燃易爆介质或重要场合应主要选用半金属和金属垫片，如液化气、蒸汽、油品等以选用金属缠绕垫为好，高温、高压部位则应根据实际条件选用相应的金属。
⑵重要部位法兰应采用整体法兰或高颈法兰，并注意法兰粗糙度和垫片的匹配，采用缠绕垫，法兰为凸面时，垫片应带内、外环。
⑶为提高密封等级，螺栓强度等级应适当提高，关键设备、重要设备的法兰在安装时要控制好螺栓予紧力，同时要保证均匀的螺栓力。
⑷外加载荷较大时，管道设计时要采取措施予以减小，或适当提高法兰等级。