螺栓法兰接头的失效和失效分析

中德密封

螺栓法兰接头当在其设计条件下运行时，期望达到它的最大工作寿命。不论在期望寿命之前还是之后，一当法兰接头泄露超过环境法定或工厂现场规定的泄露容限时，就认为该接头失效了。法兰接头的失效将危及设备或管线的正常运行，以致引起整个装置失败和被迫停工。有报导有的工厂总挥发物逸出中，来自法兰的占了28%。一个简单的螺栓法兰接头各组成部件可能引起的失效模式，其最终的表现形式——密封介质沿垫片表面的泄露或和内部的渗漏，这两者泄漏量可以是少量或微量的，但当垫片因吹出发生崩裂时，将引起大量的泄露。

研究表明大多数法兰接头引起泄露失效原因不是垫片而是其他的因素，这些因素包括不适当的安装（26%）、法兰损坏（25%）、螺栓缺失（15%）和法兰未对中（12%），与垫片直接有关的原因仅小部分（26%）。早期的失效表现在垫片的拒不损坏，多半是由于欠少或过分或（和）不均匀的预紧、法兰密封表面损坏（刮痕、瓢曲、腐蚀等）以及法兰的安装误差（不平行、不同轴等）。通过观察围绕垫片周边的损坏和差异状况，尤其是软质垫片，可以了解垫片的失效原因，如垫片厚度不当，或选用不合适，或过分压缩，或预紧力不够，或储存不当，或垫片退化，或垫片重复使用等。


根据发生泄露的时段，螺栓法兰接头有以下几种失效原因。

1、压力试验是发生泄露
承压容器和设备在制造竣工或停工后重新启用前，需要进行强度（液压或气压）试验，这是在高于操作压力下进行额压力试验。因为试验不进行或温度循环载荷，所以此试验中法兰接头若发生了泄露，表明安装或螺栓载荷存在较大问题，包括：

（1）安装不当，垫片载荷不均匀；
（1）安装法兰误差过大；
（1）螺栓-螺母材料级别不正确，螺纹锈蚀、螺栓屈服或过量变形，采用强度级别较低的不锈钢螺栓，如ASME SA-193 B8 C1.(304)，相当国内的06Cr19Ni10(0Cr18Ni9)；
（1）某些螺栓或螺母支承面磨损；
（1）垫片未放在密封面中央位置；
（1）法兰密封面损伤、法兰环翘曲或变形。

2、开始加压时发生泄露
（1）安装不当，垫片压缩力不够，或垫片与法兰之间摩擦力不足而产生滑移，或因过度压缩使垫片压溃或碎裂；
（1）紧固件失效，包括螺栓拉断、化学腐蚀、应力腐蚀开裂，疲劳和松弛，螺母松动等；
（1）法兰未对中；
（1）法兰密封面损坏，形成泄露通道；
（1）垫片选用不当，垫片承压能力不足，包括垫片厚度太大，超出使用压力范围；
（1）管道支架或约束不当引起垫片损坏；
（1）使用旧垫片。

3、升温或初始运行时发生渗漏
（1）升温时垫片初始蠕变过大，引起螺栓载荷丧失或将垫片挤出；
（1）不同零件热膨胀差造成螺栓载荷丧失；
（1）安装不当，垫片载荷不均匀或过度压缩；
（1）缠绕垫片发生向内屈曲或外环拱起；
（1）某些螺栓或螺母支承面磨损；
（1）管道支架或约束不当引起过大弯矩；
（1）垫片未放在密封面中央位置；
（1）垫片选用不当，超出其使用压力和温度范围。

4、多次热循环或压力波动发生泄露
（1）温度和压力波动引起螺栓载荷丧失；
（1）气候的突然变化，如大雨等。

5、运行较长时发生的泄露
（1）垫片化学劣化（分解、氧化、腐蚀等）
（1）垫片物理劣化（粘结剂遭遇蒸汽、有机溶剂、热油膨润）；
（1）垫片和螺栓长期蠕变引起螺栓载荷失效；
（1）垫片不适应操作温度（橡胶遇热硬化）；
（1）法兰不同的径向运动引起垫片剪断或垫片和法兰错动；
（1）管道支架或约束不当引起过大弯矩；
（1）系统工况、流体含量、热/压力波动、振动、外部环境（如保温层脱落、产生外部加热/冷却的其他原因）等的变动；
（1）突发的压力骤变、温度波动、热冲击或振动；
（1）螺栓预紧不当，使垫片没有达到理想的压缩；
（1）法兰未对中。

6、停车时发生泄露
（1）垫片长期蠕变和不同零件冷却的收缩差引起螺栓载荷丧失；
（1）垫片不适合操作温度；
（1）垫片劣化；
（1）法兰不同的径向运动导致垫片损坏。

以上原因中，螺栓载荷或垫片应力不足是法兰接头失效的主要原因，据统计100件垫片失效中因载荷不足占了65%，而导致载荷不足的原因中，安装不良占了36%。

lin005

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