文档介绍：word
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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）垫片应力松弛曲线（硬度75）
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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（，）
垫片B，具有石墨覆盖层的波纹板（，，）
垫片C，具有石墨覆盖层的波纹板（，，）
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PQR表示。PQR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PQR。
表3 PQR
温度，℃
PQR
非石棉纤维
增强柔性石墨（冲齿板）
带外环缠绕垫
室温
～
175
～
200
250
～
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300
～
400
450
上述数据都是在一定时间垫片试验的结果。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。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，在随后相当长时间保持在一个较低的水平。见图5所示。
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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。