螺栓法蘭連接組件（BFJA）作為管道、壓力容器和換熱器中關(guān)鍵的壓力邊界連接。這些連接的可靠性不僅取決于工程設(shè)計(jì)，還取決于材料的選擇、組裝和維護(hù)的質(zhì)量。墊片和螺栓的松動(dòng)是影響可靠性的關(guān)鍵因素。若未妥善管理，松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致密封性能下降及長(zhǎng)期連接完整性受損。為提升螺栓法蘭連接組件（BFJA）的可靠性，必須深入理解墊片材料在受力下的行為特性、螺栓應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及何時(shí)應(yīng)實(shí)施重新擰緊程序。
何時(shí)發(fā)生松弛？
片狀墊片（例如車削聚四氟乙烯[PTFE]）通常會(huì)在室溫下發(fā)生松弛。然而，半金屬墊片（例如金屬纏繞墊[SWG]）對(duì)墊片松弛的敏感性較低。雖然半金屬墊片常被歸咎于墊片松弛引起，但當(dāng)螺栓溫度升至約500°F（260°C）時(shí)，墊片發(fā)生松弛從而降低墊片應(yīng)力。
墊片材料選擇要點(diǎn)
對(duì)于聚合物基密封墊，尤其是由聚四氟乙烯（PTFE）制成的密封墊，其在受力條件下的力學(xué)性能會(huì)因材料類型和加工質(zhì)量而異。車削或模壓的原生PTFE具有優(yōu)異的化學(xué)耐受性，但可能存在機(jī)械強(qiáng)度較低和受力時(shí)蠕變較大的問(wèn)題。這導(dǎo)致密封墊隨時(shí)間推移出現(xiàn)更大的松弛現(xiàn)象和密封應(yīng)力損失。相比之下，改性聚四氟乙烯（rPTFE）和膨體聚四氟乙烯（ePTFE）采用更高品質(zhì)的樹(shù)脂和工程化微結(jié)構(gòu)，顯著降低蠕變并提升強(qiáng)度。rPTFE還可添加無(wú)機(jī)填料，如空心玻璃微球、硫酸鋇和二氧化硅，以增強(qiáng)特定性能。這些材料在法蘭接頭中通常表現(xiàn)更優(yōu)，并在需要尺寸穩(wěn)定性的關(guān)鍵應(yīng)用中具有實(shí)用價(jià)值。當(dāng)需要更高的壓縮強(qiáng)度時(shí)，半金屬墊片（如金屬纏繞墊和金屬齒形墊）可在動(dòng)態(tài)條件下提供更好的載荷保持能力和最小形變。
TEADIT泰迪可供膨體四氟ePTFE 24SH、玻璃微珠改性四氟 TF1570、硫酸鋇改性四氟 TF1580、二氧化硅改性四氟 TF1590。
選擇墊片材料
由于材料性能的差異，選擇合適的墊片材料必須根據(jù)具體應(yīng)用要求進(jìn)行，包括：
* 工作溫度和壓力
* 化學(xué)兼容性
* 預(yù)期法蘭移動(dòng)、振動(dòng)或熱循環(huán)
* 長(zhǎng)期應(yīng)力保持能力
圖1: 測(cè)試臺(tái)（圖片由Teadit泰迪提供）
在選擇墊片材料后，確保接頭長(zhǎng)期完整性需要嚴(yán)格遵循既定的裝配規(guī)程，特別是關(guān)于螺栓載荷施加和保持時(shí)間的規(guī)定，如美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）PCC-1《壓力邊界螺栓法蘭連接裝配（Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly）》標(biāo)準(zhǔn)中所概述的。ASME負(fù)責(zé)PCC-1的分委會(huì)目前正在擴(kuò)展該標(biāo)準(zhǔn)，以涵蓋墊片和螺栓的松弛問(wèn)題。下一版標(biāo)準(zhǔn)將于2026年發(fā)布。由于該標(biāo)準(zhǔn)尚未發(fā)布，本文無(wú)法包含相關(guān)內(nèi)容，但此次更新將基于如下的實(shí)踐類目。
裝配
1.停留時(shí)間
墊片材料的駐留時(shí)間允許墊片在初始加載后放松。這一暫停有助于確保在應(yīng)用“應(yīng)力釋放處理”之前，任何早期螺栓預(yù)緊力的損失得到解決，從而恢復(fù)因放松而可能丟失的墊片應(yīng)力。請(qǐng)注意，應(yīng)力釋放使用在環(huán)境溫度下圍繞法蘭進(jìn)行的圓周通過(guò)的最終扭矩值。啟動(dòng)重新扭矩（PCC-1）是以此釋放應(yīng)力的處理的操作，但當(dāng)容器內(nèi)存在溫度或工藝條件時(shí)適用。
圖2：軟件界面。用于本研究的測(cè)試臺(tái)如圖1所示，由兩個(gè)ASME B16.5 NPS 4英寸法蘭蓋組成，壓力等級(jí)為150，配備八個(gè)5/8英寸螺栓。
通過(guò)應(yīng)變片對(duì)螺栓應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。法蘭材料采用ASTM A105標(biāo)準(zhǔn)，螺栓材料為SAE等級(jí)（抗拉強(qiáng)度為180千磅每平方英寸[ksi]）。頂部法蘭設(shè)有一個(gè)通向內(nèi)部腔室的孔，該腔室可加壓。在本研究中，該功能未被使用。
根據(jù)行業(yè)慣例，建議停留放松的時(shí)間等待數(shù)小時(shí)或數(shù)天。然而，研究表明，較短的停留時(shí)間（例如僅15分鐘）可以在重新擰緊所需的時(shí)間與墊片保持應(yīng)力的能力之間提供一個(gè)實(shí)際的折中方案。最佳停留時(shí)間取決于墊片類型和特定的運(yùn)行條件等因素。因此，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)或遵循制造商指南來(lái)驗(yàn)證。
2.扭矩應(yīng)用技術(shù)
受控且一致的扭矩模式（通常為星形模式）對(duì)于均勻壓縮墊片至關(guān)重要。應(yīng)用指南強(qiáng)調(diào)應(yīng)采用多遍星形模式施加扭矩，并以最終圓形模式收尾，同時(shí)使用校準(zhǔn)工具確保載荷準(zhǔn)確。停留時(shí)間后的松弛補(bǔ)償是為了恢復(fù)因松弛而損失的預(yù)緊力。部分終端用戶已開(kāi)始利用超聲波或數(shù)字扭矩驗(yàn)證工具記錄螺栓應(yīng)力值（在可行情況下）。雖然正確裝配為接頭完整性奠定了基礎(chǔ)，但要長(zhǎng)期維持該完整性，則需實(shí)施主動(dòng)監(jiān)測(cè)與跟進(jìn)程序。
維護(hù)與監(jiān)控
為解決螺栓應(yīng)力損失和墊片蠕變問(wèn)題，采取了兩種關(guān)鍵措施：應(yīng)力釋放操作和啟動(dòng)后重新擰緊。
然而，對(duì)于在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)升溫的系統(tǒng)，由于熱膨脹和墊片變形，會(huì)發(fā)生額外的松動(dòng)。在這種情況下，建議進(jìn)行啟動(dòng)后重新擰緊，以恢復(fù)適當(dāng)?shù)穆菟ㄝd荷并確保長(zhǎng)期密封性能。
對(duì)于高溫系統(tǒng)，建議在組件溫度仍低于450°F（232°C）時(shí)進(jìn)行重新擰緊。超過(guò)此閾值后，潤(rùn)滑劑劣化及摩擦系數(shù)（K因子）的變化可能顯著影響扭矩精度，導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)算不可靠。因此，如果法蘭預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到高溫，應(yīng)在這些不利影響出現(xiàn)之前，在預(yù)熱階段計(jì)劃進(jìn)行重新擰緊操作1。需要注意的是，ASME PCC-1已將“熱扭矩”一詞替換為“啟動(dòng)重新擰緊”，以避免與“熱螺栓”（單個(gè)螺栓更換）混淆。這是一項(xiàng)計(jì)劃性維護(hù)程序，而非帶電作業(yè)維修活動(dòng)。盡管這些程序基于最佳實(shí)踐和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但其有效性會(huì)因墊片材料和應(yīng)用條件而異。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的驗(yàn)證對(duì)于優(yōu)化重新緊固策略并確保長(zhǎng)期接頭可靠性至關(guān)重要。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證
最近，對(duì)多種墊片材料進(jìn)行了為期數(shù)周的受控測(cè)試，以更好地了解不同類別的墊片在壓縮載荷和應(yīng)力松弛作用下隨時(shí)間變化的響應(yīng)情況。該研究在室溫下對(duì)墊片進(jìn)行了分析，旨在評(píng)估是否所有類型的墊片在重新擰緊前都需要普遍推薦的四小時(shí)停留時(shí)間，還是較短的間隔也能提供類似的密封性能并減少停機(jī)時(shí)間。主要發(fā)現(xiàn)包括：
-半金屬墊片（如金屬纏繞墊和金屬齒形墊等類型）在所有測(cè)試的停留時(shí)間區(qū)間內(nèi)均表現(xiàn)出極低的螺栓應(yīng)力損失。即使不進(jìn)行重新擰緊，這些墊片仍能保持大部分初始載荷。例如，金屬纏繞墊墊片的應(yīng)力損失在不重新擰緊與完整24小時(shí)周期之間僅變化約1.6%。這表明對(duì)于半金屬墊片而言，數(shù)小時(shí)后進(jìn)行重新擰緊的益處微乎其微。
-另一方面，聚四氟乙烯（PTFE）基墊片在松弛行為方面表現(xiàn)出更大的差異，這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了制定材料特異性緊固策略的必要性：
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ePTFE在未重新擰緊的情況下，20小時(shí)后出現(xiàn)了早期應(yīng)力損失，應(yīng)力松弛率達(dá) 12.6%。安裝后僅15分鐘進(jìn)行重新擰緊，應(yīng)力損失幾乎減半至7.5%，而1小時(shí)（7.0%）、4小時(shí)（5.9%）和24小時(shí)（3.0%）后的改善僅為微小。這表明大部分效果可在短暫停留時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，而更長(zhǎng)的延遲則帶來(lái)遞減的收益。
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改性四氟rPTFE 表現(xiàn)出類似的松弛趨勢(shì)。應(yīng)力損失從無(wú)重新擰緊時(shí)的12.5% 降至 15分鐘時(shí)的7.8%、1小時(shí)時(shí)的6.6%、4小時(shí)時(shí)的5.3%以及24小時(shí)時(shí)的4.4%。盡管延長(zhǎng)停留時(shí)間后觀察到一定改善，但大部分益處在首小時(shí)內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)。
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車削聚四氟乙烯（sPTFE）表現(xiàn)顯著較差，在所有測(cè)試材料中應(yīng)力損失最高：未重新擰緊時(shí)達(dá)20.0%。盡管其應(yīng)力損失相對(duì)較早趨于穩(wěn)定（15分鐘時(shí)降至12.3%），但1小時(shí)后仍維持在11.7%，4小時(shí)后為11.3%，顯示出持續(xù)較高的殘余應(yīng)力損失。即使在24小時(shí)后，其應(yīng)力損失仍達(dá)8.0%，顯著高于ePTFE或rPTFE。這表明盡管sPTFE的應(yīng)力損失迅速趨于平穩(wěn)，但其絕對(duì)應(yīng)力釋放量遠(yuǎn)高于其他材料，因此在苛刻應(yīng)用環(huán)境中長(zhǎng)期密封的可靠性較低。
雖然在重新擰緊前盡可能延長(zhǎng)停留時(shí)間總是更可取的，但研究表明并非所有墊片材料都需要相同的處理方式。一刀切的方法并不能反映不同墊片類型的真實(shí)行為。如果存在時(shí)間限制，半金屬墊片在某些應(yīng)用中可能根本不需要重新擰緊，因?yàn)樗鼈兊膽?yīng)力釋放量極小。相比之下，聚四氟乙烯（PTFE）基墊片從早期重新緊固中受益，通常在標(biāo)準(zhǔn)四小時(shí)標(biāo)記之前即可進(jìn)行。根據(jù)材料的不同，大部分應(yīng)力損失可在短短15至60分鐘內(nèi)恢復(fù)。這些發(fā)現(xiàn)使維護(hù)團(tuán)隊(duì)能夠做出更明智、更具材料特異性的決策，優(yōu)化螺栓連接程序以提升密封性能，同時(shí)最大限度地減少不必要的停機(jī)時(shí)間。
高溫的影響
在高于500°F（260°C）的運(yùn)行溫度下，螺栓松動(dòng)現(xiàn)象可能顯著增加。在美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）壓力容器與管道會(huì)議3上發(fā)表的一項(xiàng)研究顯示：
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美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）A193 B7級(jí)螺栓在725°F（385°C）下預(yù)緊力損失高達(dá)60%。
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ASTM A193等級(jí)B16螺栓在 25% 蠕變條件下表現(xiàn)更佳。
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ASTM A193等級(jí)B8M不銹鋼螺栓甚至因熱膨脹差異而獲得預(yù)緊力。
對(duì)于高溫服務(wù)應(yīng)用，謹(jǐn)慎選擇材料對(duì)于在熱應(yīng)力下維持接頭完整性至關(guān)重要。螺栓組件應(yīng)升級(jí)為在高溫下具有可靠性能的材料，例如ASTM A193 B16，以減輕螺栓應(yīng)力松弛的風(fēng)險(xiǎn)。
此外，將這些螺栓與適當(dāng)?shù)燃?jí)的螺母配合使用也至關(guān)重要。例如，B16螺栓需要搭配4級(jí)或7級(jí)螺母，以最大限度地減少螺母的松動(dòng)。
螺栓法蘭連接的完整性不僅取決于扭矩值和墊片選擇，更根植于對(duì)材料在壓縮和熱載荷作用下長(zhǎng)期行為的深入理解。墊片松弛、螺栓應(yīng)力損失和法蘭位移并非孤立事件，而是持續(xù)發(fā)生的現(xiàn)象，需要預(yù)測(cè)性維護(hù)策略、材料科學(xué)洞察以及嚴(yán)格遵守裝配流程。
隨著現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)持續(xù)揭示墊片類型、負(fù)載保持與溫度之間的復(fù)雜相互作用，工程師必須采取主動(dòng)、基于數(shù)據(jù)的策略，通過(guò)材料特定測(cè)試、時(shí)間優(yōu)化及經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的重新擰緊程序，以延長(zhǎng)接頭性能并減少非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間。
通過(guò)采用高品質(zhì)密封材料、規(guī)范的裝配工藝及嚴(yán)格的維護(hù)措施，各行業(yè)可有效延長(zhǎng)法蘭連接的使用壽命并降低非計(jì)劃停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。
作者：TEADIT泰迪集團(tuán)Angelica Pajkovic，Scott Hamilton