墊片松弛與螺栓法蘭接頭中扭矩的重要性

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，還取決于材料的選擇、組裝和維護(hù)的質(zhì)量。墊片和螺栓的松動是影響可靠性的關(guān)鍵因素。若未妥善管理，松動會導(dǎo)致密封性能下降及長期連接完整性受損。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)力隨時間的變化規(guī)律，以及何時應(yīng)實(shí)施重新擰緊程序。

何時發(fā)生松弛？

片狀墊片（例如車削聚四氟乙烯[PTFE]）通常會在室溫下發(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，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)度較低和受力時蠕變較大的問題。這導(dǎo)致密封墊隨時間推移出現(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)用價值。當(dāng)需要更高的壓縮強(qiáng)度時，半金屬墊片（如金屬纏繞墊和金屬齒形墊）可在動態(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、振動或熱循環(huán)

* 長期應(yīng)力保持能力

圖1: 測試臺（圖片由Teadit泰迪提供）

在選擇墊片材料后，確保接頭長期完整性需要嚴(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間的規(guī)定，如美國機(jī)械工程師學(xué)會（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的分委會目前正在擴(kuò)展該標(biāo)準(zhǔn)，以涵蓋墊片和螺栓的松弛問題。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.停留時間
墊片材料的駐留時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)行的圓周通過的最終扭矩值。啟動重新扭矩（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適用。

圖2：軟件界面。用于本研究的測試臺如圖1所示，由兩個ASME B16.5 NPS 4英寸法蘭蓋組成，壓力等級為150，配備八個5/8英寸螺栓。

通過應(yīng)變片對螺栓應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。法蘭材料采用ASTM A105標(biāo)準(zhǔn)，螺栓材料為SAE等級（抗拉強(qiáng)度為180千磅每平方英寸[ksi]）。頂部法蘭設(shè)有一個通向內(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，建議停留放松的時間等待數(shù)小時或數(shù)天。然而，研究表明，較短的停留時間（例如僅15分鐘）可以在重新擰緊所需的時間與墊片保持應(yīng)力的能力之間提供一個實(shí)際的折中方案。最佳停留時間取決于墊片類型和特定的運(yùn)行條件等因素。因此，應(yīng)通過現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)或遵循制造商指南來驗(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，同時使用校準(zhǔn)工具確保載荷準(zhǔn)確。停留時間后的松弛補(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)，但要長期維持該完整性，則需實(shí)施主動監(jiān)測與跟進(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題，采取了兩種關(guān)鍵措施：應(yīng)力釋放操作和啟動后重新擰緊。

然而，對于在運(yùn)行過程中會升溫的系統(tǒng)，由于熱膨脹和墊片變形，會發(fā)生額外的松動。在這種情況下，建議進(jìn)行啟動后重新擰緊，以恢復(fù)適當(dāng)?shù)穆菟ㄝd荷并確保長期密封性能。

對于高溫系統(tǒng)，建議在組件溫度仍低于450°F（232°C）時進(jìn)行重新擰緊。超過此閾值后，潤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)力計算不可靠。因此，如果法蘭預(yù)計會達(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“啟動重新擰緊"，以避免與“熱螺栓"（單個螺栓更換）混淆。這是一項計劃性維護(hù)程序，而非帶電作業(yè)維修活動。盡管這些程序基于最佳實(shí)踐和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但其有效性會因墊片材料和應(yīng)用條件而異?，F(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)驅(qū)動的驗(yàn)證對于優(yōu)化重新緊固策略并確保長期接頭可靠性至關(guān)重要。

通過現(xiàn)場測試進(jìn)行驗(yàn)證

最近，對多種墊片材料進(jìn)行了為期數(shù)周的受控測試，以更好地了解不同類別的墊片在壓縮載荷和應(yīng)力松弛作用下隨時間變化的響應(yīng)情況。該研究在室溫下對墊片進(jìn)行了分析，旨在評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停留時間，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）在所有測試的停留時間區(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小時周期之間僅變化約1.6%。這表明對于半金屬墊片而言，數(shù)小時后進(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：

• ePTFE在未重新擰緊的情況下，20小時后出現(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（7.0%）、4小時（5.9%）和24小時（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間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，而更長的延遲則帶來遞減的收益。

• 改性四氟rPTFE 表現(xiàn)出類似的松弛趨勢。應(yīng)力損失從無重新擰緊時的12.5% 降至 15分鐘時的7.8%、1小時時的6.6%、4小時時的5.3%以及24小時時的4.4%。盡管延長停留時間后觀察到一定改善，但大部分益處在首小時內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)。

• 車削聚四氟乙烯（sPTFE）表現(xiàn)顯著較差，在所有測試材料中應(yīng)力損失最高：未重新擰緊時達(dá)20.0%。盡管其應(yīng)力損失相對較早趨于穩(wěn)定（15分鐘時降至12.3%），但1小時后仍維持在11.7%，4小時后為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)境中長期密封的可靠性較低。

雖然在重新擰緊前盡可能延長停留時間總是更可取的，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，同時最大限度地減少不必要的停機(jī)時間。

高溫的影響

在高于500°F（260°C）的運(yùn)行溫度下，螺栓松動現(xiàn)象可能顯著增加。在美國機(jī)械工程師學(xué)會（ASME）壓力容器與管道會議3上發(fā)表的一項研究顯示：

• 美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（ASTM）A193 B7級螺栓在725°F（385°C）下預(yù)緊力損失高達(dá)60%。

• ASTM A193等級B16螺栓在 25% 蠕變條件下表現(xiàn)更佳。

• ASTM A193等級B8M不銹鋼螺栓甚至因熱膨脹差異而獲得預(yù)緊力。

對于高溫服務(wù)應(yīng)用，謹(jǐn)慎選擇材料對于在熱應(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。

此外，將這些螺栓與適當(dāng)?shù)燃壍穆菽概浜鲜褂靡仓陵P(guān)重要。例如，B16螺栓需要搭配4級或7級螺母，以最大限度地減少螺母的松動。

螺栓法蘭連接的完整性不僅取決于扭矩值和墊片選擇，更根植于對材料在壓縮和熱載荷作用下長期行為的深入理解。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、基于數(shù)據(jù)的策略，通過材料特定測試、時間優(yōu)化及經(jīng)過驗(yàn)證的重新擰緊程序，以延長接頭性能并減少非計劃停機(jī)時間。

通過采用高品質(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)可有效延長法蘭連接的使用壽命并降低非計劃停機(jī)的風(fēng)險。

作者：TEADIT泰迪集團(tuán)Angelica Pajkovic，Scott Hamilton