法蘭墊片是夾持在一對(duì)法蘭密封面之間的單個(gè)密封零件。安裝時(shí)，通過(guò)擰緊螺栓對(duì)法蘭施加一外力，該外力傳遞給墊片，使墊片發(fā)生壓縮變形。從能量的概念出發(fā)，外力作用墊片所做的功，若不考慮任何能量損失，將全部轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文?，貯存于墊片內(nèi)。工作時(shí)，密封流體壓力迫使法蘭密封面分離，壓縮墊片的載荷被部分卸除，貯存于墊片中的變形能以做功的方式來(lái)恢復(fù)變形，即墊片釋放其能量。若貯存的變形能尚有剩余，墊片與法蘭密封面仍保持接觸，法蘭不會(huì)發(fā)生泄漏。所以，墊片也被描述為“密封在兩個(gè)表面之間，并貯存有能量的一個(gè)裝置”。

　　一、螺栓法蘭連接系統(tǒng)

　　如技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行，能夠制造出十分光滑和精細(xì)的兩被連接件的接合面，并用螺栓連接起來(lái)，使兩接合面始終保持接觸，則接合面之間就不需要放置墊片，此種螺栓連接稱(chēng)為無(wú)墊螺栓接頭(non-gasketed bolt joints)，常用于汽車(chē)、飛機(jī)、鋼結(jié)構(gòu)、重型設(shè)備等領(lǐng)域。但是由于設(shè)備結(jié)構(gòu)和尺寸的限制，加工和安裝很難得到理想的光滑接合面;其次，接合面也會(huì)隨時(shí)間推移產(chǎn)生腐蝕或磨蝕，而變得不光滑。因此，需要在這些接合面中間安裝墊片作為過(guò)渡元件，以此與結(jié)合面形成緊密的接觸，提供連接必需的密封，并與無(wú)墊螺栓接頭相比，可以在較低螺栓載荷下經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)密封，該種螺栓連接稱(chēng)為墊片螺栓接頭(gasketed bolt joints)，是壓力管道，壓力容器和承壓設(shè)備應(yīng)用最廣泛，使用最頻繁的可拆式連接。由于被連接件通常采用一對(duì)法蘭，法蘭一端與殼體或管道相連，并用一組螺栓將兩法蘭緊固在一起。通常把此類(lèi)螺栓連接稱(chēng)為螺栓法蘭連接(bolted flanged connection,BFC)或螺栓法蘭接頭(bolted flanged joint,BFJ)，如圖3.18所示。

　　由此可見(jiàn)，BFC是一個(gè)由法蘭、螺栓和墊片等元件組成的組合件。兩個(gè)法蘭可以是同樣型式和材料的法蘭，也可以是不同型式和(或)材料的法蘭，或者其中一個(gè)是用螺栓連接的平蓋。而墊片總是比法蘭密封軟的材料制成。

　　二、兩種螺栓法蘭連接型式

　　根據(jù)密封原理，將螺栓法蘭連接分為浮動(dòng)型(floating type,FL)或金屬與金屬非接觸型(nonmetal-to-metal contact)螺栓法蘭連接和金屬與金屬接觸型(metal to metal contact,MMC)螺栓法蘭連接兩大類(lèi)。如圖3.19(a)所示，浮動(dòng)型的螺栓法蘭連接指墊片夾持在一對(duì)法蘭的兩個(gè)接合面之間，自從預(yù)緊螺栓的安裝開(kāi)始，直到法蘭連接的整個(gè)服役期內(nèi)，法蘭接合面不發(fā)生任何接觸，因此螺栓預(yù)緊載荷完全作用在墊片上，而進(jìn)入運(yùn)行后，墊片初始載荷將隨外部載荷作用增加或減少，且墊片上的載荷分布也是不均勻的。而金屬與金屬接觸型(下稱(chēng)“MMC”)的螺栓法蘭連接可使用與浮動(dòng)型螺栓法蘭連接同樣的法蘭，只是將某些型式的壓縮限制裝置放在螺栓中心圓內(nèi)的法蘭接合面上，次壓縮限制裝置也可以是墊片一部分或獨(dú)立的一個(gè)部件，起限位器的作用，如圖3.19(b)所以。因此，當(dāng)螺栓預(yù)緊后，法蘭的兩接合面金屬或法蘭接合面金屬與壓縮限制器金屬之間發(fā)生機(jī)械接觸。相比浮動(dòng)型，MMC型螺栓法蘭連接的主要特點(diǎn)是螺栓必須被施加到足夠高的載荷，除了達(dá)到金屬接觸外，且保證在其后任何外部載荷作用下，在整個(gè)法蘭連接的全生命周期內(nèi)始終保持金屬接觸而不脫離，這樣墊片上載荷也總是保持固定，并周向均勻分布。壓縮限制裝置起了承攬外部載荷的作用，提供了法蘭接頭最佳的密封性能。因此，浮動(dòng)型和MMC型法蘭螺栓連接的主要區(qū)別在于墊片環(huán)境的任何改變不會(huì)導(dǎo)致干擾墊片載荷大小和分布的風(fēng)險(xiǎn)，因這些干擾，包括自重、流體壓力、外彎矩和溫度變化等載荷及其波動(dòng)都被轉(zhuǎn)移到螺栓和機(jī)械接觸部件上去。其次，MMC法蘭螺栓連接也減少了螺栓因承受循環(huán)載荷，發(fā)生疲勞或松脫的危險(xiǎn)。此外，它還提高了法蘭的剛性，減少了法蘭的轉(zhuǎn)角。

　　三、螺栓法蘭連接的載荷

　　如圖3.20所示，作用在螺栓法蘭連接上的載荷如下。

　?、賶毫d荷P：沿徑向均勻作用在法蘭內(nèi)壁和墊片內(nèi)圓表面的介質(zhì)內(nèi)壓力。

　?、诙瞬枯d荷W：作用在法蘭端部介質(zhì)內(nèi)壓力產(chǎn)生的軸向載荷，它使法蘭軸向分離。

　?、勐菟ㄝd荷F：擰緊螺母時(shí)拉伸螺栓的力，此反作用力用于壓縮法蘭。

　　④墊片載荷G：法蘭作用于墊片的壓縮力。施加在墊片上的壓縮載荷，一部分用于使墊片材料發(fā)生流動(dòng)，用于填充法蘭密封表面的凹坑和其他不規(guī)則形狀缺陷，其余部分用以補(bǔ)償內(nèi)壓、法蘭和螺栓熱膨脹差等引起密封面分離，防止密封介質(zhì)泄露。

　?、萃饬和外力距M：它是與法蘭相連接的設(shè)備和管道作用在法蘭的軸向外力或(和)面內(nèi)外力距。

　　通常，法蘭墊片發(fā)生泄露是由于墊片本身存在泄露通道(內(nèi)部泄露)，或者是通過(guò)墊片表面與法蘭密封面間的通道泄露(界面泄露)。當(dāng)擰緊法蘭螺栓時(shí)，墊片上下表面受到擠壓后，內(nèi)部泄露通道趨于閉合，而表面的變形堵塞了界面的泄露通道。因此，螺栓預(yù)緊載荷或墊片預(yù)緊應(yīng)力的大小和分布狀況，是影響螺栓法蘭連接密封能力的最直接，也是最重要的因素。