摘要
法兰连接结构广泛应用于石油化工、核电等行业，使用过程中结构受力复杂，
是潜在的泄漏源。泄漏不仅影响生产的连续性，严重时会造成经济、人员上的损失，
因此准确预测法兰连接泄漏率对法兰连接的安全使用至关重要。目前提出的法兰连
接泄漏率预测模型大都基于垫片应力，然而实验表明，与泄漏率一一对应的是垫片
变形，因此需要发展基于垫片变形的泄漏率预测模型，为此开展了如下工作：
提出了一种基于垫片相对压缩变形量的法兰连接泄漏率预测模型，通过流导积
分实现非均匀压紧法兰连接结构的泄漏率预测，同时模型可考虑垫片蠕变及棘轮应
变对泄漏率的影响。
设计加工了垫片性能测试试验台，利用脉动疲劳试验机及不同粗糙度密封面的
加载台对柔性石墨垫片和聚四氟乙烯垫片进行了压缩回弹性能和密封性能试验。试
验以氦气为工作介质，使用皂泡流量计测量了泄漏率，考察了泄漏率与垫片应力和
垫片变形量之间的关系。利用轮廓仪重构了加载台密封面表面形貌并进行了表征，
以平均粗糙度度量了其对密封性能的影响。发现较小垫片变形不足以填补密封面谷
底时，接触界面存在宏观泄漏通道，消除谷底间隙后，界面泄漏将取决于类似毛细
管的微观泄漏通道，两者泄漏率明显不同，存在转折点。通过垫片与密封面的接触
分析，确定了不同粗糙度下对应的不同泄漏形式的垫片变形分界值，结果与泄漏试
验结果吻合。通过回归计算确定了不同粗糙度下泄漏率预测模型中参数值的变化规
律。
DN50DN65
设计加工了、法兰连接密封性能装置，在内压、静弯矩和循环弯矩
等载荷下进行了试验，利用降压法得到相应的泄漏率。发现在相同的静弯矩作用下，
泄漏率值随着压力的降低而减小；在相同的内压作用下，泄漏率值随弯矩的增加而
变大。在循环弯曲载荷的作用下，随着循环次数的增加垫片会出现塑性应变的累积，
法兰连接泄漏率增大。
采用印模法对法兰密封面进行了粗糙度测量，确定了法兰密封面粗糙度下的泄
漏率预测模型参数。通过数值计算，分析了法兰连接在不同外载荷作用下的垫片变
形，并考虑了垫片蠕变、循环塑性等影响，计算得到了泄漏率与介质压力的关系曲
线。将泄漏率模拟预测值与试验值进行对比，两者能够较好吻合，验证了泄漏率预
测模型的准确性。
关键词：法兰连接；垫片；密封面；变形；泄漏率
I
II
ABSTRACT
Theboltedflangejointstructureiswidelyusedinpetrochemical,nuclearandother
industries.Boltedflangejointissubjectedtocomplexforcesduringuseandisapotential
sourceofleakage.Leakagenotonlyaffectsproductioncontinuity,butcanalsocause
seriouseconomicandpersonnellosses.Therefore,accuratepredictionoftheflange
connectionleakagerateisessentialforthesafeuseofflangejoints.Therearecurrently
manymodelsforpredictingtheleakagerateofflangeconnections,butmostarebasedon
gasketstress.However,experimentshaveshownthatitisthegasketdeformationrather
thanthegasketstressthatcorrespondstotheleakagerate,thenthereisaneedtodevelop
aleakageratepredictionmodel