垫片松弛与螺栓法兰接头中扭矩的重要性

螺栓法兰连接组件（BFJA）作为管道、压力容器和换热器中关键的压力边界连接。这些连接的可靠性不仅取决于工程设计，还取决于材料的选择、组装和维护的质量。垫片和螺栓的松动是影响可靠性的关键因素。若未妥善管理，松动会导致密封性能下降及长期连接完整性受损。为提升螺栓法兰连接组件（BFJA）的可靠性，必须深入理解垫片材料在受力下的行为特性、螺栓应力随时间的变化规律，以及何时应实施重新拧紧程序。

何时发生松弛？

片状垫片（例如车削聚四氟乙烯[PTFE]）通常会在室温下发生松弛。然而，半金属垫片（例如金属缠绕垫[SWG]）对垫片松弛的敏感性较低。虽然半金属垫片常被归咎于垫片松弛引起，但当螺栓温度升至约500°F（260°C）时，垫片发生松弛从而降低垫片应力。

垫片材料选择要点

对于聚合物基密封垫，尤其是由聚四氟乙烯（PTFE）制成的密封垫，其在受力条件下的力学性能会因材料类型和加工质量而异。车削或模压的原生PTFE具有优异的化学耐受性，但可能存在机械强度较低和受力时蠕变较大的问题。这导致密封垫随时间推移出现更大的松弛现象和密封应力损失。相比之下，改性聚四氟乙烯（rPTFE）和膨体聚四氟乙烯（ePTFE）采用更高品质的树脂和工程化微结构，显著降低蠕变并提升强度。rPTFE还可添加无机填料，如空心玻璃微球、硫酸钡和二氧化硅，以增强特定性能。这些材料在法兰接头中通常表现更优，并在需要尺寸稳定性的关键应用中具有实用价值。当需要更高的压缩强度时，半金属垫片（如金属缠绕垫和金属齿形垫）可在动态条件下提供更好的载荷保持能力和最小形变。

TEADIT泰迪可供膨体四氟ePTFE 24SH、玻璃微珠改性四氟 TF1570、硫酸钡改性四氟 TF1580、二氧化硅改性四氟 TF1590。

选择垫片材料

由于材料性能的差异，选择合适的垫片材料必须根据具体应用要求进行，包括：

* 工作温度和压力

* 化学兼容性

* 预期法兰移动、振动或热循环

* 长期应力保持能力

图1: 测试台（图片由Teadit泰迪提供）

在选择垫片材料后，确保接头长期完整性需要严格遵循既定的装配规程，特别是关于螺栓载荷施加和保持时间的规定，如美国机械工程师学会（ASME）PCC-1《压力边界螺栓法兰连接装配（Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly）》标准中所概述的。ASME负责PCC-1的分委会目前正在扩展该标准，以涵盖垫片和螺栓的松弛问题。下一版标准将于2026年发布。由于该标准尚未发布，本文无法包含相关内容，但此次更新将基于如下的实践类目。

装配

1.停留时间
垫片材料的驻留时间允许垫片在初始加载后放松。这一暂停有助于确保在应用“应力释放处理"之前，任何早期螺栓预紧力的损失得到解决，从而恢复因放松而可能丢失的垫片应力。请注意，应力释放使用在环境温度下围绕法兰进行的圆周通过的最终扭矩值。启动重新扭矩（PCC-1）是以此释放应力的处理的操作，但当容器内存在温度或工艺条件时适用。

图2：软件界面。用于本研究的测试台如图1所示，由两个ASME B16.5 NPS 4英寸法兰盖组成，压力等级为150，配备八个5/8英寸螺栓。

通过应变片对螺栓应力进行实时监测。法兰材料采用ASTM A105标准，螺栓材料为SAE等级（抗拉强度为180千磅每平方英寸[ksi]）。顶部法兰设有一个通向内部腔室的孔，该腔室可加压。在本研究中，该功能未被使用。

根据行业惯例，建议停留放松的时间等待数小时或数天。然而，研究表明，较短的停留时间（例如仅15分钟）可以在重新拧紧所需的时间与垫片保持应力的能力之间提供一个实际的折中方案。最佳停留时间取决于垫片类型和特定的运行条件等因素。因此，应通过现场经验或遵循制造商指南来验证。

2.扭矩应用技术

受控且一致的扭矩模式（通常为星形模式）对于均匀压缩垫片至关重要。应用指南强调应采用多遍星形模式施加扭矩，并以最终圆形模式收尾，同时使用校准工具确保载荷准确。停留时间后的松弛补偿是为了恢复因松弛而损失的预紧力。部分终端用户已开始利用超声波或数字扭矩验证工具记录螺栓应力值（在可行情况下）。虽然正确装配为接头完整性奠定了基础，但要长期维持该完整性，则需实施主动监测与跟进程序。

维护与监控

为解决螺栓应力损失和垫片蠕变问题，采取了两种关键措施：应力释放操作和启动后重新拧紧。

然而，对于在运行过程中会升温的系统，由于热膨胀和垫片变形，会发生额外的松动。在这种情况下，建议进行启动后重新拧紧，以恢复适当的螺栓载荷并确保长期密封性能。

对于高温系统，建议在组件温度仍低于450°F（232°C）时进行重新拧紧。超过此阈值后，润滑剂劣化及摩擦系数（K因子）的变化可能显著影响扭矩精度，导致应力计算不可靠。因此，如果法兰预计会达到高温，应在这些不利影响出现之前，在预热阶段计划进行重新拧紧操作1。需要注意的是，ASME PCC-1已将“热扭矩"一词替换为“启动重新拧紧"，以避免与“热螺栓"（单个螺栓更换）混淆。这是一项计划性维护程序，而非带电作业维修活动。尽管这些程序基于最佳实践和行业标准，但其有效性会因垫片材料和应用条件而异。现场测试和数据驱动的验证对于优化重新紧固策略并确保长期接头可靠性至关重要。

通过现场测试进行验证

最近，对多种垫片材料进行了为期数周的受控测试，以更好地了解不同类别的垫片在压缩载荷和应力松弛作用下随时间变化的响应情况。该研究在室温下对垫片进行了分析，旨在评估是否所有类型的垫片在重新拧紧前都需要普遍推荐的四小时停留时间，还是较短的间隔也能提供类似的密封性能并减少停机时间。主要发现包括：

-半金属垫片（如金属缠绕垫和金属齿形垫等类型）在所有测试的停留时间区间内均表现出极低的螺栓应力损失。即使不进行重新拧紧，这些垫片仍能保持大部分初始载荷。例如，金属缠绕垫垫片的应力损失在不重新拧紧与完整24小时周期之间仅变化约1.6%。这表明对于半金属垫片而言，数小时后进行重新拧紧的益处微乎其微。

-另一方面，聚四氟乙烯（PTFE）基垫片在松弛行为方面表现出更大的差异，这进一步强调了制定材料特异性紧固策略的必要性：

• ePTFE在未重新拧紧的情况下，20小时后出现了早期应力损失，应力松弛率达 12.6%。安装后仅15分钟进行重新拧紧，应力损失几乎减半至7.5%，而1小时（7.0%）、4小时（5.9%）和24小时（3.0%）后的改善仅为微小。这表明大部分效果可在短暂停留时间内实现，而更长的延迟则带来递减的收益。

• 改性四氟rPTFE 表现出类似的松弛趋势。应力损失从无重新拧紧时的12.5% 降至 15分钟时的7.8%、1小时时的6.6%、4小时时的5.3%以及24小时时的4.4%。尽管延长停留时间后观察到一定改善，但大部分益处在首小时内即可实现。

• 车削聚四氟乙烯（sPTFE）表现显著较差，在所有测试材料中应力损失最高：未重新拧紧时达20.0%。尽管其应力损失相对较早趋于稳定（15分钟时降至12.3%），但1小时后仍维持在11.7%，4小时后为11.3%，显示出持续较高的残余应力损失。即使在24小时后，其应力损失仍达8.0%，显著高于ePTFE或rPTFE。这表明尽管sPTFE的应力损失迅速趋于平稳，但其绝对应力释放量远高于其他材料，因此在苛刻应用环境中长期密封的可靠性较低。

虽然在重新拧紧前尽可能延长停留时间总是更可取的，但研究表明并非所有垫片材料都需要相同的处理方式。一刀切的方法并不能反映不同垫片类型的真实行为。如果存在时间限制，半金属垫片在某些应用中可能根本不需要重新拧紧，因为它们的应力释放量极小。相比之下，聚四氟乙烯（PTFE）基垫片从早期重新紧固中受益，通常在标准四小时标记之前即可进行。根据材料的不同，大部分应力损失可在短短15至60分钟内恢复。这些发现使维护团队能够做出更明智、更具材料特异性的决策，优化螺栓连接程序以提升密封性能，同时最大限度地减少不必要的停机时间。

高温的影响

在高于500°F（260°C）的运行温度下，螺栓松动现象可能显著增加。在美国机械工程师学会（ASME）压力容器与管道会议3上发表的一项研究显示：

• 美国材料与试验协会（ASTM）A193 B7级螺栓在725°F（385°C）下预紧力损失高达60%。

• ASTM A193等级B16螺栓在 25% 蠕变条件下表现更佳。

• ASTM A193等级B8M不锈钢螺栓甚至因热膨胀差异而获得预紧力。

对于高温服务应用，谨慎选择材料对于在热应力下维持接头完整性至关重要。螺栓组件应升级为在高温下具有可靠性能的材料，例如ASTM A193 B16，以减轻螺栓应力松弛的风险。

此外，将这些螺栓与适当等级的螺母配合使用也至关重要。例如，B16螺栓需要搭配4级或7级螺母，以最大限度地减少螺母的松动。

螺栓法兰连接的完整性不仅取决于扭矩值和垫片选择，更根植于对材料在压缩和热载荷作用下长期行为的深入理解。垫片松弛、螺栓应力损失和法兰位移并非孤立事件，而是持续发生的现象，需要预测性维护策略、材料科学洞察以及严格遵守装配流程。

随着现场数据持续揭示垫片类型、负载保持与温度之间的复杂相互作用，工程师必须采取主动、基于数据的策略，通过材料特定测试、时间优化及经过验证的重新拧紧程序，以延长接头性能并减少非计划停机时间。

通过采用高品质密封材料、规范的装配工艺及严格的维护措施，各行业可有效延长法兰连接的使用寿命并降低非计划停机的风险。

作者：TEADIT泰迪集团Angelica Pajkovic，Scott Hamilton