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鍵的壓力邊界連接。這些連接的可靠性不僅取決于工程設計，還取決于材料的選擇、組裝和維護的質量。墊片和螺栓的松動是影響可靠性的關鍵因素。若未妥善管理，松動會導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、螺栓應力隨時間的變化規律，以及何時應實施重新擰緊程序。

何時發生松弛？

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，但當螺栓溫度升至約500°F（260°C）時，墊片發生松弛從而降低墊片應力。

墊片材料選擇要點

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性能會因材料類型和加工質量而異。車削或模壓的原生PTFE具有優異的化學耐受性，但可能存在機械強度較低和受力時蠕變較大的問題。這導致密封墊隨時間推移出現更大的松弛現象和密封應力損失。相比之下，改性聚四氟乙烯（rPTFE）和膨體聚四氟乙烯（ePTFE）采用更高品質的樹脂和工程化微結構，顯著降低蠕變并提升強度。rPTFE還可添加無機填料，如空心玻璃微球、硫酸鋇和二氧化硅，以增強特定性能。這些材料在法蘭接頭中通常表現更優，并在需要尺寸穩定性的關鍵應用中具有實用價值。當需要更高的壓縮強度時，半金屬墊片（如金屬纏繞墊和金屬齒形墊）可在動態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具體應用要求進行，包括：

* 工作溫度和壓力

* 化學兼容性

* 預期法蘭移動、振動或熱循環

* 長期應力保持能力

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格遵循既定的裝配規程，特別是關于螺栓載荷施加和保持時間的規定，如美國機械工程師學會（ASME）PCC-1《壓力邊界螺栓法蘭連接裝配（Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly）》標準中所概述的。ASME負責PCC-1的分委會目前正在擴展該標準，以涵蓋墊片和螺栓的松弛問題。下一版標準將于2026年發布。由于該標準尚未發布，本文無法包含相關內容，但此次更新將基于如下的實踐類目。

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用“應力釋放處理"之前，任何早期螺栓預緊力的損失得到解決，從而恢復因放松而可能丟失的墊片應力。請注意，應力釋放使用在環境溫度下圍繞法蘭進行的圓周通過的最終扭矩值。啟動重新扭矩（PCC-1）是以此釋放應力的處理的操作，但當容器內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。

通過應變片對螺栓應力進行實時監測。法蘭材料采用ASTM A105標準，螺栓材料為SAE等級（抗拉強度為180千磅每平方英寸[ksi]）。頂部法蘭設有一個通向內部腔室的孔，該腔室可加壓。在本研究中，該功能未被使用。

根據行業慣例，建議停留放松的時間等待數小時或數天。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力的能力之間提供一個實際的折中方案。最佳停留時間取決于墊片類型和特定的運行條件等因素。因此，應通過現場經驗或遵循制造商指南來驗證。

2.扭矩應用技術

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重要。應用指南強調應采用多遍星形模式施加扭矩，并以最終圓形模式收尾，同時使用校準工具確保載荷準確。停留時間后的松弛補償是為了恢復因松弛而損失的預緊力。部分終端用戶已開始利用超聲波或數字扭矩驗證工具記錄螺栓應力值（在可行情況下）。雖然正確裝配為接頭完整性奠定了基礎，但要長期維持該完整性，則需實施主動監測與跟進程序。

維護與監控

為解決螺栓應力損失和墊片蠕變問題，采取了兩種關鍵措施：應力釋放操作和啟動后重新擰緊。

然而，對于在運行過程中會升溫的系統，由于熱膨脹和墊片變形，會發生額外的松動。在這種情況下，建議進行啟動后重新擰緊，以恢復適當的螺栓載荷并確保長期密封性能。

對于高溫系統，建議在組件溫度仍低于450°F（232°C）時進行重新擰緊。超過此閾值后，潤滑劑劣化及摩擦系數（K因子）的變化可能顯著影響扭矩精度，導致應力計算不可靠。因此，如果法蘭預計會達到高溫，應在這些不利影響出現之前，在預熱階段計劃進行重新擰緊操作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程序，而非帶電作業維修活動。盡管這些程序基于最佳實踐和行業標準，但其有效性會因墊片材料和應用條件而異。現場測試和數據驅動的驗證對于優化重新緊固策略并確保長期接頭可靠性至關重要。

通過現場測試進行驗證

最近，對多種墊片材料進行了為期數周的受控測試，以更好地了解不同類別的墊片在壓縮載荷和應力松弛作用下隨時間變化的響應情況。該研究在室溫下對墊片進行了分析，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時間。主要發現包括：

-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間內均表現出極低的螺栓應力損失。即使不進行重新擰緊，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，數小時后進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出更大的差異，這進一步強調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小時后出現了早期應力損失，應力松弛率達 12.6%。安裝后僅15分鐘進行重新擰緊，應力損失幾乎減半至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實現，而更長的延遲則帶來遞減的收益。

• 改性四氟rPTFE 表現出類似的松弛趨勢。應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即可實現。

• 車削聚四氟乙烯（sPTFE）表現顯著較差，在所有測試材料中應力損失最高：未重新擰緊時達20.0%。盡管其應力損失相對較早趨于穩定（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%，顯示出持續較高的殘余應力損失。即使在24小時后，其應力損失仍達8.0%，顯著高于ePTFE或rPTFE。這表明盡管sPTFE的應力損失迅速趨于平穩，但其絕對應力釋放量遠高于其他材料，因此在苛刻應用環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行為。如果存在時間限制，半金屬墊片在某些應用中可能根本不需要重新擰緊，因為它們的應力釋放量極小。相比之下，聚四氟乙烯（PTFE）基墊片從早期重新緊固中受益，通常在標準四小時標記之前即可進行。根據材料的不同，大部分應力損失可在短短15至60分鐘內恢復。這些發現使維護團隊能夠做出更明智、更具材料特異性的決策，優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時間。

高溫的影響

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

• 美國材料與試驗協會（ASTM）A193 B7級螺栓在725°F（385°C）下預緊力損失高達60%。

• ASTM A193等級B16螺栓在 25% 蠕變條件下表現更佳。

• ASTM A193等級B8M不銹鋼螺栓甚至因熱膨脹差異而獲得預緊力。

對于高溫服務應用，謹慎選擇材料對于在熱應力下維持接頭完整性至關重要。螺栓組件應升級為在高溫下具有可靠性能的材料，例如ASTM A193 B16，以減輕螺栓應力松弛的風險。

此外，將這些螺栓與適當等級的螺母配合使用也至關重要。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、螺栓應力損失和法蘭位移并非孤立事件，而是持續發生的現象，需要預測性維護策略、材料科學洞察以及嚴格遵守裝配流程。

隨著現場數據持續揭示墊片類型、負載保持與溫度之間的復雜相互作用，工程師必須采取主動、基于數據的策略，通過材料特定測試、時間優化及經過驗證的重新擰緊程序，以延長接頭性能并減少非計劃停機時間。

通過采用高品質密封材料、規范的裝配工藝及嚴格的維護措施，各行業可有效延長法蘭連接的使用壽命并降低非計劃停機的風險。

作者：TEADIT泰迪集團Angelica Pajkovic，Scott Hamilton