关于法兰密封面及水线

法兰密封面

法兰密封面是安装密封元件（垫片）的区域。最常见的法兰密封面设计是光滑的或锯齿状的（通常称为“水线”）。如果按照行业标准制造，平面法兰表面（FF）和凸面法兰表面（RF）需要锯齿状密封面。

光滑密封面或锯齿状密封面

法兰密封面可分为光滑密封面（也称为“平面”）或锯齿状密封面。光滑密封面在视觉上看起来“平滑”，并且没有视觉上的工具标记。锯齿面在法兰面上有某种形式的工具标记。

图1：法兰密封面

无论使用哪一种法兰密封面，法兰总成都必须配合并拧紧至所需扭矩，才能正确密封。

高温高压系统法兰采用锯齿形密封面或金属垫片。低温和低压系统法兰可使用光滑的法兰密封面和软垫片。

表面光洁度

法兰表面的“光洁度”代表了法兰密封面的最终性能。法兰面可以是光滑的或锯齿状的，但可以采取额外的加工步骤来进一步确定每种表面的精确光洁度。例如，法兰表面可能是光滑的，但有多光滑呢？锯齿状法兰表面有锯齿，但这些锯齿的深度、数量和几何形状如何？这些特性和可接受的粗糙度值决定了法兰表面的光洁度。

光滑法兰表面的光洁度

锯齿形法兰表面

锯齿形法兰表面由同心圆形槽或加工在法兰密封表面上的连续螺旋槽（也称为“留声机”）组成。锯齿形法兰表面使用非金属（软）和半金属垫片。

下图显示了两种锯齿类型。图中的螺旋锯齿槽被放大了，因为有时由于锯齿的紧密性，很难在真正的法兰面上看到螺旋形状。

图2：同心（左）和螺旋（右）锯齿槽示意图

每个槽的深度、每厘米（或每英寸）槽的数量和表面粗糙度由已发布的标准定义。例如，ASME B16.5标准规定：螺旋锯齿和同心锯齿法兰表面的锯齿深度为1/64英寸（0.4毫米），每英寸32个锯齿（每厘米12.5锯齿）。

当与垫片配合使用时，锯齿形提供了更大的阻力，最终减少了垫片错位（不密封）的可能性，从而降低了泄漏的可能性。即使施加较小的密封压力（螺栓扭矩）也是如此。

锯齿的数量和锯齿的深度决定了获得密封所需的压缩力。大量的浅锯齿将会有效地产生一个类似于光滑法兰面的法兰表面。更少的锯齿、更深的凹槽，则会产生相反的效果。

平面法兰和凸面法兰通常需要符合给定标准的锯齿，但标准的应用取决于行业和应用工况。一些行业不使用标准，因为法兰故障的结果几乎不涉及经济问题，或者法兰故障几乎不涉及健康和安全问题。这些行业典型的工况通常是低流量、低压、低温系统，不输送有害物质（有毒、有害、高腐蚀性等）。

同心圆槽法兰密封面

同心圆形槽表面的特点是圆环形锯齿，当它们从法兰的内径扩展到外径时，直径逐渐增加。使用具有90⁰ V形刀具尖端将0.4 mm深度锯齿加工到法兰密封表面，刀具决定了锯齿的几何形状。

图3：锯齿几何形状、深度和长度

螺旋槽法兰密封面

螺旋槽表面可以进一步分类为“stock finish”或“螺旋锯齿（spiral serrated）”，但两者之间的区别仅在于锯齿几何形状。螺旋锯齿法兰有90⁰ V形几何锯齿。stock finish法兰的锯齿几何形状要浅得多，因为锯齿是由一个圆头切割工具制成的。

由于其易于制造，并且适用于广泛的应用，目前使用的最常见的法兰表面是stock finish。

螺旋槽锯齿不用于输送低粘度（低密度）流体的系统，因为泄漏的可能性很高。泄漏的风险很高，因为垫片必须压缩变形延伸到锯齿的底部/槽，否则将使流体通过螺旋通道泄漏，直到到达垫片的外径，从而到达周围环境。

粗糙度及表面光洁度

为了使垫片正确密封，配合法兰密封面和配对法兰密封面必须具有合适的表面。合适的表面由其粗糙度值定义。

法兰面的表面粗糙度值决定了其表面光洁度。

表面光洁度很重要，因为它不仅有助于形成良好的密封，而且还有助于保持密封。它通过在垫片和密封面之间产生摩擦来实现这一点，从而帮助垫片保持其正确的密封位置。

“冷水光洁度”是一种非常光滑的表面光洁度（看起来几乎像镜子一样）。冷水光洁度表面通常不与垫片配合，而是直接与另一个冷水光洁度表面配合，这种类型的表面昂贵且容易损坏。

平均粗糙度（Ra）

法兰密封面的粗糙度通过粗糙度平均值（Ra）来测量。Ra的单位是微英寸（µin）或微米（µm）。使用算术平均粗糙度高度（AARH）或均方根（RMS）计算来计算粗糙度。AARH和RMS产生的结果大致相同，并且这两个术语通常可以互换使用。

 合适的粗糙度值

工业标准规定了合适的粗糙度值，以下内容摘自ASME B16.5标准：

不同法兰面、常用垫片及可接受的粗糙度值表

请注意，适当的法兰表面粗糙度值会随着垫片材料的软化而增加。因此，可以得出，较软的垫片可以比硬垫片更有效地密封粗糙表面。这是合乎逻辑的，因为较硬的垫片比较软的垫片需要更多的压缩能来变形和密封。

粗糙度值通常显示在法兰上，例如，缩写的粗糙度值可以表示为“125-250 AARH”或“3.2至6.3 AARH”。

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