法兰连接系统是一种结构简单、可靠性好的可拆卸密封结构,广泛应用于石油化工、航空航天及核能等工业领域。化工石油部统计数据指出压力容器和管道各类失效中法兰连接密封泄露占比达到48%,化工设备的介质具有高温高压和易燃易爆的特性,一旦发生泄露失效的安全事故,造成的损失将无法估量。合适的螺栓载荷及垫片压紧力是保证法兰连接密封的关键因素。法兰连接传统设计方法中推荐的垫片比压力y和垫片系数m自1943年提出之后未进行有效的试验验证及数据更新,在法兰连接实际工程安装中存在着无法精确施加螺栓预紧力的技术难题。本文以PN25/DN300带颈对焊管法兰连接为例建立了螺栓载荷及垫片压紧力检测试验装置,利用指针式扭矩扳手预紧及手动试压泵加压分别模拟了法兰连接的预紧和操作工况,实现了不同工况条件下对螺栓载荷及垫片压紧力的实时检测,得到了预紧扭矩与螺栓载荷及垫片比压力的对应关系,验证了传统法兰连接设计方法密封效果的可靠性,进而对垫片密封比压力y和垫片系数m的有效性进行了考查和讨论。以试验装置中的螺栓、法兰及垫片整体作为研究对象,考虑了各元件的非线性接触关系,使用实体单元、预紧单元和接触单元进行了有限元分析计算,实现了对法兰连接系统的预紧过程和操作过程的数值模拟,得到了不同工况条件载荷步下螺栓、法兰及垫片各节点的数值解,包括各元件应力应变云图、位移云图及接触压力云图等。通过有限元数值模拟还得到了预紧螺栓载荷与垫片接触压力的对应关系,测试结果与有限元分析结果有较好的一致性。基于螺栓载荷及垫片压紧力测试及有限元数值模拟,引入了无线测量技术的应用,验证了无线应变测量的可靠性和准确性,实现了对螺栓载荷及垫片压紧力的无线测量;探讨了法兰连接端面摩擦力对预紧扭矩传递的影响,发现利用端面轴承减小摩擦可以很好的减少能量的消耗并增加扭矩的传递作用,促使螺栓轴向载荷增加约150%;探讨了不均匀螺栓载荷对垫片接触压力的影响,得到了不同工况下垫片接触压力的分布规律,发现当一根螺栓发生断裂或未预紧的情况时,垫片密封接触面局部发生分离即发生泄漏失效。本文的测试试验及有限元分析研究为传统法兰连接的设计提供可靠的数据依据,对工程实际螺栓的预紧安装具有现实的指导意义,是保障法兰连接密封可靠性及化工设备长周期安全运行研究的重要组成部分。