在石油化工生产中,螺栓法兰接头密封性能的优劣,直接关系到机械结构的长周期运转。随着生产周期越来越长、工艺条件越来越苛刻,垫片密封失效导致的泄漏问题也越来越明显,有必要对螺栓法兰接头的紧密性进行监控和测试。螺栓法兰连接结构是过程装备与管道中最主要的连接形式,该连接结构在操作工况下受介质压力、附加载荷及振动环境等影响,结构的动态特性会发生变化,而泄漏是结构失效的主要原因。法兰接头在操作工况下,由于法兰、螺栓和垫片的应力松弛,导致螺栓力减小,从而垫片应力下降,密封性能变差。因此,螺栓法兰接头的结构特性和密封性能之间联系紧密,分析法兰接头的密封性及结构动态特性之间的关系具有重要意义。本文以带接管的螺栓、垫片和法兰的管路系统,特别是金属与金属接触型螺栓法兰接头(MMC)为研究对象,从垫片密封原理出发,以保证螺栓法兰接头的结构完整性和密封性为准则,对其进行了试验研究和有限元分析,以实现MMC型螺栓法兰接头的可靠密封,确定了连接系统的密封性和结构振动特性之间的定性和定量关系,为螺栓法兰接头密封性的在线检测提供了可行性。本文分别利用ANSYS有限元分析软件和振动分析仪分别进行了螺栓法兰接头的有限元(FEA)模态分析和随机振动分析以及试验模态分析(EMA),通过动力学特性参数的变化反映由于螺栓松动引起的螺栓法兰系统结构的变化,从而寻求可以预测其密封性能变化的特性参数。结果表明,在MMC型螺栓法兰接头中,随着螺栓力的减小,一阶谱矩因子呈现先增大再减小的特性,其中的转折点对应了法兰接头达到金属与金属接触时对应的螺栓力,而在MMC型法兰接头中,金属与金属接触是保证接头密封性的充分条件。因此,一阶谱矩因子可作为螺栓法兰接头,特别是MMC型接头密封性能检测的测试和控制对象。