试验验证影响垫片密封的因素

中德密封

         随着现代工业和科学技术的快速发展,人们对流体密封的要求逐渐提高,对广泛应用于石油化工、航空航天、动力和核能等工业设备管道中的螺栓法兰垫片连接这种静密封型式的研究就显得尤为重要。在复杂而庞大的配管系统中,螺栓法兰连接的密封点往往数以万计,按目前国际上被广泛应用的规范设计方法。虽然能满足一般密封的要求,但对一些比较严格的操作工况如高温高压场合,其密封并不总是紧密的。
        介质压力和温度的联合作用,很容易导致螺栓法兰垫片连接系统的密封失效,而一旦发生失效即泄漏,轻则影响生产并造成一定的经济损失,重则浪费大量的原料和能源、不可预测的环境污染,甚至造成重大的安全事故。因此现代对容器和管道的密封要求越来越严格。
密封概述
        按密封面间的相对运动状态,密封一般可分为静密封和动密封两大类。静密封的密封部位是相对静止的,如管道法兰、螺纹连接、压力容器与盖的密封等。动密封的密封部位是相对运动的,如旋转密封和往复密封等。
根据工作压力,静密封可分为中、低压密封和高压密封。中、低压静密封常用材质较软、垫片较宽的垫密封,高压静密封则用材料较硬、接触宽度很窄的金属垫片。
       根据工作原理,静密封又可分为法兰连接垫片密封、自紧密封、研合面密封、O形环密封、填料密封、胶圈密封、螺纹连接垫片密封、螺纹连接密封、承插连接密封、密封胶密封。
       密封的目的是防止流体或固体微粒从相邻结合面间泄漏,以及防止外界杂质如灰尘与水分等侵入机器设备内部的零部件,密封件是阻止泄漏的重要基础元件,所以对密封件的要求就比较严格。
       对密封件的基本要求如下:
       1、在一定的压力和温度范围内具有良好的密封性能。
       2、磨损小,磨损后在一定程度上能自动补偿,工作寿命长。
       3、摩擦阻力小,摩擦因数稳定。
       4、能与工作介质相适应。
       5、结构简单,装拆方便,价格低廉。
       6、应保证互换性,实现标准化和系列化。
       本文主要介绍法兰连接垫片密封,该密封是指在两连接件(法兰)的密封面之间填充上不同形式的密封垫片,然后将螺纹或螺栓拧紧,拧紧力使垫片产生弹性和塑性变形,以填塞密封面的不平处,达到密封目的。

垫片及其基本性能
        垫片的一般结构
       垫片的一般结构如图2.1表示。图中2为密封元件本体,是阻止泄漏的关键部分,常用的材料为非金属村料,如柔性石墨、聚四氟乙烯、纤维增强橡胶基复合板等。此外,密封元件本体材料也可以是柔性或刚性的金属,通常用于温度和压力较高的场合。对于非金属材料常通过金属材料5(增强层)予以增强。同时也方便了如石墨等易破碎材料密封元件的制造加工。增强材料可以是金属薄板或丝网,全属薄板常常采用冲压的方式以提高增强效果和增加弹性,并通过辊压或粘结剂将它们贴合在一起。密封元件也可设一表面层4或6来增加密封效果,防止与法兰密封面粘结。表面层材料可以是PTFE(PolyTetraFluoroEthylene,聚四氟乙烯)或屈服强度低的金属材料如(金、黄铜、软钢、镍、蒙乃尔等),也可以采用表面镀层(如铅、锡、PTFE、金、银等)。密封件也可以用PTFE或金属保护套包覆,其作用是使内芯材料免受被密封流体的化学腐蚀,同时又保留了内芯材料的弹性,如各种包覆结构形式的垫片。

       密封件的宽度随垫片种类而异。金属垫片宽度一般较窄,而像全平面垫片则宽度较大,它们常用于载荷较小的法兰连接,如Pve(Polyvinylehloride,聚氯乙烯)、铸铁、搪瓷、搪玻璃等法兰。大多数垫片采用较小宽度的突平面法兰。
      内加强环1的主要作用有:防止密封元件本体因刚性不足发生向内屈曲;填补密封件与容器或管道法兰面之间的空隙,以避免此空隙干扰流体的流动以及由此引起流体对垫片的冲蚀,又由于内环与流体接触,所以其材料要有能抵御被密封介质腐蚀的能力。
      外加强环3或外环材料均为实体金属,其主要作用是:帮助密封元件安装时对中;防止密封元件过分压缩而破坏;加固垫片本体;防止垫片吹出和减少法兰转动等。外加强环因其不与密封介质接触,不要求耐介质腐蚀,故常常由碳钢制成。外加强环也可以与密封元件制成一体,例如波齿复合垫片、金属齿形垫片等。
        垫片的种类
       法兰连接用密封垫片的种类繁多,按其密封件本体材料和结构特征大致可分为:非金属软垫片、金属复合垫片(或金属一非金属组合垫片)及金属垫片。其中各类又可细分为若干种,如图2.2所示。

        垫片的基本性能及参数
       垫片的基本性能及参数一般可以从以下两点去表述:一是力学性能,包括压缩及回弹性能、应力松弛性能等;二是密封性能,它与泄漏率相关,是衡量垫片综合性能的重要指标。
1、压缩回弹性能
        垫片的压缩回弹性能,其反映了垫片轴向载荷与变形的关系。垫片的压缩性能是指压缩后垫片厚度的变化量,它是表征垫片刚性大小的物理量。垫片的回弹性能是指压紧载荷去除后垫片厚度的回弹量,它可以对在工况下由于介质压力或其它等引起垫片与密封面的分离进行有效的补偿,以保持垫片密封的有效性。
        不同材料和结构型式的垫片,其压缩及回弹曲线各不相同。评价垫片的压缩及回弹性,可以从其数值的大小去评定,还可以从不同形状的压缩及回弹曲线去评定,最重要的是卸载部分回弹曲线的斜率观察,斜率越小,则垫片的弹性补偿能力就越大,那么垫片的应力的损失就越小,这就越容易去适应载荷的交替循环作用。评价垫片的压缩性及回弹性时,不但要求适当的压缩率和最大的回弹率,还要求压缩及回弹曲线有最佳的形状。
       图2.3和2.4是柔性石墨复合垫片的压缩及回弹性能曲线。图2.3是温度恒为500℃、不同垫片应力作用下的压缩及回弹特性曲线。图2.4为垫片预紧比压为70MPa、不同试验温度下的压缩及回弹特性曲线。

       观察图2.3和2.4可得,随着垫片应力的增加,垫片的弹性和塑性变形量均增加;随着温度的升高,垫片的变形增加但是回弹性能却下降;压缩曲线和回弹曲线都不是直线,并且不重合,它具有非线性和非保守的特性。观察图2.4可得,随着温度的增加,垫片的回弹性能反而降低,当温度升高到一定值时,垫片的回弹量就可能不足以补偿由外界因素等引起的法兰密封面的分离,这就会引起垫片密封的泄漏,从而导致垫片密封失效。所以,垫片压紧应力和温度是影响垫片压缩及回弹性能的主要团素。
       垫片的压缩及回弹曲线可用以下公式表示:

  2、应力松弛性能
       对螺栓法兰垫片密封连接系统施加螺栓预紧载荷时,作用在垫片上的压紧应力会使垫片变薄,经运转一段时间后,垫片厚度将继续减小,垫片上的应力也会逐渐减小,这种应力减小的现象被称为应力松弛。垫片应力随时间的变化规律就是应力松弛性能。实际上垫片的应力松弛是应力松弛和蠕变两个因素的联合作用。应力松弛是恒应变下垫片应力的改变,以初始载荷下垫片应力改变量的百分率表示;蠕变是恒应力下的应变的该变,通常以初始载荷下垫片厚度改变量的百分率表示。
       对螺栓法兰垫片密封连接这样的预应力静不定系统,垫片应力是由螺栓伸长转换成垫片应力的,因而垫片蠕变不发生在恒应力下,垫片厚度的任何改变都会引起螺栓伸长的变化,同时也改变了垫片应力,这种垫片与螺栓的相互作用被称为垫片的“蠕变松弛”。螺栓伸长的大小受螺栓自身刚度的影响,进而影响垫片应力的松弛程度。垫片的蠕变松弛性能是影响法兰接头密封性能的一项十分重要的力学性能,它能导致垫片应力的下降,使接头最终趋向泄漏。
       图2.5为柔性石墨复合垫片在不同应力等级、不同温度下的蠕变曲线。

       由上面图2.5可以看出,温度、时间和预紧压力是影响垫片蠕变松弛性能的主要因素。由图可见温度等级越高,蠕变量就越大;在试验刚开始阶段,蠕变变形量较大,在经过大约15分钟后,蠕变曲线趋于平缓。由此可见,垫片所经历的时间越长,蠕变量就越大,预紧应力越大,蠕变量也越大;垫片蠕变量的大小还与预紧载荷下的初始变形量有关。对以上各种数据进行处理,得到蠕变量与时间的变化规律可用公式2-3表示:

3、密封性能
        垫片的密封性能是指在某一实际工况下,垫片密封出现的泄漏率要低于某一标准规定泄漏率;或指在某一规定的标准泄漏率下,垫片密封所能够承受的极限操作条件(像温度和压力等)。泄漏率是指标准试验条件下,单位时间内泄漏的介质量。
       垫片的密封性能是垫片品质好坏的综合表现,而泄漏率是垫片品质好坏的最直观的指标。垫片泄漏率,一般用标准垫片试样在室温或高温条件下测得。
       图2.6为柔性石墨复合垫片在试验温度为300℃时,泄漏率与介质压力及垫片压紧应力的关系曲线。图2.7为预紧应力为50MPa时、不同温度下泄漏率与介质压力的关系曲线。

       观察图2.6和2.7可得,泄漏率与介质压力是近似成线性关系的;通过相关研究可得,泄漏率与垫片压紧应力近似成负指数关系,即随着压紧应力的越大,而泄漏率却相应越小;泄漏率与温度近似成指数关系,即随着温度的升高,泄漏率相应的增大。泄漏率可用与介质压力、垫片工作应力和温度相关的函数来表示,其关系式可用公式(2-4)来表示:

结束语
        静密封装置已被广泛应用于工业、农业、国防和人们的日常生活中。螺栓法兰垫片这种静密封连接,却是石油化工设备、容器和管道中最常用的连接形式。这种密封结构在操作状态下的失效一般来说极少是因为强度失效,而主要是由于螺栓法兰垫片系统的泄漏而导致密封失效,而垫片是影响其泄漏最主要的元件。所以,对垫片密封性能的研究一直是法兰连接研究中的重点。

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