試驗驗證影響墊片密封的因素

中德密封

         隨著現代工業和科學技術的快速發展,人們對流體密封的要求逐漸提高,對廣泛應用于石油化工、航空航天、動力和核能等工業設備管道中的螺栓法蘭墊片連接這種靜密封型式的研究就顯得尤為重要。在復雜而龐大的配管系統中,螺栓法蘭連接的密封點往往數以萬計,按目前國際上被廣泛應用的規范設計方法。雖然能滿足一般密封的要求,但對一些比較嚴格的操作工況如高溫高壓場合,其密封并不總是緊密的。
        介質壓力和溫度的聯合作用,很容易導致螺栓法蘭墊片連接系統的密封失效,而一旦發生失效即泄漏,輕則影響生產并造成一定的經濟損失,重則浪費大量的原料和能源、不可預測的環境污染,甚至造成重大的安全事故。因此現代對容器和管道的密封要求越來越嚴格。
密封概述
        按密封面間的相對運動狀態,密封一般可分為靜密封和動密封兩大類。靜密封的密封部位是相對靜止的,如管道法蘭、螺紋連接、壓力容器與蓋的密封等。動密封的密封部位是相對運動的,如旋轉密封和往復密封等。
根據工作壓力,靜密封可分為中、低壓密封和高壓密封。中、低壓靜密封常用材質較軟、墊片較寬的墊密封,高壓靜密封則用材料較硬、接觸寬度很窄的金屬墊片。
       根據工作原理,靜密封又可分為法蘭連接墊片密封、自緊密封、研合面密封、O形環密封、填料密封、膠圈密封、螺紋連接墊片密封、螺紋連接密封、承插連接密封、密封膠密封。
       密封的目的是防止流體或固體微粒從相鄰結合面間泄漏,以及防止外界雜質如灰塵與水分等侵入機器設備內部的零部件,密封件是阻止泄漏的重要基礎元件,所以對密封件的要求就比較嚴格。
       對密封件的基本要求如下:
       1、在一定的壓力和溫度范圍內具有良好的密封性能。
       2、磨損小,磨損后在一定程度上能自動補償,工作壽命長。
       3、摩擦阻力小,摩擦因數穩定。
       4、能與工作介質相適應。
       5、結構簡單,裝拆方便,價格低廉。
       6、應保證互換性,實現標準化和系列化。
       本文主要介紹法蘭連接墊片密封,該密封是指在兩連接件(法蘭)的密封面之間填充上不同形式的密封墊片,然后將螺紋或螺栓擰緊,擰緊力使墊片產生彈性和塑性變形,以填塞密封面的不平處,達到密封目的。

墊片及其基本性能
        墊片的一般結構
       墊片的一般結構如圖2.1表示。圖中2為密封元件本體,是阻止泄漏的關鍵部分,常用的材料為非金屬村料,如柔性石墨、聚四氟乙烯、纖維增強橡膠基復合板等。此外,密封元件本體材料也可以是柔性或剛性的金屬,通常用于溫度和壓力較高的場合。對于非金屬材料常通過金屬材料5(增強層)予以增強。同時也方便了如石墨等易破碎材料密封元件的制造加工。增強材料可以是金屬薄板或絲網,全屬薄板常常采用沖壓的方式以提高增強效果和增加彈性,并通過輥壓或粘結劑將它們貼合在一起。密封元件也可設一表面層4或6來增加密封效果,防止與法蘭密封面粘結。表面層材料可以是PTFE(PolyTetraFluoroEthylene,聚四氟乙烯)或屈服強度低的金屬材料如(金、黃銅、軟鋼、鎳、蒙乃爾等),也可以采用表面鍍層(如鉛、錫、PTFE、金、銀等)。密封件也可以用PTFE或金屬保護套包覆,其作用是使內芯材料免受被密封流體的化學腐蝕,同時又保留了內芯材料的彈性,如各種包覆結構形式的墊片。

       密封件的寬度隨墊片種類而異。金屬墊片寬度一般較窄,而像全平面墊片則寬度較大,它們常用于載荷較小的法蘭連接,如Pve(Polyvinylehloride,聚氯乙烯)、鑄鐵、搪瓷、搪玻璃等法蘭。大多數墊片采用較小寬度的突平面法蘭。
      內加強環1的主要作用有:防止密封元件本體因剛性不足發生向內屈曲;填補密封件與容器或管道法蘭面之間的空隙,以避免此空隙干擾流體的流動以及由此引起流體對墊片的沖蝕,又由于內環與流體接觸,所以其材料要有能抵御被密封介質腐蝕的能力。
      外加強環3或外環材料均為實體金屬,其主要作用是:幫助密封元件安裝時對中;防止密封元件過分壓縮而破壞;加固墊片本體;防止墊片吹出和減少法蘭轉動等。外加強環因其不與密封介質接觸,不要求耐介質腐蝕,故常常由碳鋼制成。外加強環也可以與密封元件制成一體,例如波齒復合墊片、金屬齒形墊片等。
        墊片的種類
       法蘭連接用密封墊片的種類繁多,按其密封件本體材料和結構特征大致可分為:非金屬軟墊片、金屬復合墊片(或金屬一非金屬組合墊片)及金屬墊片。其中各類又可細分為若干種,如圖2.2所示。

        墊片的基本性能及參數
       墊片的基本性能及參數一般可以從以下兩點去表述:一是力學性能,包括壓縮及回彈性能、應力松弛性能等;二是密封性能,它與泄漏率相關,是衡量墊片綜合性能的重要指標。
1、壓縮回彈性能
        墊片的壓縮回彈性能,其反映了墊片軸向載荷與變形的關系。墊片的壓縮性能是指壓縮后墊片厚度的變化量,它是表征墊片剛性大小的物理量。墊片的回彈性能是指壓緊載荷去除后墊片厚度的回彈量,它可以對在工況下由于介質壓力或其它等引起墊片與密封面的分離進行有效的補償,以保持墊片密封的有效性。
        不同材料和結構型式的墊片,其壓縮及回彈曲線各不相同。評價墊片的壓縮及回彈性,可以從其數值的大小去評定,還可以從不同形狀的壓縮及回彈曲線去評定,最重要的是卸載部分回彈曲線的斜率觀察,斜率越小,則墊片的彈性補償能力就越大,那么墊片的應力的損失就越小,這就越容易去適應載荷的交替循環作用。評價墊片的壓縮性及回彈性時,不但要求適當的壓縮率和最大的回彈率,還要求壓縮及回彈曲線有最佳的形狀。
       圖2.3和2.4是柔性石墨復合墊片的壓縮及回彈性能曲線。圖2.3是溫度恒為500℃、不同墊片應力作用下的壓縮及回彈特性曲線。圖2.4為墊片預緊比壓為70MPa、不同試驗溫度下的壓縮及回彈特性曲線。

       觀察圖2.3和2.4可得,隨著墊片應力的增加,墊片的彈性和塑性變形量均增加;隨著溫度的升高,墊片的變形增加但是回彈性能卻下降;壓縮曲線和回彈曲線都不是直線,并且不重合,它具有非線性和非保守的特性。觀察圖2.4可得,隨著溫度的增加,墊片的回彈性能反而降低,當溫度升高到一定值時,墊片的回彈量就可能不足以補償由外界因素等引起的法蘭密封面的分離,這就會引起墊片密封的泄漏,從而導致墊片密封失效。所以,墊片壓緊應力和溫度是影響墊片壓縮及回彈性能的主要團素。
       墊片的壓縮及回彈曲線可用以下公式表示:

  2、應力松弛性能
       對螺栓法蘭墊片密封連接系統施加螺栓預緊載荷時,作用在墊片上的壓緊應力會使墊片變薄,經運轉一段時間后,墊片厚度將繼續減小,墊片上的應力也會逐漸減小,這種應力減小的現象被稱為應力松弛。墊片應力隨時間的變化規律就是應力松弛性能。實際上墊片的應力松弛是應力松弛和蠕變兩個因素的聯合作用。應力松弛是恒應變下墊片應力的改變,以初始載荷下墊片應力改變量的百分率表示;蠕變是恒應力下的應變的該變,通常以初始載荷下墊片厚度改變量的百分率表示。
       對螺栓法蘭墊片密封連接這樣的預應力靜不定系統,墊片應力是由螺栓伸長轉換成墊片應力的,因而墊片蠕變不發生在恒應力下,墊片厚度的任何改變都會引起螺栓伸長的變化,同時也改變了墊片應力,這種墊片與螺栓的相互作用被稱為墊片的“蠕變松弛”。螺栓伸長的大小受螺栓自身剛度的影響,進而影響墊片應力的松弛程度。墊片的蠕變松弛性能是影響法蘭接頭密封性能的一項十分重要的力學性能,它能導致墊片應力的下降,使接頭最終趨向泄漏。
       圖2.5為柔性石墨復合墊片在不同應力等級、不同溫度下的蠕變曲線。

       由上面圖2.5可以看出,溫度、時間和預緊壓力是影響墊片蠕變松弛性能的主要因素。由圖可見溫度等級越高,蠕變量就越大;在試驗剛開始階段,蠕變變形量較大,在經過大約15分鐘后,蠕變曲線趨于平緩。由此可見,墊片所經歷的時間越長,蠕變量就越大,預緊應力越大,蠕變量也越大;墊片蠕變量的大小還與預緊載荷下的初始變形量有關。對以上各種數據進行處理,得到蠕變量與時間的變化規律可用公式2-3表示:

3、密封性能
        墊片的密封性能是指在某一實際工況下,墊片密封出現的泄漏率要低于某一標準規定泄漏率;或指在某一規定的標準泄漏率下,墊片密封所能夠承受的極限操作條件(像溫度和壓力等)。泄漏率是指標準試驗條件下,單位時間內泄漏的介質量。
       墊片的密封性能是墊片品質好壞的綜合表現,而泄漏率是墊片品質好壞的最直觀的指標。墊片泄漏率,一般用標準墊片試樣在室溫或高溫條件下測得。
       圖2.6為柔性石墨復合墊片在試驗溫度為300℃時,泄漏率與介質壓力及墊片壓緊應力的關系曲線。圖2.7為預緊應力為50MPa時、不同溫度下泄漏率與介質壓力的關系曲線。

       觀察圖2.6和2.7可得,泄漏率與介質壓力是近似成線性關系的;通過相關研究可得,泄漏率與墊片壓緊應力近似成負指數關系,即隨著壓緊應力的越大,而泄漏率卻相應越小;泄漏率與溫度近似成指數關系,即隨著溫度的升高,泄漏率相應的增大。泄漏率可用與介質壓力、墊片工作應力和溫度相關的函數來表示,其關系式可用公式(2-4)來表示:

結束語
        靜密封裝置已被廣泛應用于工業、農業、國防和人們的日常生活中。螺栓法蘭墊片這種靜密封連接,卻是石油化工設備、容器和管道中最常用的連接形式。這種密封結構在操作狀態下的失效一般來說極少是因為強度失效,而主要是由于螺栓法蘭墊片系統的泄漏而導致密封失效,而墊片是影響其泄漏最主要的元件。所以,對墊片密封性能的研究一直是法蘭連接研究中的重點。

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