流体密封-02-01-02[垫片密封]

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 章,2,流体密封,2.1,垫片密封,（,1,）垫片的一般结构：,1.,密封元件,(b):,作用是阻止泄漏，常用的材料为非金属材料，如柔性石墨、聚四氟乙烯、云母或普通的橡胶粘结纤维等。此外，密封元件的结构材料也可以是刚性的或柔性的金属。,2.,内增强层,(e),：,对于非金属材料的密封元件通常通过插入金属材料,e,予以增强，同时也方便了如石墨或云母等易碎材料的加工。增强材料可以是金属箔、丝网或薄板，金属薄板常用冲方刺孔的方式提高增强效果和增加弹性，并能过粘合剂和,/,或辊压将它们贴合在一起（也称半金属垫片）,。,3.,表面层,d,，抗粘结处理,f,：,密封元件也可设一表面层,d,或,f,来增加密封效果和防止与密封粘结，密封垫片的应力也取决于这些层。表面层材料可以是,PTFE,或屈服强度低的金属薄衬（如金、黄铜、软钢、钛、锆、蒙乃等）也可以采用镀层，如铅、锡、铝、,PTFE,、,PEF,、金、银等，对柔性金属密封环而言，镀层还能有效降低载荷的作用。,垫片密封,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,1,）垫片的一般结构：,2.,外环,:,帮助密封元件对中,防止密封元件过分压紧,防止垫片吹出和减少法兰转动等,.,材料多为实心金属。不要求耐腐蚀。,3.,内环,:,防止密封元件因沿垫片内圈的刚性不足向内屈服,;,填补密封件与管道或容器内孔之间了空隙,以避免此空隙干扰流体的流动和由此引起流体对垫片的冲蚀,.,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,2,）垫片的基本类型,（图,3-9,）,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,2,）垫片的基本类型,非金属软垫片,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,2,）垫片的基本类型,半金属垫片,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,2,）垫片的基本类型,金属垫片,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,3,）垫片的重要性能,:,a.,垫片的力学性能,:,载荷,-,变形形为压缩性和回弹性拉伸强度压缩强度蠕变松弛行为,PxT,b.,垫的高温性能,c.,垫片的密封形为,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,3,）垫片的重要性能,a.,垫片的力学性能,载荷,-,变形形为,a.,垫片通常不完全是弹性,应力与应变没有单一的弹性响应关系,呈非线性,在图形上表现出滞后曲线的特性,即存在残余变形,. b.,不同材质的应力与应变曲线不同,. c.,应力与应变曲线可受温度影响,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,3,）垫片的重要性能,垫片的力学性能,压缩性和回弹性 压缩性,:,初始压缩后垫片厚度的改变量,表征了垫片刚性的大小,.,回弹性,:,当压缩载荷卸除后,垫片厚度的回复量,它对操作时因压力或其他原因引起密封面的分离进行补偿,以保持接头的密封能力,.,影响因素：垫片材料和结构形式，温度、厚度和垫片应力等因素。,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,3,）垫片的重要性能,垫片的力学性能,拉伸强度,是构成材料的基本需要,也是垫片发生吹出时不引起撕裂的需要,.,对于用通常压缩法制成的各种橡胶粘结纤维增强材料制成的非金属垫片,横向拉伸强度小于纵向拉伸强度,一般考虑横向拉伸强度,.,其他半金属垫片和金属垫,拉伸强度比金属板材高得多,因此不是主要考虑因素,.,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,3,）垫片的重要性能,垫片的力学性能,压缩（溃）强度,垫片应力越大，泄漏将越少。但是垫片应力太大时，垫片将会被压溃，也可能压缩时己经碎裂。因此若测试压缩垫片的全过程，总会有发生压溃的极限载荷，即为垫片的压缩,(,溃,),强度。 压缩强度也与工作温度和垫片厚度有关。例如，,1.5mm,厚的石棉橡胶板室温的压缩强度为,110MPa,，而,3mm,厚的石棉橡胶板仅,60MPa;,同样的垫片,300C,时的压缩强度分别是,72MPa,和,38MPa,。 不同构造材料和形式的垫片的压缩强度自然也不一样，如与上述同样厚度和温度的橡胶粘结非石棉纤维,(,芳纶纤维,),板，,300C,时的压缩强度仅为,45MPa(l.5mm),和,30MPa(3mm),。在温度下测得的压缩强度也有称热压缩强度。,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,3,）垫片的重要性能,垫片的力学性能,吹出抗力影响因素：垫片应力，垫片与法兰密封面间的摩擦系数和操作压力。,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,3,）垫片的重要性能,垫片的力学性能,蠕变松弛行为,当施加螺栓载荷时，作用在垫片的压缩应力使垫片厚度减薄，但运转一段时间后，垫片厚度继续减小，垫片上的应力也发生减少，此称为应力松弛。实际上垫片的应力松弛是应力松弛和蠕变两个主要因素共同作用的结果。,应力松驰,：恒应变下垫片应力的改变，通常以初始载荷下垫片应力变化的百分率表示，称垫片的纯松驰。,蠕变,：恒应力下应变的改变量，以初始载荷下垫片厚度的改变量表示，称垫片的纯蠕变。 对于螺栓,-,垫片,-,法兰系统而言，不发生在恒应力下，垫片厚度,螺栓长度,垫片应力，称这种螺栓与垫片的相互作用为垫片的“蠕变松驰”。纯蠕变发生在：螺栓受到的拉伸比垫片的蠕变高得多的情况。纯松驰：密封面为槽面且具有金属接触的法兰接头中，或与具有非常大的刚度的平在密封法兰接头中的情况。,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,3,）垫片的重要性能,垫片的力学性能,蠕变松弛行为 垫征的应力松弛性能是影响接头密封性能的一项十分重要的力学性能，它的最直接结果是垫片应力的下降，最终接头趋向泄漏，甚至发生垫片从密封吹出。表示方法：,螺栓松弛率,:,按螺栓伸长改变量（相当改变螺栓载荷）表示垫片的应力变化，称为蠕变松驰率。,应力松弛率,:,直接测量蠕变前后的垫片应力变化，称应力松驰率,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,3,）垫片的重要性能,垫片的力学性能,蠕变松弛行为,通常垫片要有一定的塑性，所以蠕变是不可避免的。毫无疑问蠕变的大不与材料和结构直关，还与初始厚度、载荷、温度、时间等许多因素有关。 蠕变与厚度成正比关系，同样材料的垫片，厚的比薄的蠕变大，所以选择垫片时应尽可能选薄的垫片。 大多数法 兰接头的蠕变松弛发生在预加载荷后的,15,一,20min,或者,20,一,25,次载荷循环内，此后仍将继 续下去，但逐渐趋于缓慢并转向稳定。因此有推荐在螺栓预紧,1824h,以后重新拧紧螺栓，以恢复部分螺栓载荷。但这种做法通常用在温度较高的场合，因为高温对蠕变的影响比室温大得多，甚至高达,10,多倍。 此外，蠕变的速率随作用在垫片上的初始应力的增加而提高，但有时也有相反的结果。在不少应用中，将垫片蠕变引起的应力松弛谓之,转矩损失,，这是因为预紧螺栓的转矩直接与螺栓的伸长，也即垫片应力有关，转矩损失也就意味着垫片应力的损失,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,3,）垫片的重要性能,垫片的力学性能,PxT,(,温度与压力之积,),每种垫片都有其最高使用温度，超过此温度，就不能安全使用；每种垫片也有其最高使用压力；但其不能同时在最高压力和最高温度下工作。,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,3,）垫片的重要性能,垫片的高温力学性能,:,高温对垫片接头的性能通常有不利的影响,.,表现在,:1.,高温使垫片力学性能劣化,:2.,高温增加垫片的蠕变或松弛,3.,热波动或热循环在接头中引起联合的垫片变形棘轮效应和应力 棘轮效应,。,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,（,3,）垫片的重要性能,垫片的密封行为,:,垫片的密封行为完全依靠理论预测是很难反应介质通过垫片的复杂的泄漏现象,.,因此它们主还是通过试验测定。,有关因素,:1.,初始预紧载荷：载荷大的比 载荷小的泄漏率小。,2.,介质性质、压力、法兰密封面的粗糙度等。,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,(4),垫片应力,:,最佳垫片应力？,a.,垫片应力的下限值或最小装配垫片应力,b.,垫片应力上限值或最大装配垫片应力,c.,设计装配垫片应力,d.,垫片应力的松弛,e.,垫膨胀和热滞后引起的垫片应力降低,f.,实际螺栓载荷的不确定性,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,(4),垫片应力,垫片应力的下限值或最小装配垫片应力,当密封流体压力为“零”时，垫片应力的作用是使垫片材料发生弹塑性变形，以填塞上下密封面几何形状偏差形成的泄漏通道，这时的垫片应力为室温下的最小垫片应力，称为屈服系数或最小设计预紧应力。实际上定义另一较低的下限垫片应力值 ，即在此垫征应力以上，垫片载荷压缩曲线呈线性关系。,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,(4),垫片应力,垫片应力上限值或最大装配 应力引入此应力原因：,a.,保证垫片工作在允许泄漏率内，因为 某些垫片在很高应力下，当应力发生 变化时，对泄漏十分敏感；,b.,防止过度压缩垫片引起机械损坏。同时考虑预紧和操作（高温）情况的 下最大应力。,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,(4),垫片应力,设计装配垫片应力基本要求：,a.,抵御流体压力企图打开接头的作用力；,b.,提供残余垫片应力或工作垫片应力为了避免在室外温装配条件下垫征发生机械损坏：在高温条件下工作时，要保证,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,(4),垫片应力,垫片的应力松弛 垫征的蠕变松弛引起垫片应力下降，故在设计阶段就考虑提高装配垫片应力，允许垫片在使用寿命内，损失掉这部分追加的应力，不至引起太大的泄漏：,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,(4),垫片应力,热膨胀,和,热滞后,引起的垫片应力除低实际螺栓载荷的不确定性 其他因素：载荷的波动与冲击、法兰的偏转、螺栓的弯曲、机械或流体的振动等。且垫片应力沿整个接触面积也不是均匀分布。,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,(,),垫片材料的选择：,a.,易挥发有机物的逸出要求,b.,介质,c.,温度,d.,压力,e.,法兰密封面粗糙度,f.,其他考虑：循环载荷振动磨损污染介质法兰腐蚀安全性经济性,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,(6),垫片尺寸选择的一般原则,:,a.,尽可能选择薄的垫片,b.,尽可能选择窄的垫片,c.,不要让垫片的内径伸进管道内；也没有必要过分增加垫片的外径,2.1.2.3,垫片,第 章,2,流体密封,垫片密封,一个紧密封良好的法兰接头取决于,：,a.,装配垫片应力是否超过适当预紧所必需的最小装配应力，且不超过最大装配垫 片应力,b.,工作垫片应力是否超过达到允许泄漏所必需的最小工作垫片应力，且不超过最 大工作垫片应力。,法兰螺栓连接计算的最主要任务,：,a.,决定预应力水平,装配或预紧螺栓载荷,b.,应力分析,在任何状态（装配、稳态或瞬态工作状态）下，法兰接头中各个零件内的应力必须在其材料允许范围内。,c.,紧密性分析,法兰接头达到规定的泄漏率或密封度的要求。,法兰螺栓连接计算的两种方法：,a.,中国压力容器规范的方法,b. Whalen,推荐的简化方法,2.1.2.4,螺栓载荷的计算,第 章,2,流体密封,垫片密封,(1).,中国压力容器规范的方法：,GB150,规范除除了内压外，不考虑其他外力或外力矩，也不能进行密封性分，仅通过垫片设计参数，即最小预紧力,y,和垫片系数,m,计算法兰接头在装配和工作时必须的螺栓载荷，具体步骤如下：,1.,确定操作工况下的最小螺栓载荷,2.,确定预紧垫片需要的最小螺栓载荷,3.,由上述两载荷确定需要的最小螺栓面积,4.,由需要的最小螺栓面积和实际螺栓面积决定设计预紧载荷,5.,决定设计操作载荷,2.1.2.4,螺栓载荷的计算,第 章,2,流体密封,垫片密封,(2,). Whalen,推荐的简化方法,a.,计算预紧螺栓的总载荷,b.,计算端部流体静压力,c.,要求预紧螺栓的总载荷大于端部流体静压力，即保证预紧的垫片不被端部流体表压打开，否则改变垫片设计，减少垫片接触面积或增加预紧螺栓的面积。,2.1.2.4,螺栓载荷的计算,第 章,2,流体密封,垫片密封,(3).,螺栓装配转矩的确定方法,2.1.2.4,螺栓载荷的计算,第 章,2,流体密封,垫片密封,PVRC,方法：新内容：,a.,使用接头密封度作为设计准则,b.,采用基于泄漏率的垫片常数和相应的计算方法确定螺栓预载荷，新的垫 片系数可以定量表示螺栓接头的密封度，且可由标准试验方法得到或验 证，计算也给出相应这些系数的法兰应力和密封度的限制范围。,c.,对法兰刚度提出要求,d.,考虑作用在螺栓法兰接头上的外力和外力矩,e.,修改螺栓设计面积和设计螺栓操作载荷的定义,f.,考虑如多程管壳式换热器中分程隔板上的垫处载荷对螺栓载荷的影响。,2.1.2.5,垫片密封设计新方法,第 章,2,流体密封,垫片密封,紧密封性系数,2.1.2.5,垫片密封设计新方法,第 章,2,流体密封,垫片密封,2.,紧密性曲线,2.1.2.5,垫片密封设计新方法,第 章,2,流体密封,垫片密封,3.,允许密封度,2.1.2.5,垫片密封设计新方法,第 章,2,流体密封,垫片密封,4.,垫片系数,2.1.2.5,垫片密封设计新方法,第 章,2,流体密封,垫片密封,5.,确定螺栓总截面的方法,2.1.2.5,垫片密封设计新方法,第 章,2,流体密封,垫片密封,5.,确定螺栓总截面的方法,2.1.2.5,垫片密封设计新方法,第 章,2,流体密封,垫片密封,EN1591,方法 欧盟在承压设备指南,97/23/EC,（,PED,）的框架内，,1997,年其标准化委员会（,CEN,）也对螺栓法兰连接提出了一个新的计算标准,EN1591-1“,法兰及其接头,-,垫片圆形法兰连接的设计规则第一部分：计算方法”。该方法要求满足强度和密封两个准则，考虑了法兰,垫片系统的全程行为。涉及的计算参数不仅考虑基本的参数，如流体压力、螺栓和垫片的强度、垫片的压缩特性、名义螺栓载荷，而且包括了紧固螺栓时实际载荷的不均匀性，接头各部件变形引起垫片应力的变化，相连接壳体和管道的相互作用，管道重量和热膨胀引起的轴向外力和外力矩的影响，以及螺栓和法兰环之间温度等影响。,2.1.2.5,垫片密封设计新方法,第 章,2,流体密封,垫片密封,EN1591,方法,计算考虑装配和操作两种状况，后者包括运行、开车、停车，试验等状况。对每种状况考虑内外机械载荷和温度载荷作用，分别进行密封性和机械完整性计算。 密封性通过对法兰接头各部件之间的载荷一变形关系的弹性分析，计算出装配状况和随后各种操作状况下的垫片应力。因为垫片应力反映了泄漏率的大小，所以验算合格就是满足了法兰接头的密封准则； 机械完整性则利用弹性或塑性极限分析，分别对螺栓、垫片和法兰的极限承载能力进行核算，并以载荷比的形式表示。 显然，,EN1591,一,1,相比,ASME,和,PVRC,，在满足法兰强度准则和密封准则两方面都作了更合理和全面的考虑，故欧盟已将其列入了,EN13445 “,非火焰接触压力容器”第三部分设计的附录,G,内。,2.1.2.5,垫片密封设计新方法,第 章,2,流体密封,垫片密封,EN1591,方法 按,EN1591 1,计算同样需要用到垫片参数。垫片参数与垫片装配应力、内压、温度、时间、刚度、法兰和螺栓几何尺寸，以及操作条件等有关。,EN1591,一,1,特别适用于下列场合：法兰承受热循环载荷，且其影响是主要的；螺栓载荷需要采用规定的拧紧方法控制；存在较大的附加载荷（如管道推力和弯矩）或对密封的要求特别重要。,2.1.2.5,垫片密封设计新方法,第 章,2,流体密封,垫片密封,数值计算方法,2.1.2.5,垫片密封设计新方法,第 章,2,流体密封,垫片密封,人们经常听到“垫片泄漏”，严格地说，这是不确切的。因为垫片仅是组成法兰接头的零件之一，将所有的因法兰设计不周密、装配方法不适当和运行过程中的热波动、压力变化和振动等引起法兰变形而造成的泄漏，都归咎于垫片，是不公正的。 法兰接头的密封性能与整个系统的特性有关，仅当在选择垫片、设计法兰、装配垫片和规范运行等方面作了周密考虑之后，垫片才能真正发挥其密封功能。统计表明：引起法兰接头泄漏的原因中，由于装配垫片应力不足就占了,75,。 如前所述,，法兰接头发生密封失效，最直接的原因是操作垫片应力不足，而操作垫片应力水平主要取决于实际能够得到的装配螺栓载荷或装配垫片应力的大小。，而后者与垫片装配方法的正确与否休戚相关,。,2.1.2.5,垫片的安装和密封失效,第 章,2,流体密封,垫片密封,( 1,）垫片的安装方法安装垫片需要注意以下几个环节。,a,安装工具,需要专门的工具用于清理和拧紧紧固件（包括采用转矩扳手、液压的或其他螺栓拉伸器等）。此外，应采用规范的安全设施和遵守安全操作规程。,b,安装准备一检查、清理和润滑,检查法兰密封面有无裂纹、划痕（尤其是径向划痕）、工具锤击痕迹、腐蚀凹坑等影响密封的缺陷，确认密封面类型与所用的垫片型式相符；确认垫片符合规定的尺寸和材料，检查垫片有无缺陷和损伤。检查紧固件有无裂纹、擦伤等缺陷。清除所有存在于密封面、紧固件（包括螺栓、螺母和垫圈）上的外来杂物和残留物。选择合适润滑剂并均匀地涂覆在螺栓、螺母和垫圈的承载表面，不要将润滑剂沽染在密封面或垫片表面上。,2.1.2.5,垫片的安装和密封失效,第 章,2,流体密封,垫片密封,( 1,）垫片的安装方法安装垫片需要注意以下几个环节。,c,法兰调整,确认法兰对的不同轴度、法兰密封面与轴线的不垂直度和本身的不平度在允许公差范围内；不要试图通过螺栓和垫片去过分调整上述偏差。将垫片小心放人两法兰密封面之间，确认垫片已位于两法兰密封面的中央。将两法兰闭合，确保垫片不被挤压损坏。,2.1.2.5,垫片的安装和密封失效,第 章,2,流体密封,垫片密封,( 1,）垫片的安装方法安装垫片需要注意以下几个环节。,d,紧固件安装和拧紧,使用合适的拧紧工具。按有关转矩的规定，以交叉方式拧紧螺栓。步骤一用手拧紧所有螺母（较大的螺母需要用小的扳手）,;,步骤二拧紧每一螺母至全部转矩值的约,30 % ;,步骤三拧紧每一螺母至全部转矩值的约,60 % ;,步骤四拧紧每一螺母至全部转矩值（大直径法兰需要增加拧紧次数）,;,步骤五按照顺时针方向以全部转矩值拧紧所有螺母，直至螺母没有进一步的转动（大直径法兰需要增加拧紧次数）。,e,再次拧紧,对处于频繁热循环操作下的螺栓需要进行再次拧紧，通常放在操作压力和温度下运行,24h,后进行。所有的再次拧紧作业应在室温和常压下进行。,2.1.2.5,垫片的安装和密封失效,第 章,2,流体密封,垫片密封,2.1.2.5,密封失效,法兰接头密封可靠性既取决于最初的周密设计，还与现场完美的工程实践有关。密封不能起作用或不能保持满意的密封状态，即发生超过“允许泄漏率”或谓之“密封失效”，有其一系,列的因素。这些因素归纳起来有下列四方面：,设计、装配、连接件和垫片材料,。表中列出了垫片密封常见失效形式、可能的原因和防范措施。,第 章,2,流体密封,垫片密封,2.1.2.5,垫片的安装和密封失效,第 章,2,流体密封,垫片密封,2.1.2.5,垫片的安装和密封失效,课后思考题,对垫片密封来说,密封流体泄漏的方式有哪几种,各有什么特点,防止泄漏的措施各是什么,?,垫片密封的密封机理是什么,需要满足的条件是什么,?,法兰连接设计的一般考虑是什么,需要满足哪些条件,?,法兰分哪些类型,各有什么特点,绘出其基本图形,.,法兰密封面有哪些形式,各有什么特点,?,法兰密封的粗糙度对垫片密封系统有什么影响,应如何选择法兰密封的粗糙度,.,法兰的标准大体分成哪两类,法兰选择的因素有哪些,应如何进行选择法兰类型,?,垫片的基本结构由哪几部分组成,各有什么作用,.,垫片的基本类型有哪些,应用场合有何不同,各有什么特点,?,最常的有哪些,?,垫片的力学性能有哪些,各是什么,对垫片密封系统有何影响,.,高温对垫片的密封性能有何影响,?,流体密封,课后思考题,垫片的应力包括哪些,?,各是什么,?,设计垫片时如何考虑这些垫片应力,.,垫征材料的选择要考虑哪些因素,?,垫片尺寸的选择要考虑哪些因素,?,垫片密封系统的螺栓载荷的计算主要方法有哪些,?,各是什么,?,PVRC,垫片设计方法有哪些新特点,其计算步骤是什么,?,高压容器密封结构的特点是什么,有哪些典型结构,.,高压管道密封结构的特点是什么,有哪些典型结构,.,超高压容器密封结构设计时需要考虑的因素是什么,主要考虑哪些方面,典型结构有哪些,.,流体密封,