法兰连接的密封设计

原创 胡伟明  2020-05-17 20:56:00  阅读 139 次 评论 0 条
摘要:

法兰连接在石油、化工设备和管道中,由于生产工艺的要求,常采用可拆的连接结构。由于法兰连接有较好的强度和密封性,适用的尺寸范围较广,在设备和管道上都能应用,所以,法兰连接应用很普遍。法兰连接结构是一个组合体,它是由连接件、被连接件、密封元件组成。法兰盘为被连接件,螺栓、螺母为连接件,垫片为密封元件。上下法兰盘靠螺栓紧固力压紧垫片,使连接处达到密封,并将两部分设备或管道连在一起。法兰连接的失效主要表现为泄漏。引起泄漏的因素很多,包括设计、制造、安装和使用等各个方面。从设计角度应把螺栓法兰连接作为一个

法兰连接

在石油、化工设备和管道中,由于生产工艺的要求,常采用可拆的连接结构。由于法兰连接有较好的强度和密封性,适用的尺寸范围较广,在设备和管道上都能应用,所以,法兰连接应用很普遍。法兰连接结构是一个组合体,它是由连接件、被连接件、密封元件组成。法兰盘为被连接件,螺栓、螺母为连接件,垫片为密封元件。上下法兰盘靠螺栓紧固力压紧垫片,使连接处达到密封,并将两部分设备或管道连在一起。

法兰连接的失效主要表现为泄漏。引起泄漏的因素很多,包括设计、制造、安装和使用等各个方面。从设计角度应把螺栓法兰连接作为一个系统来考虑。要确保螺栓法兰各零件有一定的强度,使它在工作条件下长期使用而不被破坏,最基本的要求是在工作条件下,螺栓法兰整个系统有足够的刚度,控制物料的泄漏,达到“紧密不漏”,应按照工作条件选取法兰类型、压紧面形状和垫片形式,达到设计的密封要求。

垫片性能的影响

流体在密封口泄漏有两种途径,一是垫片渗漏,二是压紧面泄漏。垫片渗漏是由其材质具有微小缝隙所致。在垫片材料中添加某些填充剂(如橡胶等),或与不透性材料组合成形时,这种渗漏可减少。对腐蚀性介质,密封垫片的选择更为重要。压紧面泄漏是密封失效的主要形式。由于法兰密封面不可能严格做到平行,而且表面并非绝对光滑。当压紧面上密封比压低于某一限度时,介质发生泄漏。要使法兰连接紧密,必须将压紧面紧紧地压在垫片上,使垫片变形,从而填满压紧面上凹进的空隙,增加密封处流体阻力,达到密封目的。预紧时,当垫片单位面积上所受的压紧力达到某一值时,垫片被压实,压紧面上凹凸不平的微隙被填满,阻止介质泄漏形成了初始密封条件。为达到初始密封,必须施加在垫片上的压应力称为预紧密封比压,用y表示,单位为MPa。

工作时,由于介质压力作用,在管子及法兰上产生轴向力,使螺栓被拉伸,法兰压紧面沿着彼此分离的方向移动,垫片的压缩量减少,预紧密封比压下降。如果垫片具有足够的回弹能力,使压缩变形的回复能补偿螺栓的伸长和压紧面的分离,使密封比压不小于工作密封比压,法兰压紧面之间仍能保持良好的密封状态。工作密封比压即为保证工作时的密封性而必须施加在垫片上的压应力,用σ表示,单位为MPa。

如果垫片的回弹能力不足,密封比压下降到工作密封比压之下,甚至密封处重新出现缝隙,密封即失效。由此可见,保证法兰连接紧密不漏有两个条件:必须在预紧时,使螺栓力在压紧面与垫片之间建立起不低于y值的比压力;当工作时,螺栓力应能够抵抗内压的作用,并且在垫片表面上维持高于σ值的比压力。

从以上密封原理可知,影响密封的诸因素中,最基本的是垫片的变形和回弹能力,然而从理论上对垫片的密封性能进行分析显得十分复杂。为使问题简化,在密封设计和垫片选择时,常忽略某些方面的影响,仅根据试验结果,用预紧密封比压和垫片系数来表征垫片的特性。

预紧密封比压y为安装时,使法兰压紧面形成初始密封条件所必需的最小压紧应力。预紧密封比压y的大小,既要保证使垫片产生一定量的变形,使压紧面密合,又要保证比垫片材料的屈服点小得多,使垫片变形限制在一定范围内。

各种垫片的预紧密封比压由试验确定。它随垫片材料、形式、尺寸以及压紧面的粗糙度而异,而与介质种类和操作压力无关,它是垫片的固有值,也是计算螺栓预紧力的重要设计参数。

垫片系数m是指操作时,为保证法兰压紧面紧密不漏,垫片上所必须维持的工作密封比压σ与介质压力p的比值,即m=σ/p。

垫片系数是选择垫片的另一个重要参数。其物理意义是表示垫片在操作状态下,实现密封的难易程度。垫片系数的大小取决于垫片的材料、形式、尺寸和介质性能、压力、温度以及压紧面状况等。各种垫片系数由实验确定。

试验发现,当其他条件不变,介质不同所测得的y、m值也不同。在把泄漏作为变量的试验中表明,泄漏率l是m或y系数的负指数函数。

负的指数函数表明,要降低泄漏就需要增加y和m值,同时意味着螺栓、法兰尺寸将因此而剧增。根据泄漏后果的严重性,按确定的泄漏率选取m、y值。

法兰刚度影响

法兰刚度不足,会引起轴向翘曲变形,特别是当螺栓数目较少时,螺栓间的法兰密封面会因刚度不足产生波浪形变形,使密封失效。

提高法兰抗弯刚度可以采用增加法兰盘厚度、减小螺栓力作用的力臂(即缩小螺栓中心圆直径)和增大带颈法兰的长颈部分尺寸等措施。但是,过分提高法兰刚度,将使法兰笨重,使法兰连接的造价提高。

操作条件的影响

操作条件是指连接系统的压力、温度及介质的物理、化学性质。单纯的压力或介质因素对密封的影响并不是苛刻的,只有在和温度联合作用时,尤其是在波动的高温作用下,将会严重影响密封性能。

温度对密封性能的影响是多方面的。高温介质黏度小,渗透性大,易促成渗漏;介质在高温下对垫片和法兰的溶解与腐蚀作用加剧,增加了产生泄漏的可能性。在高温下,法兰、螺栓、垫片可能产生蠕变和应力松弛,使密封比压下降。一些非金属垫片,在高温下还会加速老化和变质,甚至被烧毁。此外,在温度作用下,由于密封组合件各部分自膨胀量不一致,对密封也是不利的。如果温度和压力联合作用,又有波动时,垫片将会疲劳,使密封失效。在低温下工作的密封连接,由于组合件收缩变形不一致,垫片在低温下弹性降低,管道的冷却收缩,都会加速泄漏的产生。

法兰密封面的影响

压紧面又称密封面,直接与垫片接触,是传递螺栓力使垫片变形的元件。为了达到预期密封效果,压紧面的形式和表面粗糙度应与选用的垫片相适应。使用金属垫片的压紧面,法兰尺寸精度要求高,压紧面粗糙度通常要求达到1.6~0.4μm;对于软质垫片,压紧面过于光滑反而不利,一般粗糙度达到12.5~3.2μm就够了,粗糙度过小,界面上阻力变小,对阻止介质泄漏就不利。压紧面上不允许有径向刀痕或划痕。

为使垫片产生弹性变形或塑性变形,垫片材料的硬度应低于法兰材料的硬度,一般取低于30~40HB为宜。否则,垫片将会在压紧时损伤法兰密封面。

实践证明,压紧面的平直度和压紧面与法兰中心轴线的垂直度和同轴度,是保证垫片均匀压紧的前提;减小压紧面与垫片的接触面积,可以有效地降低预紧力,但若接触面积过小,则易压坏垫片。显然,如压紧面的形式、尺寸和表面质量与垫片不匹配,则将导致密封失效。

总结

综合以上分析,影响密封的因素是多方面的。为了使密封可靠,只有在密封组合件设计时,认真考虑各种因素的影响,在结构和选材上加以解决。


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