影响法兰密封性能的主要因素

原创 胡伟明  2020-10-18 20:56:00  阅读 90 次 评论 0 条
摘要:

螺栓预紧力影响密封的一个重要因素。预紧力必须使垫片压紧以实现初始密封。适当提高螺栓预紧力可以增加垫片的密封能力,因为加大预紧力可使垫片在正常工况下保留较大的接触面比压力。但预紧力不宜过大,否则会使垫片整体屈服而丧失回弹能力,甚至将垫片挤出或压坏。另外预紧力应尽可能均匀地作用到垫片上。通常采取减小螺栓直径、增加螺栓数量、采取适当的预紧方法等措施来提高密封性能。垫片性能垫片是构成密封的重要元件,主要类型如下图所示。垫片的作用是封住两法兰密封面之间的间隙,阻止流体泄漏。垫片的类型有非金属垫片、非金属与

螺栓预紧力

影响密封的一个重要因素。预紧力必须使垫片压紧以实现初始密封。适当提高螺栓预紧力可以增加垫片的密封能力,因为加大预紧力可使垫片在正常工况下保留较大的接触面比压力。但预紧力不宜过大,否则会使垫片整体屈服而丧失回弹能力,甚至将垫片挤出或压坏。另外预紧力应尽可能均匀地作用到垫片上。通常采取减小螺栓直径、增加螺栓数量、采取适当的预紧方法等措施来提高密封性能。

垫片性能

垫片是构成密封的重要元件,主要类型如下图所示。

垫片类型.png

垫片的作用是封住两法兰密封面之间的间隙,阻止流体泄漏。垫片的类型有非金属垫片、非金属与金属的组合垫片及金属垫片。合适的垫片材料要求垫片在适当的预紧力作用下既能产生必需的弹性变形,又不致被压坏或挤出;工作时法兰密封面的距离被拉大,垫片材料又应具有足够的回弹能力,使垫片表面与法兰面紧密接触,以继续保持良好的密封性能;选用垫片材料时还应考虑工作介质和工作温度。垫片的宽度也是影响密封的一个重要因素,垫片越宽,所需的预紧力就越大,从而螺栓及法兰的尺寸也要求越大。

①在中低压设备和管道法兰上常用橡胶、石棉橡胶、聚四氟乙烯等非金属垫片,它们的耐蚀性和柔软性较好,但强度和耐温性能较差。它们通常是从整张垫片板材上裁剪下来的,整个垫片的外形是个圆环,截面为矩形。

②为了提高垫片的强度和耐热性,用薄钢带与石棉带(或聚四氟乙烯带或柔性石墨带)一起绕制成缠绕式垫片或在石棉或其他非金属材料外包以金属薄片制成金属包垫片,具有多道密封作用,且回弹性好,运用于较高的温度和压力范围,并能在压力、温度波动条件下保

持良好的密封,因而被广泛采用。

缠绕式垫片是用钢带与石棉或聚四氟乙烯或柔性石墨等填充带相间缠卷而成。为防止松散,把金属带的始端及末端焊死。为了增大垫片的弹性和回弹性,金属带与非金属带均轧成波形。波的形状有V形和W形两种。如下图所示的为V形,共有4种结构型式。

缠绕式垫片.png

A型--又称基本型,不带加强环,用于榫槽密封面。

B型--带内加强环,用于凹凸密封面。

C型--带外加强环,用于平面密封面。

D型--内外均有加强环,用于平面密封面。

③金属包垫片是由石棉橡胶板作内芯,外包厚度为0.2~0. 5mm厚的薄金属板构成(如下图),

金属包垫片.png

金属板的材料可以是铝、钢及其合金,也可以采用不锈钢或优质碳钢。金属包垫片也只用于乙型平焊和长颈对焊两类法兰上。

④在高压设备和管道的法兰上,常用金属垫片,材料有软铝、铜、软钢和不锈钢等。除了矩形截面的金属垫片外,还有截面形状为椭圆形或八角形的以及其他特殊形状的金属环垫。当操作压力很大或者泄漏率要求很严,再者温度很高或腐蚀性极强,可采用金属垫片。金属垫片的比压值很大,为减小螺栓力,压紧面必须很窄,依靠极窄的压紧面保持良好的密封,必须具备较小的表面粗糙度,Ra≤2.5μm至Ra≤0.63μm。

密封面型式

法兰间置入垫片并压紧而起到密封作用的接触面称为法兰密封面或压紧面,密封面型式的选择又与操作条件、泄漏的后果以及垫片的性质有关,最常见的结构型式如下。

①平面密封面:其结构如下图 (a)所示,密封面并非一个光滑的平面,在平面上往往开有2~4条同心圆分布的三角形截面的沟槽(即法兰水线)。

平面密封面结构简单,制造方便,便于进行防腐衬里。其次这种结构密封面的宽度较大,故使用中常采用非金属或金属软质垫片。但螺栓上紧后,垫圈材料容易往两侧伸展。用于所需压紧力不高,且介质无毒的场合。

②凹凸密封面:密封面的结构如下图 (b)所示,它相当于在一对平面密封面的法兰上,其中一个制成带有凸起平台的压紧面,并把这个法兰叫做凸面法兰,另一个相应做成凹面的叫做凹面法兰,与凹面尺寸恰好相同的垫片嵌入其中,垫片便于对中。凸起平面的高度略大于凹面的深度,用螺栓压紧起密封作用。

这种结构能限制垫片的径向变形,可防止垫片被挤出,在一定程度上会提高密封性能。适用于压力较高的场合。

③榫槽密封面:在一对平面密封面宽度方向的中间,其一做成截面如榫,另一截面如槽的压紧面配对使用,如下图 (c)所示,前者称为榫面法兰,后者称为槽面法兰。

槽型压紧面可限制嵌入垫片的径向变形,密封性能良好,同时垫片可少受介质的冲刷和腐蚀。但榫面部分容易破坏。常用于易燃、易爆、有毒的介质以及较高压力的场合。

此外还有梯形槽密封面与锥形密封面。前者用椭圆形截面的环状金属垫片,后者配用透镜式环状金属垫片。上述两种结构是强制密封,常用在高压管道上。

法兰密封面的形式和表面性能对密封效果的影响起到至关重要的作用。法兰密封面的平直度、密封面与法兰中心线的垂直度直接影响到垫片的受力均匀程度和垫片与法兰的良好接触。法兰密封面的粗糙度应与垫片的要求相配合。表面不允许有径向刀痕或划痕,更不允许存在表面裂纹。

密封面结构.png

法兰刚度

因法兰刚度不足而产生过大的翘曲变形(如下图),往往是实际生产中造成螺栓法兰连接密封失效的主要原因之一。刚度大的法兰变形小,可将螺栓预紧力均匀地传递给垫片,从而提高法兰的密封性能。

法兰的翘曲变形.png

法兰刚度与很多因素有关,其中适当增加法兰环的厚度、缩小螺栓中心圆直径和增大法兰环外径,都能提高法兰刚度,采用带颈法兰或增大锥颈部分尺寸,可显著提高法兰的抗弯能力。但无原则地提高法兰刚度,将使法兰变得笨重,造价提高。

操作条件

压力、温度及介质的物理化学性质对密封性能的影响很复杂,单纯的压力及介质对密封的影响并不显著,但在温度的联合作用下,尤其是波动的高温下,会严重影响密封性能,甚至使密封因疲劳而完全失效。因为在高温下,介质的黏度小,渗透性大,易泄漏;介质对垫片和法兰的腐蚀作用加剧,增加了泄漏的可能性;法兰、螺栓和垫片均会产生较大的高温蠕变与应力松弛,使密封失效;某些非金属垫片还会加速老化、变质,甚至烧毁。


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