文档介绍：垫片的密封应力
螺栓法兰接头安全密封技术(四)
——垫片密封应力——
摘要:
在法兰接头设计或选用中,垫片虽然成本相对较低,但在保证连接密封性能、控制泄漏要求方面起着重要的作用。人们往往容易将泄漏的原因集中在垫片上,当然有垫片本身的原因,但更多的是法兰连接系统的设计或选用中存在的许多问题,最后通过垫片密封应力的降低表现了出来。
本文分析了引起垫片密封应力降低的影响因素及其原因,介绍了估算方法,提出要减小弥补这样的影响,维持法兰接头的密封状态,初始安装螺栓载荷应足够大。同时螺栓也要有足够的强度,能承受相应的拉伸载荷及其可能的增加量。
前言
螺栓连接法兰接头的强度和密封性能对于承压设备/装置以及管道系统的正常、安全运行非常重要。法兰连接强度的保证,在承压设备行业(包括锅炉、压力容器、压力管道)长期以来都非常重视,当然这很重要,但对于其密封性能的保证或评估国内却较少有研究。螺栓垫片法兰连接的泄漏途径,一个是通过垫片内部的渗透泄漏,另一个是通过垫片与法兰密封面之间的间隙的界面泄漏,界面泄漏是最难对付的。通常,我们考虑通过选用不同材料和类型垫片用于不同的设计工况条件以及在垫片表面途密封剂量等方法,达到减少
/控制泄漏的目的。
要控制法兰接头的泄漏,仅仅通过采用各种措施消除垫片与法兰密封面之间的间隙/泄漏通道是远远不够的,最重要的是无论在安装阶段、还是各种使用过程中,当螺栓/垫片有蠕变松弛产生、当有介质压力等外载荷/温度等作用下,垫片与法兰密封面上必须始终保持/维持有足够的压缩应力,本文称之为“垫片密封应力”。
在法兰接头设计选用中,虽然垫片的成本相对较低,但垫片是个核心的问题,在保证连接密封性能、控制泄漏达到设计要求中起重要的作用。
1、垫片的蠕变松弛
非金属垫片中,包括半金属垫片用填充材料或覆盖层,经常使用合成橡胶、PTFE等各种弹性材料。这类材料的特点之一,是具有不同程度的蠕变松弛特性,它与温度、时间、初始应力水平、密封材料厚度等多种因素有关。
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对于法兰接头,经常遇到垫片的蠕变松弛问题。当安装/预紧达到密封设计要求的垫片,随着时间的推移,由于垫片的蠕变松弛行为,垫片密封面的压缩应力会降低/减少,并影响法兰接头的刚度。当应力值下降到某一临界值以下时,即出现连接的密封失效或泄漏。尤其在高温下长期使用,对垫片密封应力降低的影响更加明显(表1,缠绕垫片的常温和高温蠕
7便松弛性能数据)○。很多垫片都在一定温度下使用,但关于垫片的高温蠕变松弛性能的数
据却不多。
应该说蠕变并不只是高温的现象,在低温下也会产生。但由于温度低蠕变现象不明显,不容易察觉,但几乎所有的垫片多多少少有发生。不同材料和结构类型的垫片,蠕变松弛程
⑦度不同,。表2为几种垫片的常温蠕变松弛性能。
表1 常温和高温蠕变松弛
表2 垫片的蠕变松弛率
垫片的蠕变松弛行为是影响螺栓法兰接头发生密封的主要原因之一。用户经常碰到,使用PTFE材料为主的垫片需在法兰接头安装24小时后进行再拧紧的操作,以弥补由于垫片蠕变松弛引起的垫片压缩应力降低以及由此引起的螺栓紧固载荷的减少。
在非金属垫片中,橡胶类垫片安装后由于蠕变松弛引起垫片压缩应力的降低较大,石墨材料垫片相对较小,但垫片的蠕变松弛程度与配合的法兰密封面结构有关,即垫片的变形是
R否有约束。图1为氟橡胶(Viton○)垫片产品的实测应力松弛曲线,图2为柔性石墨垫片的
⑨①实测应力松弛曲线。图3为增强柔性石墨板和具有石墨覆盖层波纹板的长期蠕变松弛性能
(实验),由图可见,1天后垫片的应力降低约为23%~59%。
(a) 有约束,垫片初始应力10500psi (b) 无约束
R图1 氟橡胶(Viton○)垫片应力松弛曲线(硬度75)
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图2 柔性石墨垫片应力松弛(无约束)
注:垫片A,增强柔性石墨板(,)
垫片B,具有石墨覆盖层的波纹板(,,) 垫片C,具有石墨覆盖层的波纹板(,,)
图3 垫片的蠕变松弛性能
EN1591法兰计算方法中,垫片蠕变松弛对于使用工况条件下垫片压缩应力的影响,用参数PQR表示。PQR为垫片密封面的剩余压缩应力(使用条件)与初始压缩应力(安装状态)的比值,按EN13555:2004的方法测定,是表示垫片短期松弛性能的度量参数(4小时,未考虑长期松弛影响)。表3为EN1591-2:2008中给出的PQR。
表3 P
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上述数据都是在一定时间内垫片试验的结果。试验结果与实际使用存在有多大差别,