低壓管法蘭用纏繞式墊片的試驗(yàn)研究
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信息來源:密封網(wǎng)信息中心 點(diǎn)擊次數(shù): 發(fā)布時(shí)間:2009-2-25 15:30:21
撫順石油學(xué)院機(jī)械工程分院 任建民
華東理工大學(xué) 蔡仁良
摘 要 結(jié)合法蘭連接的實(shí)際，按照對纏繞式墊片壓縮的要求，對低壓管法蘭用纏繞式墊片的預(yù)緊應(yīng)力進(jìn)行了分析，并就如何通過墊片工藝結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使其機(jī)械性能與緊固件的要求相一致，從而使法蘭接頭符合操作時(shí)的密封性要求進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
關(guān)鍵詞 法蘭連接 纏繞式墊片 機(jī)械性能 密封性能
1引言
金屬纏繞式墊片（以下簡稱纏繞式墊片）是在煉油、化工、火電、原子能等諸多工業(yè)部門中廣泛應(yīng)用的靜密封元件。然而國內(nèi)纏繞式墊片的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均以壓緊應(yīng)力70MPa來評價(jià)壓縮率、回彈率及密封性能，這對壓力級別較低的法蘭，在墊片預(yù)緊應(yīng)力不足的情況下，往往不能適應(yīng)操作時(shí)壓力和溫度的變化，其結(jié)果必然造成密封介質(zhì)的泄漏。本文結(jié)合法蘭連接的實(shí)際，按照ASMEB16.20對纏繞式墊片壓縮的要求，以ASMEB16.5Class150的低壓管法蘭為例，對纏繞式墊片的預(yù)緊應(yīng)力進(jìn)行了分析，并就如何通過墊片工藝結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使其機(jī)械性能與緊固件的要求相一致，從而使法蘭接頭符合操作時(shí)的密封要求進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
2.纏繞式墊片的預(yù)緊比壓分析
2.1設(shè)計(jì)要求
纏繞式墊片的設(shè)計(jì)僅對有足夠大小的螺栓載荷將墊片壓縮到它的*佳厚度的法蘭連接才是有效的。為使墊片的機(jī)械性能不脫離法蘭連接的實(shí)際，ASMEB16.20規(guī)定 ：對于壓力級別為Class150，名義管子尺寸為1/2、3/4、lin的墊片，在法蘭接頭上承受 25000psi（172MPa）的均勻螺栓應(yīng)力時(shí)，厚度為4.5mm的墊片將被壓縮到3.3±0.13mm；對于該級別其它名義尺寸的墊片，在法蘭接頭上承受30000psi（207MPa）的均勻螺栓應(yīng)力時(shí)，厚度為4.5mm 的墊片將被壓縮到3.3±0.13mm.。
2.2預(yù)緊比壓計(jì)算
預(yù)緊應(yīng)力（也稱預(yù)緊比壓）是保證墊片操作時(shí)密封性能的重要前提。用上述規(guī)定的螺栓應(yīng)力，將墊片預(yù)壓縮到指定厚度時(shí)的比壓值，可根據(jù)ASMEB16.5標(biāo)準(zhǔn)法蘭和與之配套的ASME B16.20標(biāo)準(zhǔn)纏繞式墊片進(jìn)行計(jì)算 。
表1是壓力級別為 Class150、各種名義尺寸纏繞式墊片的預(yù)緊比壓。由表可見，不同名義尺寸的墊片在規(guī)定的螺栓應(yīng)力下壓縮到指定厚度時(shí)的預(yù)緊比壓雖各不相同，但絕大部分在某一應(yīng)力水平附近波動(dòng)。根據(jù)ASTMF586的檢驗(yàn)要求 ，取名義尺寸為4in的墊片，由表1可見，其能夠達(dá)到的預(yù)緊比壓僅為52.4MPa。

3.試驗(yàn)研究
3.1試件
按照ASTMF586的要求，試件名義尺寸為4in帶內(nèi)外環(huán)的纏繞式墊片，其外形尺寸如圖1所示，制造結(jié)構(gòu)尺寸和工藝參數(shù)如表2所示。


3.2試驗(yàn)方法
試驗(yàn)分為機(jī)械性能和密封性能兩種試驗(yàn)。機(jī)械性能試驗(yàn)測定墊片在規(guī)定壓縮量下的預(yù)緊比壓；密封性能試驗(yàn)測定預(yù)緊比壓與計(jì)算值接近的特定結(jié)構(gòu)的墊片在該預(yù)緊比壓和1.1倍公稱壓力下的泄漏率。參照GB/T12622-90測定墊片壓縮率回彈率的試驗(yàn)方法及ASTMF586測定墊片泄漏率的試驗(yàn)方法，并按照ASME B16.20的壓縮要求，每種結(jié)構(gòu)的墊片試驗(yàn)3片。
試驗(yàn)條件：試驗(yàn)溫度為20?C，初始載荷為1.4MPa，壓縮量為1.2mm，試驗(yàn)介質(zhì)為99.9%純氮；*大試驗(yàn)壓力為1.1倍公稱壓力（2.2MPa）。
3.3試驗(yàn)結(jié)果分析
（1）墊片應(yīng)力與變形的關(guān)系

圖2是不同編號墊片的壓縮回彈特性曲??。由圖可見：①加載曲線呈非線性關(guān)系；②卸載曲線與加載曲線不同，卸載開始時(shí)曲線接近直線下降，至較低應(yīng)力時(shí)曲線是非線性的，墊片有較大的回彈；③在相同壓縮量下，墊片應(yīng)力隨柔性石墨厚度的增加而減小。在相同的墊片應(yīng)力下，壓縮量隨柔性石墨厚度的增加而增大。至規(guī)定壓縮量時(shí)的墊片應(yīng)力（預(yù)緊比壓）、回彈量如表3所示。由表可見，編號為?4Q的墊片在規(guī)定壓縮量下的預(yù)緊比壓與計(jì)算值接近，且有較大的回彈率。

（2）墊片的密封特性
表4和圖3示出了預(yù)緊比壓與計(jì)算值接近的墊片（?4Q）在預(yù)緊比壓下的泄漏率LR和介質(zhì)壓力P的關(guān)系。由圖3可見，在預(yù)緊比壓下，墊片的泄漏率隨介質(zhì)壓力的升高而增大，在1.1倍的公稱壓力下的單位時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)體積泄漏率（氮?dú)猓┻_(dá)到1/10×10×10×10數(shù)量級。由此表明該結(jié)構(gòu)的墊片可用于相應(yīng)壓力級別的管法蘭上，且具有較低的泄漏率。


4結(jié)語

（1）不同名義尺寸的ASMEB16.5Class管法蘭用纏繞式墊片，按照標(biāo)準(zhǔn)的螺栓應(yīng)力和規(guī)定壓縮量的墊片預(yù)緊比壓各不相同，但絕大部分在某一應(yīng)力水平附近波動(dòng)。
（2）在其它結(jié)構(gòu)與制造工藝一定的情況下，通過調(diào)整柔性石墨帶厚度可以達(dá)到調(diào)整墊片壓縮回彈性能的目的，并可獲得符合緊固件要求且具有較低泄漏率的墊