服務(wù)熱線：橢圓形封頭用法蘭及組件的密封設(shè)計
2016年10月21日
滄州五森管道有限公司
1、幾個基本概念
a、密封副：通常將由法蘭、螺栓、墊片三者共同組成的連接密封結(jié)構(gòu)叫做密封副。它是一個靜不定結(jié)構(gòu)，其中，墊片是借助于螺栓的預(yù)緊載荷通過法蘭壓緊墊片，使墊片發(fā)生彈塑性變形，填充法蘭密封面與墊片間的微觀幾何間隙，增加介質(zhì)的流動阻力，阻止或減少介質(zhì)的泄漏，從而達(dá)到密封的目的；
b、墊片的預(yù)緊密封比壓（y）：指形成初始密封條件時，必須施加在墊片單位面積上的 小壓緊力；
c、工作密封比壓（σE）：指在操作條件下發(fā)生臨界泄漏時，單位密封面上所具有的密封壓緊力；
d、墊片系數(shù)（m）：指工作密封比壓σE與介質(zhì)操作壓力P的比值。
目前，橢圓形封頭用法蘭密封副的設(shè)計，大多數(shù)是借助于墊片的預(yù)緊比壓（y）和墊片系數(shù)（m）來進(jìn)行的，認(rèn)為只要保證法蘭連接預(yù)緊時的單位壓緊壓力大于y值，操作時墊片上的殘余單位壓緊壓力（即工作密封比壓）大于m倍的介質(zhì)壓力，即可保證法蘭的密封。
y和m是反映墊片性能的兩個重要參數(shù)，其數(shù)值與墊片的種類和材質(zhì)有關(guān)，m和y的值大表明墊片達(dá)到密封時需要 大的螺栓載荷。
2、影響法蘭密封副密封性能的因素
對法蘭及其組成件所構(gòu)成的密封副失效問題，涉及到的問題比較多。單 其影響因素來講，下列因素都將直接影響到其密封效果：
a、螺栓預(yù)緊力
我們知道，橢圓形封頭用法蘭的密封主要是通過擰緊連接法蘭的一組均勻分布的螺栓，使法蘭壓緊，并通過法蘭將力傳遞給密封面上的墊片，使墊片發(fā)生彈塑性變形而達(dá)到密封的目的。如果螺栓的預(yù)緊力太小，達(dá)不到法蘭和墊片所需要的初始密封比壓及工作密封比壓，密封副將泄漏。反之，如果螺栓的預(yù)緊力過大，會使墊片發(fā)生過度的塑性變形，使得在工作狀態(tài)下，墊片回彈不夠而泄漏，嚴(yán)重時會使墊片被壓壞而直接發(fā)生泄漏。
b、墊片的性能
墊片是法蘭密封件中的又一重要組成件，它的好壞直接影響到密封副的密封性能。評價墊片好壞的性能指標(biāo)有三個，即壓縮率、回彈率和應(yīng)力松弛率。其中：
T1—T2
壓縮率 = ————×
T1
T3—T2
回彈率 =—————×
T1—T2
Do—Df
應(yīng)力松弛率 = ————×
Do
式中：T1……墊片試樣在預(yù)緊載荷作用下的厚度，mm；
T2……墊片試樣在總載荷作用下的厚度，mm；
T3……墊片試樣在載荷減小到預(yù)緊載荷時的厚度，mm；
Do……法蘭連接在加熱前的螺栓伸長量，mm；
Df……法蘭連接在加熱冷卻后的螺栓伸長量，mm。
壓縮率反映墊片在壓緊時的變形能力，壓縮率大則表明墊片填塞法蘭密封粗糙面的能力大。如果墊片的壓縮性能不好，它 不能有效地填充法蘭密封面的微孔間隙而保證良好的密封；回彈率反映墊片在卸載后恢復(fù)原有厚度的能力，回彈率大表明當(dāng)密閉系統(tǒng)有壓力波動時，橢圓形封頭用墊片保持密封的性能好。如果墊片的回彈性能不好，它將不能在工作狀態(tài)下形成足夠的工作密封比壓以保證密封；應(yīng)力松馳率反映墊片在高溫壓緊狀態(tài)下，其彈性變形量轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃瘟康南鄬Υ笮?。?yīng)力松馳率愈低，則表示墊片在高溫壓緊狀態(tài)下，彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃蔚牧坑?，表明墊片在長期高溫條件下，能保持較好的密封性。
事實(shí)上，由于墊片是非線彈性的，故理論上研究墊片的密封性能是比較復(fù)雜的。設(shè)計上往往是借助于墊片系數(shù)m和密封比壓y來簡化計算。事實(shí)證明，采用墊片系數(shù)m和密封比壓y進(jìn)行密封副設(shè)計是能滿足工程要求的。
在選擇墊片時，除了上面所提出的三個重要指標(biāo)外，還要考慮橢圓形封頭用墊片對介質(zhì)溫度、壓力、腐蝕性的適應(yīng)性。有關(guān)這方面的介紹見第五章第三節(jié)所述。
法蘭密封面越窄，在同樣的螺栓載荷作用下，墊片上所形成的密封比壓越大，而且密封面越窄，法蘭對墊片的壓力越均勻，故密封效果越好。
在常用的法蘭密封面型式中，大平面（FF）法蘭的密封面 寬，故不宜用于密封要求較高或工作壓力較高的場合。但由于大平面法蘭加工方便，價格便宜，故在常溫低壓工況條件下應(yīng)優(yōu)先選用。凸臺密封面（RF）較大平面（FF）窄，且其加工成本比凹凸面（MF）、榫槽面（TG）和環(huán)連接面（RJ）較低，墊片的拆卸 換又較MF、TG、RJ容易，故其應(yīng)用 廣。MF和TG密封面比RF 窄，且在結(jié)構(gòu)上有防止墊片被擠出的 點(diǎn)，故常用在壓力較高的場合。RJ密封面 窄，而且它是靠金屬墊片（橢園形或八角形）與法蘭的梯形槽接觸而進(jìn)行密封的，故其密封性能較好，常用于高壓、高溫、受交變載荷等苛刻工況下。
除法蘭密封面的結(jié)構(gòu)形式之外，密封面的加工精度也會影響到密封效果。精度越高，密封效果越好，但加工成本也越高。一般情況下，配非金屬墊片的法蘭密封面的加工精度可稍低些，因?yàn)榉墙饘賶|片容易發(fā)生塑性變形。
d、橢圓形封頭用法蘭的剛度
在法蘭失效的眾多實(shí)例中，由于法蘭的剛度不足而使法蘭失效的情況占大多數(shù)。這是因?yàn)?，?dāng)法蘭的剛度不足時，會發(fā)生過大的翹曲變形，使墊片的受力很不均勻，從而形成宏觀泄漏孔隙。影響法蘭剛度的因素較多，如法蘭的厚度、螺栓力作用的力臂（即螺栓中心園直徑）、法蘭外徑、法蘭頸部的剛度等。
e、橢圓形封頭操作條件
操作條件即指介質(zhì)的溫度、壓力、物理化學(xué)性質(zhì)（如粘度、腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性等）及管系對法蘭的附加力（矩）等。
需要說明的是，上面給出的一些影響因素往往不是單一作用的，而是多種因素交互影響，從而給法蘭的密封設(shè)計帶來麻煩。從上面的介紹中還可以看出，法蘭的密封設(shè)計同時涉及到了法蘭本身、墊片和緊固件三個元件的設(shè)計，因此如何選配好法蘭密封副的各元件材質(zhì)、型式也是至關(guān)重要的。本書的第五章第三節(jié)將給出有關(guān)方面的選用經(jīng)驗(yàn)。
3、橢圓形封頭用墊片壓緊力的計算
墊片的壓緊力應(yīng)不低于達(dá)到初始密封（或叫預(yù)緊狀態(tài)）要求所需要的壓緊力和工作狀態(tài)下達(dá)到密封要求所需要的壓緊力兩者中的較小值。
根據(jù)初始密封比壓的定義，很容易求得預(yù)緊狀態(tài)下所需要的壓緊力，即此時所需 小壓緊力應(yīng)為初始密封比壓與墊片有效密封面積的乘積。見式4－3：
FG=Fa=3.14DGby……………………………………………………(4－3)
式中：FG----法蘭墊片壓緊力，N；
Fa----預(yù)緊狀態(tài)下需要的墊片 小壓緊力，N；
DG----墊片壓緊力作用中心園直徑，mm。確定方法見前面所述；
b----墊片有效密封寬度，mm。確定方法見前面所述；
Pc----設(shè)計壓力，MPa；
y----墊片初始密封比壓（也叫比壓力），MPa。見附錄F4-1；
根據(jù)墊片系數(shù)的定義，也可以求得操作狀態(tài)下達(dá)到密封要求時所需要的壓緊力，即此時所需 小壓緊力應(yīng)為墊片系數(shù)、設(shè)計壓力與墊片有效密封面積的乘積。見式4－4：
FG=Fp=6.28DGbmpc ………………………………………………(4－4)
式中：FP----操作狀態(tài)下需要的墊片 小壓緊力，N；
m----墊片系數(shù)，見附錄F4-1；
其它代號意義同上式。
4、橢圓形封頭用螺栓載荷及螺栓總面積計算
我們知道，墊片的壓緊力是靠螺栓的旋緊給予的。既然墊片的壓緊力是由預(yù)緊狀態(tài)和操作狀態(tài)兩個條件共同確定的，那么螺栓載荷也應(yīng)分預(yù)緊狀態(tài)和操作狀態(tài)兩種情況確定，并取 值。
預(yù)緊狀態(tài)下需要的 小螺栓載荷Wa應(yīng)為此時墊片所需的壓緊力Fa，即：Wa＝Fa
操作狀態(tài)下，螺栓不僅要承受壓緊墊片所需的力，同時還承受使法蘭趨于張開的介質(zhì)壓力。故此時需要的 小螺栓載荷Wp應(yīng)為墊片所需的壓緊力與介質(zhì)設(shè)計壓力之和。見式4－5：
WP=F+FP=0.785 DG2pc+6.28 DGbmpc………………………………(4－5)
僅考慮介質(zhì)內(nèi)壓作用時，可認(rèn)為每個螺栓都受拉伸載荷。根據(jù)第六章介紹的拉伸計算公式很容易求得所需要的總面積。該面積應(yīng)為相應(yīng)狀態(tài)下螺栓載荷與螺栓材料許用應(yīng)力之比，即有：
Aa=Wa/[σ]b……………………………………………………………(4－6a)
…………………………………………………………(4－6b)
需要的螺栓面積Am應(yīng)取Aa、Ap中的較大值，即Am=max（Aa，Ap），實(shí)際選用的螺栓面積Ab應(yīng)不小于需要的面積Am，即Ab≥Am。在工程設(shè)計中，一般先用螺栓個數(shù)除以需要的螺栓總面積Am，并對所得到的數(shù)值進(jìn)行園整，然后再 近上靠到標(biāo)準(zhǔn)螺栓系列。
橢圓形封頭經(jīng)過上面的螺栓面積園整和上靠取值，有時實(shí)際得到的螺栓面積Ab要比需要的 小螺栓面積Am大許多，也 是說實(shí)際螺栓可產(chǎn)生的載荷有時要比需要的 小螺栓載荷大許多。在旋緊螺栓時，既不能使它產(chǎn)生的載荷剛好等于需要的 小螺栓載荷，也不能使它等于它能夠產(chǎn)生的 載荷，螺栓設(shè)計載荷應(yīng)介于二者之間。工程上，預(yù)緊狀態(tài)下和操作狀態(tài)下的螺栓設(shè)計載荷w可分別按式4－7a、b計算：
……………………………………………(4－7a)
………………………………………………………………… (4－7b)
式4－6和式4－7的代號解釋如下：
W----預(yù)緊和操作狀態(tài)下的螺栓設(shè)計載荷，N；
Wa----預(yù)緊狀態(tài)下需要的 小螺栓載荷，N；
Wp----操作狀態(tài)下需要的 小螺栓載荷，N；
Aa----預(yù)緊狀態(tài)下需要的螺栓總截面積，取螺紋 小直徑或無螺紋段 小直徑的計算面積，
mm2；
Ap----操作下狀態(tài)下需要的螺栓總截面積，取螺紋 小直徑或無螺紋段 小直徑的計算面
積，mm2；
Am----需要的螺栓總截面面積，mm2；
Ab----實(shí)際選用的螺栓總截面面積，取螺紋 小直徑或無螺紋段 小直徑的計算面積，
mm2；
W----螺栓設(shè)計載荷，N；
[σ]b----常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力，MPa；
----設(shè)計溫度下螺栓材料的許用應(yīng)力，MPa；
F----介質(zhì)壓力引起的總軸向力。N。
FG意義同前。
5．橢圓形封頭用螺栓數(shù)量的確定
為了使墊片的受力盡量均勻，螺栓的數(shù)量應(yīng)為偶數(shù)，一般應(yīng)為4的倍數(shù)。相鄰螺栓的間距不能太大，否則將使螺栓之間的墊片壓不緊而產(chǎn)生泄漏。相鄰螺栓的間距也不能太小，否則易使法蘭強(qiáng)度和剛度受損，并影響螺栓的安裝和拆卸。一般推薦螺栓間距為：B＝（3.5~4）d，B為螺栓間距，d為螺栓公稱直徑。
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