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垫片密封类产品选用指导2

6.3压溃强度如前所述,垫片应力越大,泄漏就越少。但是应力太大,垫片就会被压溃,或者压缩时已经碎裂。因此在测试压缩垫片的全过程中,总会存在发生压溃的极限载荷,即垫片的压溃强度。压溃强度也与工作温度和垫片厚度有关。例如,1.5㎜厚的石棉橡胶板室温下的压溃强度为110Mpa,而3㎜厚的石棉橡胶板仅为60Mpa;同样的垫片,300℃时的压溃强度分别是72Mpa和38Mpa。不同构造材料和形式的垫片压溃强度自然也不一样,如与上述同样厚度和温度下的橡胶粘结非石棉纤维(芳纶纤维)板,300℃时的压溃强度仅为45Mpa(1.5㎜)和30Mpa(3㎜)。在温度下测得的压溃强度也称热压缩强度。

6.4吹出抗力

垫片能否抵抗吹出,不但取决于材料的拉伸强度,还与垫片应力、操作压力和工作温度有关。材料的拉伸强度受温度影响,温度越高,拉伸强度越低;操作压力越大,垫片承受的拉伸应力则越大;垫片应力越低,垫片与密封面间的摩擦系数越小,则阻止垫片吹出的阻力越小。同样,通过标准的试验方法可以评定垫片的吹出抗力。

6.5蠕变松驰性能

当施加螺栓载荷时,作用在招牌上的压缩应力会使垫片厚度变薄,运转一段时间后,垫片厚度将继续减小,垫片上的应力也会逐渐减少,称之为应力松驰。实际上垫片的应力松驰主要是应力松驰和蠕变两个因素的联合作用。按照定义:应力松驰是恒应力下的应变的改变,它则以初始载荷下垫片厚度变化的百分率表示。前者称为纯松驰,后者称为纯蠕变。对于螺栓-垫片-法兰这样的特定载荷系统,垫片应力是由螺栓伸长转换成对垫片的压缩力,即垫片应力。因而,垫片蠕变不发生的恒应力下,垫片厚度的任何改变都会引起螺栓伸长的变化,同时也改变了垫片应力,这样垫片与螺栓的相互作用称为垫片的“蠕变松驰”。螺栓伸长的大小受螺栓刚度的影响,进而影响垫片应力的检验程度。因此,上述纯蠕变与平面密封面为槽面且具有金属与金属接触的法兰接头中,并与具有很大刚度的平面密封面法兰接头中的情况相接近。

综上所述,应力松驰不是材料的基本性质,应力松驰受垫片材料的蠕变以及接头中其他零件的影响,只有蠕变才是垫片材料的基本性质,只有在讨论这样主要因素共同作用时才用蠕变松驰这一概念。显然,垫片的蠕变松驰性能是影响接头密封性能的一项十分重要的力学性能,它的最直接结果是垫片应力的下降,最终接头趋向泄漏,甚至发生垫片从密封面处吹出的情况。

根据不同的试验标准,表示垫片蠕变检验性能有两种方法,一是按照螺栓伸长改变量(相当改变螺栓载荷)表示垫片应力的变化,以蠕变松驰率(C-R)表示;二是直接测量蠕变前后垫片应力的变化,以应力松驰率(R)表示。两者分别如式(2-3)、(2-4)两式所示:

C-R=[△(△LB)/(△LB)]×100% (2-3)

式中△LB—装配时螺栓有效长度内的初始伸长量,mm;

△(△LB)--垫片蠕变后螺栓初始伸长量的变化量,mm。

垫片密封板材的蠕变松驰率的数据如表2-18所示。

R=(δgr/δgi)×100%(2-4)

式中δgr--初始压缩的垫片应力,Mpa;

δgi --蠕变后残留的垫片应力,Mpa。

通常垫片要具有一定的塑性,所以蠕变是不可避免的。毫无疑问蠕变的大小与垫片的材料和结构有关,但还和初始厚度、载荷、温度、时间等许多因素有关。蠕变与厚度成正比关系,同样材料的垫片,厚的比薄的蠕变大,所以选择垫片时应尽可能选薄的垫片。大多数法兰接头的蠕变松驰发生的预知载荷后的15~20min或20~25min的载荷循环内,此后仍将继续下去,但逐渐趋于缓慢并转向稳定。因此有推荐在螺栓预紧18~24h后重新拧紧螺栓,以恢复部分螺栓载荷。但这种做法通常用在温度较高的场合,因为高温对蠕变的影响比室温大得多,有时甚至高达十多倍。此外,蠕变的速率随作用在垫片上初始应力的增强而提高,但有时也存在相反的情况。在很多应用中,将垫片蠕变引起的应力松驰谓之“扭矩损失”,这是因为预紧螺栓的扭矩直接与螺栓的伸长,也即垫片应力有关,扭矩损失也就意味着垫片应力的损失。

6.6 P×T

每种垫片材料都有它的最高使用温度,超过此温度,就不能安全使用;当然,每种垫片也有最大使用压力。例如对于非金属垫片材料其温度的极限值是150℃,而极限压力是100Mpa,但不能同时在150℃的温度和10Mpa的压力下使用。因此用P×T值或P×T关系图来表示非金属垫片材料可以允许的最高使用温度和最大使用压力的匹配关系,如表2-18中列出的部分垫片材料的P×T值。举例来说,橡胶粘结合成纤维(芳纶)板,其最大P×T值为12000℃·bar(厚度1.6mm),即当使用压力的100bar(1bar=1×105Pa)时,最高使用温度是120℃,如果使用温度为了200℃,那么最大使用压力就是60bar,如此等等。

6.7 招牌的高温力学性能

高温对垫片接头的性能通常有不利影响。例如高温会使垫片力学性能包括拉伸强度、回弹率(弹性模量)和承载能力等发生劣化,再如大多数橡胶粘结石棉或非石棉纤维材料(除柔性石墨外)遇高温会发生分解、粉化或永久变形,其最高使用压力随温度增加而降低。其次,高温对垫片蠕变或松驰的加强作用也是显而易见的,例如在相同的载荷下,石棉橡胶垫片200℃的松驰达到室温下的3.5倍;而作为代替石棉的柔性石墨垫片在氧化性介质中的连续工作温度也应考虑不超过343℃。垫片的热膨胀或收缩改变了垫片的应力,因而其密封能力也相应发生改变。此外,热波动或热循环在接头中会引起联合的垫片变形棘轮和应力棘轮效应,如图2-5所示,而这种影响取决于垫片的粘塑性和对应力-应变的非线性响应以及温度等因素。

6.8 垫片的密封性能

垫片的密封性能完全依靠理论预测,很难真实反映介质通过垫片的复杂泄漏现象,因此它们主要还是通过试验测定。通过对标准垫片试样进行室温或高温密封测试,可获得在一定垫片应力和试验介质压力下垫片的泄漏率。这一泄漏率的大小即表征了介质通过垫片本身和垫片与密封面间的密封性能。

图2-6是在垫片应力-变形图上叠加了一簇恒泄漏率曲线(试验介质压力恒定),左侧曲线A的泄漏率比右侧B小。由图可见,与垫片的应力-变形图相似,垫片应力与泄漏量也呈非线性关系和滞迟现象。载荷历程不同,同一垫片应力下的泄漏率有较大的差别。因此在初始预紧垫片载荷不同的条件下,当卸载到同一垫片应力时,预紧载荷高的泄漏率比预紧载荷低的小。或者说达到同样的泄漏率水平,预紧载荷高的垫片在工作状态下需要的应力比预紧载荷低的小,因此装配垫片应力是影响其密封性能的重要因素。

除了装配垫片应力外,影响垫片密封性能的主要因素还有介质性质、压力、法兰密封面的粗糙度等。对非金属软垫片和缠绕垫片等,法兰密封面的粗糙度影响较小,而对金属垫片则影响较大。某些垫片材料的密封性能随温度的提高发生较大变化,高温下垫片对卸载愈加敏感,即达到同样泄漏率允许的垫片应力的减少量,热太要比冷态少得多。

7 垫片材料的选择

选择垫片材料要考虑以下因素:

7.1易挥发有机物的逸出要求

随着对健康和环保的高度重视,新的更严格的控制易挥发的有机物逸出的标准和法律出台,而减少来自法兰接头的逸出就成为优先考虑的因素。因此,出现了多种密封性能更好的材料,包括无石棉材料的垫片。由于它们具有不同的性能和局限性,因此正确选择、安装、使用和维护这类垫片以得到最佳密封性能就变得尤其重要。

7.2介质

垫片应在全程工作条件下不受密封介质的影响,包括抗高温氧化性、抗化学腐蚀性、抗溶剂性、抗渗透性等,显然垫片材料对介质的化学耐蚀性的好坏是选择垫片的首要条件。

7.3 温度

所选用的垫片应该在最高或最低的工作温度下有合理的使用寿命。如前所述,为了在工作条件下保持密封,垫片材料应能耐受蠕变,以降低垫片应力松驰。室温下,大多数垫片材料没有大的蠕变,但随着温度的升高(超过100℃),除大多数金属垫片外,蠕变变得严重了。因此最容易区分垫片质量优劣的是垫片在不同温度下的蠕变松驰性能。除了短期能耐受的最高或最低工作温度外,应考虑允许连续工作的温度,通常该温度低于最高工作温度和高于最低工作温度。

7.4 压力

垫片必须承受最大的工作压力。这种压力可以是试验压力,因为它可能是最大工作压力的1.25~1.5倍。对于非金属材料的垫片,因其P×T值有一极限值,所以在选择其最大工作压力时,要考虑垫片所能承受的最高工作温度,尤其是饱和水蒸气,其蒸汽压力越高,蒸汽温度也就越高。用于真空操作条件下的垫片也要做特殊考虑,对于一般真空(760~1Torr)(1Torr=133.322Pa)可采用橡胶或橡胶粘结纤维压缩垫片;对于较高真空(1~1×10-7Torr)可用橡胶O形环或矩形模压密封条;对于很高真空(1×10-7Torr以上),则需采用特殊的密封材料和结构形式。

7.5 法兰密封面光洁度

不同的垫片形式和应用场合,对光洁度的要求不同,如表2-19所示。
7.6 其他考虑

还有许多影响选择垫片材料和结构形式的因素

7.6.1 循环载荷 如果温度和压力存在频繁的波动,则垫片必须有足够的回弹能力。

7.6.2 振动 如果管线有振动,那么垫片就必须能经受反复的高循环应力作用。

7.6.3 磨损 某些含悬浮颗粒的介质会磨损垫片,以致缩短垫片的使用寿命。

7.6.4 污染介质 如果密封介质是饮用水、血浆、药品、食品、啤酒等,要考虑垫片材料的化学物质污染介质,需采用符合食品和医药卫生要求的PTFE或橡胶等材料。

7.6.5 法兰腐蚀 某些金属(如奥氏体不锈钢耐酸钢)有应力腐蚀开裂倾向,应保证垫片材料不含会引起各种腐蚀的超量杂质,如核电站不锈钢耐酸钢法兰用的柔性石墨垫片要求氯离子含量不超过50mg·kg-1。

7.6.6 安全性 如果密封高度毒性的化学品,则要求垫片具有更大的安全性。例如对液化气系统,选用缠绕垫片较佳,且宜选用带外环形式的,使之具有较高的抗吹出能力。此外,对石油炼制厂,还有防火的要求。例如,对于输送易燃液体的管道系统,非金属垫片用于全平面或突面法兰上的最高使用压力为5Mpa,最高使用温度为400℃。

7.6.7 经济性 虽然垫片相对比较便宜,但在选择垫片的品质、类型和材料时,应考虑到泄漏造成的物料流失、停工损失以及发生重大破坏造成的经济后果,综合考虑垫片的性能与价格比。

8 垫片尺寸选择的一般原则

8.1 尽可能选择薄的垫片

垫片要求的厚度与其形式、材料、直径、密封面的加工状况和密封介质等有关。例如对大多数非金属板状垫片而言,其抵抗应力松驰的能力随垫片厚度减少而增加,薄的垫片其周边暴露于密封介质的面积较少,因而沿垫片本体的渗漏也随之减少。可是垫片必须填补法兰密封表面的凹凸和起伏不平,因此垫片的最小厚度就取决于法兰表面光洁度、垫片的压缩性、垫处应力、法兰的偏转程度等因素。表2——20为非金属板状垫片厚度选择的参考表。金属缠绕垫片的厚度通常是4.5mm,但也可根据设备或管道直径的大小选用其他厚度,如表2-21所示。

8.2 尽可能选择较窄的垫片

在同样的螺栓载荷尔蒙下,垫片宽度越窄,垫片应力越高,密封压力也就越大,但垫片不至于被压裂或压溃,同时还要具有必需的径向密封通道长度和足够的吹出抗力。一般的板状垫片通常可根据公称直径和公称压力选取,并按照实际法兰和使用情况做适当修改,例如法兰密封面光洁度低或密封介质粘度低,则增加宽度。表2-22则是金属缠绕垫片绕带部分的最大参考宽度。
8.3 不要让垫片的内径伸进管道内,也不要过分增加垫片的外径

前者会导致管内流体介质冲刷垫片,不但污染介质,增加流动阻力,而且会因垫片材料被介质浸胀而损坏压缩部分的垫片;而后者会因受环境腐蚀,同样损害垫片。对于密封面为突面或全平面法兰的情况,当垫片位于螺栓孔中心圆内时,通常出于安装定位的需要,取螺栓孔中心圆直径螺栓孔直径的长度为垫片外径(或外环外径)。



 


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