過程裝備密封技術(shù)課件

1、 過程裝備密封技術(shù)講稿 化工學(xué)院 王啟立過程裝備密封技術(shù)蔡仁良等 主編化學(xué)工業(yè)出版社 出版講課教師： 王啟立學(xué)時(shí)：32學(xué)分：20 本課程簡介：一、課程的性質(zhì)、任務(wù)：過程裝備密封技術(shù)是作為過程裝備與控制工程專業(yè)的選修課而開設(shè)的一門課程，其任務(wù)是研究工業(yè)部分的過程裝備和機(jī)械設(shè)備的密封技術(shù)。二、教學(xué)目的：根據(jù)本課程教學(xué)大綱要求，本課程的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用基本的理論知識(shí)來理解和掌握各種流體密封裝置的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法和選用原則，了解密封控制的新技術(shù)。三、教材本教材由過程裝備與控制工程專業(yè)教材編寫委員會(huì)編寫，由蔡仁良主編，化學(xué)工業(yè)出版社出版。四、內(nèi)容本課程系統(tǒng)全面地介紹過程工業(yè)裝置中流體靜、動(dòng)

2、密封的主要內(nèi)容和最新進(jìn)展。重點(diǎn)闡述密封的基本概念、流體密封理論、動(dòng)、靜密封技術(shù)以及泄漏檢測(cè)技術(shù)。五、課程框架及學(xué)時(shí)安排：課程內(nèi)容分為5章，32學(xué)時(shí)，內(nèi)容框架及學(xué)時(shí)分布如下：1 概論（2學(xué)時(shí)）1.1 過程裝備的密封問題1.2 泄露與逸出1.3 密封方式與分類1.4 摩擦磨損與密封2 流體在密封間隙中的流動(dòng)（4學(xué)時(shí)）2.1 引言2.2 分子流（1學(xué)時(shí)）2.3 不可壓縮流體的層流（2學(xué)時(shí)）2.4可壓縮流體的薄膜流動(dòng)（1學(xué)時(shí)）3 過程設(shè)備和管道的靜密封（10學(xué)時(shí)）3.1墊片密封（6學(xué)時(shí)）3.2膠密封 （4學(xué)時(shí)）4 過程機(jī)械的動(dòng)密封（10學(xué)時(shí)）4.1接觸密封 （6學(xué)時(shí)）4.2非接觸轉(zhuǎn)軸密封（4學(xué)時(shí)）5

3、泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)（6學(xué)時(shí)）5.1引言（1學(xué)時(shí)）5.2檢測(cè)的方法和分類（1學(xué)時(shí)）5.3壓力檢測(cè)法（2學(xué)時(shí)）5.4真空檢測(cè)法（2學(xué)時(shí)）六、考試及成績?cè)u(píng)定考試為閉卷考試。成績計(jì)算方法：平時(shí)成績占20，期末考試卷面成績占80。七、參考文獻(xiàn)：1胡國禎等，化工密封技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，19902顧永泉，流體動(dòng)密封，石油大學(xué)出版社，19903張向釗等，密封墊片與填料，機(jī)械工業(yè)出版社，19944顧永泉，機(jī)械端面密封，石油大學(xué)出版社，19945李繼和，機(jī)械密封技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，19881 概論本章框架：1.1 過程裝備的密封問題1.2 泄露與逸出1.3 密封方式與分類1.4 摩擦磨損與密封教學(xué)目標(biāo)及基本要求：(

4、1)了解過程裝備密封問題的重要性、特點(diǎn)及發(fā)生泄漏問題的主要原因；(2)了解過程裝備密封的分類，摩擦與磨損的概念。教學(xué)形式：講授學(xué)時(shí)安排：2學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)：無教學(xué)內(nèi)容：1.1 過程裝備的密封問題一、過程裝備的密封過程工程中，大部分過程是在相體和氣相中并在一定的壓力和溫度下進(jìn)行的，因此機(jī)器和設(shè)備本身以及它們之間的連接系統(tǒng)都存在一個(gè)流體（氣體、液體或粉體）的密封（閉）問題，設(shè)備或機(jī)器內(nèi)的工作流體可由內(nèi)部向外部泄漏，或者外界的氣體或其它物質(zhì)進(jìn)入負(fù)壓設(shè)備或機(jī)器內(nèi)部，這就是過程裝備的密封問題。二、過程裝備泄漏的危害密封不好將引起工作介質(zhì)的跑、冒、滴、漏引起物質(zhì)流失和能量損失、造成環(huán)境污染、生產(chǎn)不能正常進(jìn)行、

5、危急人體健康及生命安全。三、過程裝備密封的重要性密封裝置的工作性能是評(píng)價(jià)機(jī)械產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標(biāo)，是決定工廠安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的重要因素。四、化學(xué)及石油工業(yè)中的密封特點(diǎn)（1）、廣泛性：化工設(shè)備機(jī)器復(fù)雜、管路眾多，密封點(diǎn)多。（2）、危害性：化工廠處理的多是易燃、易爆、有毒或腐蝕性產(chǎn)品，并且具有一定的溫度和壓力，如果發(fā)生事故，危害性大。五、過程裝備發(fā)生泄露的主要原因（1）設(shè)計(jì)方面：如設(shè)備或機(jī)器連接部位包括密封件、連接件和輔助裝置的 形式、結(jié)構(gòu)或 材料選擇不當(dāng)引起泄漏失效。（2）制造安裝方面：制造過程中存在滲透性缺陷，如焊接過程中的裂紋、氣孔等缺陷。（3）使用方面：安裝配合不當(dāng)，化學(xué)介質(zhì)對(duì)密封的腐蝕、摩擦

6、副端面的磨損，工作溫度和壓力的波動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)或沖擊，密封材料材料的高溫退化或蠕變疲勞，誤操作引起的泄漏。1.2 泄漏與溢出一、泄漏（Leak）：設(shè)備或機(jī)器內(nèi)的工作流體通過機(jī)械設(shè)備的接合面存在的間隙由內(nèi)部向外流出，或者外界的氣體通過間隙進(jìn)入負(fù)壓設(shè)備或機(jī)器內(nèi)部。二、密封度（Tightness）：用來評(píng)價(jià)密封的有效性，用被密封的流體在單位時(shí)間內(nèi)通過接合面的體積或質(zhì)量的泄漏量，即泄漏率（Leak rate）來表示，密封度是一個(gè)相對(duì)的概念。零泄漏，即泄漏量為零，理論上靜密封可以做到零泄漏，但實(shí)際上很難做到。三、允許泄漏率：密封或密封裝置應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求或生產(chǎn)所允許的泄漏率，單位為。不同情況的允許泄漏率根據(jù)

7、行業(yè)和裝置具體情況而定。四、泄漏的分級(jí)與定義：泄漏級(jí)別定義0無泄漏跡象。1可目視或手感濕氣、冒汗，但沒有形成滴珠。2局部有滴珠出現(xiàn)。3沿整個(gè)墊片周圍有滴珠形成。4形成滴珠且沿墊片以5min或更長的時(shí)間滴漏1滴。5以5min或更短的時(shí)間滴漏1滴。6形成流線狀滴珠。五、溢出（Emission）在化工廠中，存在大量只憑聽、看直覺不能發(fā)現(xiàn)的易揮發(fā)有機(jī)化合物從接頭處溢出。因泄漏量比較小，通常用敏感的氣體檢測(cè)儀器測(cè)量溢出氣體的體積濃度，一般以百萬分率，即“ppm”表示。1.3 密封方式與分類一、分類1、靜密封：沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)靜止的接合面間的密封稱為靜密封。如：容器、管道的法蘭接合面間的密封、閥體以及機(jī)

8、器機(jī)殼接合面的密封。靜密封可分為三類：無墊密封、墊片密封、膠密封。2、動(dòng)密封：彼此有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接合面間的密封稱為動(dòng)密封。如：泵、壓縮機(jī)的螺旋桿、旋轉(zhuǎn)軸或往復(fù)桿與機(jī)殼之間的密封。動(dòng)密封主要分為兩類：往復(fù)軸密封和旋轉(zhuǎn)軸密封。往復(fù)軸密封包括填料密封、隔膜密封、唇型密封和活塞環(huán)密封；旋轉(zhuǎn)軸密封包括接觸密封和非接觸密封。過程裝備的密封分類見圖教材P5圖1-3所示。二、阻止流體在機(jī)器設(shè)備接合面發(fā)生泄漏的方法（1）接合表面的精密配合（2）接合的兩表面中，加入容易變形的彈性或塑性元件，可以在一定壓力下實(shí)現(xiàn)兩表面與外加元件的之間的緊密配合。（3）利用流體動(dòng)壓或靜壓力、磁場(chǎng)等作用，在接合間隙處形成阻礙流體泄漏的阻

9、力。1.4摩擦磨損和密封一、摩擦:在動(dòng)密封中，兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸表面，由于機(jī)械加工的結(jié)構(gòu)，必然存在不均勻的接觸表面，當(dāng)接觸表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然伴隨摩擦，摩擦?xí)?dǎo)致摩擦副零件的生熱和磨損，這就是引起泄漏和密封件損壞的主要原因。對(duì)動(dòng)密封而言，摩擦、磨損和密封都與固體的表面性質(zhì)和密封摩擦相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦狀態(tài)有關(guān)。允許一定量的泄漏，是為了移走摩擦熱，改善密封面潤滑，減少摩擦副磨損。實(shí)驗(yàn)得到的密封準(zhǔn)數(shù)和摩擦系數(shù)的關(guān)系如下： （1-1）式中，密封特性數(shù)，由密封型式?jīng)Q定；密封流體的動(dòng)力粘度；端面的平均線速度； 端面寬度；端面總載荷；指數(shù)，與動(dòng)密封型式有關(guān)，如旋轉(zhuǎn)端面密封。二、磨損（1） 引起磨損的原因：磨損

10、是由摩擦引起的。（2） 磨損的危害：磨損降低密封性能，縮短機(jī)器的使用壽命。（3） 磨損是一個(gè)多階段的過程，是時(shí)間的函數(shù)，磨損與密封壽命有直接關(guān)系。（4） 磨損的形式：粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損和微動(dòng)磨損等。（5） 減磨和抗磨措施：應(yīng)用減磨和耐磨措施；改變材料表面性能；采取冷、潤滑、沖洗等輔助措施；設(shè)計(jì)合理非接觸密封等。2 流體在密封間隙中的流動(dòng)本章框架：2.1 引言2.2 分子流 2.2.1 長泄漏管道中的分子流 2.2.2小孔和泄漏管道中的分子流2.3 不可壓縮流體的層流 2.3.1雷諾數(shù)和雷諾方程 2.3.2二維流動(dòng) 2.3.3一維軸對(duì)稱流動(dòng) 2.3.4軸線傾斜時(shí)圓環(huán)隙中的流動(dòng)

11、 2.3.5流道出口處有障礙時(shí)的剪切流動(dòng) 2.3.6擠壓引起的流動(dòng)2.4可壓縮流體的薄膜流動(dòng) 2.4.1亞音速氣體的流動(dòng)2.4.2音速氣體的流動(dòng)2.1引言流體密封中,許多性能都取決于流體流過密封(面)間隙的流動(dòng)狀態(tài)和流動(dòng)阻力。流體在狹窄間隙中的流動(dòng)主要表現(xiàn)維分子流和粘性流,對(duì)氣體介質(zhì)來說,其流動(dòng)特征可用克努森數(shù)來描述,即: （2-1） 式中, 泄漏通道當(dāng)量半徑,;氣體分子的平均自由程,;流道的截面積,;流道的截面積,。當(dāng)<0.01時(shí)，氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)小于泄漏通道的特征尺寸，氣體分子之間的碰撞遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于氣體分子與流道壁面之間的碰撞，氣體流動(dòng)為粘性流動(dòng)。當(dāng)>0.01時(shí)，氣體分子的平

12、均自由程大于泄漏通道的特征尺寸，流動(dòng)阻力主要時(shí)氣體分子與流道壁面之間的碰撞，氣體分子的運(yùn)動(dòng)可認(rèn)為是獨(dú)立的，這種流動(dòng)稱為分子流。當(dāng)0.01<<1時(shí)，氣體分子的平均自由程與泄漏通道的特征尺寸有相同的數(shù)量級(jí)，流動(dòng)特征與氣體分子間的運(yùn)動(dòng)、氣體分子與流道壁面之間的碰撞都有關(guān)系，氣體傳動(dòng)處于過渡流區(qū)域，對(duì)流動(dòng)的分析為半經(jīng)驗(yàn)的。2.2 分子流教學(xué)目標(biāo)及基本要求：(1)了解流體在狹窄空間的流動(dòng)情況分類及判別；(2)掌握長泄漏通道、短泄漏通道及小孔泄漏中的分子流。教學(xué)形式：講授學(xué)時(shí)安排：2學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)：(1)長泄漏通道、短泄漏通道及小孔泄漏中的分子流。教學(xué)內(nèi)容：2.2.1 長泄漏管道中的分子流對(duì)于長

13、度為、流道橫截面積為、流道橫截面周長為的任意橫截面形狀的泄漏通道，當(dāng)其長度與橫截面當(dāng)量半徑之比時(shí)，流過該流道的流率為：（22）式中，流道長度，；、流道入口和出口處的壓力，；流率，；氣體分子的平均速度，；可由下式計(jì)算：(2-3)式中 通用氣體常數(shù)； 氣體溫度，K；氣體分子質(zhì)量，；將(2-3)代入(2-2)得到： (2-4)對(duì)于一個(gè)半徑為r的均勻橫截面的長管有：(2-5)將(2-5)代入(2-4)得到氣體流過均勻圓管橫截面長管的分子流流率為： (2-6)對(duì)于一個(gè)邊長分別為a和b的矩形截面的長管： (2-7)代入(2-4)有氣體流過均勻矩形橫截面長管的分子流流率為：(2-8)對(duì)于一個(gè)長、短半徑分別為

14、a和b均勻橢圓截面的長管： (2-9)代入(2-4)有氣體流過均勻橢圓形橫截面長管的分子流流率為：(2-10)例題21見教材P10，此處略。2.2.2小孔和泄漏管道中的分子流考慮一個(gè)等溫容器，其中有壓力為的低壓氣體，容器上有一個(gè)穿透小孔，容器中的氣體通過該小孔流入壓力為的一相鄰容器中。由于分子流狀態(tài)下氣體的壓力較低，可看作理想氣體，因而其流率可用下式計(jì)算： （2-11）對(duì)于半徑為r的圓孔，流道截面積為，則上式成為： （2-12）比較式（2-12）和（2-6）可以看出，流過圓孔和長管的流率比為： （2-13）當(dāng)時(shí)，流過圓孔的流率是流過圓管的流率的37.5倍。由此可以得到下面的結(jié)論：對(duì)于短圓管，即

15、，由長圓管計(jì)算得到的流率偏小，由圓孔計(jì)算得到的流率偏大，即上述（2-12）和（2-6）不適合用于短圓管的流率計(jì)算的。短圓管的流率計(jì)算通常采用下面的近似公式： （2-14）2.3 不可壓縮流體的層流教學(xué)目標(biāo)及基本要求：(1)掌握雷諾數(shù)的計(jì)算及流動(dòng)狀態(tài)的判斷；(2)掌握二維流動(dòng)、一維軸對(duì)成流動(dòng)、圓環(huán)隙流動(dòng)、剪切流動(dòng)及擠壓流動(dòng)的流率計(jì)算及壓力分布計(jì)算。教學(xué)形式：講授學(xué)時(shí)安排：2學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)：二維流動(dòng)、一維軸對(duì)成流動(dòng)、圓環(huán)隙流動(dòng)、剪切流動(dòng)及擠壓流動(dòng)的流率計(jì)算及壓力分布計(jì)算。教學(xué)內(nèi)容：2.3.1雷諾數(shù)和雷諾方程密封接頭的性能取決于密封間隙中流體的流動(dòng)阻力，密封間隙里的流動(dòng)主要表現(xiàn)為分子流和粘性流。當(dāng)粘性

16、流在流體中占主要地位時(shí)，流動(dòng)表現(xiàn)為層流，如果流速很大而流體的粘性很小，局部截面上與主流不平行的流動(dòng)不會(huì)減弱，并且會(huì)突然轉(zhuǎn)變成紊流。從層流轉(zhuǎn)變到紊流的現(xiàn)象和判定準(zhǔn)則是雷諾數(shù)。1、 雷諾數(shù)和流動(dòng)狀態(tài)密度為、動(dòng)力粘度為的流體以平均速度流過一特征尺寸為的流道，其雷諾數(shù)為： （2-14）式中，雷諾數(shù)；流體密度，；流體動(dòng)力粘度，；流體平均速度，；流體的運(yùn)動(dòng)粘度，。上式也可以寫成，這表明，雷諾數(shù)為流體運(yùn)動(dòng)的慣性力和粘性力之比。小表明流體中粘性力的作用較大，能夠消弱與消除引起流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生亂運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)，使流體保持平靜的層流狀態(tài)；大表明流體中粘性力相對(duì)慣性力較小，慣性力容易使流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生亂運(yùn)動(dòng)，使流體呈現(xiàn)紊亂狀態(tài)

17、，由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r(shí)的臨界雷諾數(shù)用表示。流體從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞒巳Q于雷諾數(shù)外，還取決于流動(dòng)中存在的擾動(dòng)。擾動(dòng)小時(shí)，容易被流體的粘性所削弱，流動(dòng)易處于層流狀態(tài)；擾動(dòng)大時(shí)，則不容易被流體的粘性所削弱，流動(dòng)易處于紊流狀態(tài)。但當(dāng)時(shí)，擾動(dòng)總會(huì)被削弱。對(duì)于高度為的密封間隙來說，其雷諾數(shù)可定義為：（2-15）由經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)超過臨界值：20004000時(shí)，密封間隙的流動(dòng)將轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?，如果密封面較為粗糙，特別是當(dāng)密封面開槽時(shí)，在雷諾數(shù)小于5001000時(shí)，密封間隙的流動(dòng)也會(huì)很快轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳎蝗绻芊忾g隙很小，尤其當(dāng)間隙小于10時(shí)，通常情況下都將是層流。2、 壓力梯度、速度分布和雷諾方程從流體力學(xué)的角度研究密封，

18、必須解決兩個(gè)問題：流體在密封間隙中的壓力分布，由此可計(jì)算出液膜的承載能力；流體經(jīng)過密封間隙的流率，即泄漏率。層流狀態(tài)下，流體在密封間隙中的流動(dòng)可以通過雷諾方程來描述。圖21表示一個(gè)高度為的間隙密封，間隙上下固體表面分別以速度U1,V1,W1和U2,V2,W2運(yùn)動(dòng)。在流體中取一個(gè)微小的單元體，其局部速度為u,v,w。間隙高度h(x,y)沿著y方向是改變的，它和密封間隙在x和z方向上的尺寸相比小得多，假定整個(gè)過程的粘度為常數(shù)?？紤]到作用在（dx,dy,dz）上的粘性力及其壓力引起的平衡。在x和y方向上的壓力梯度分別為和，由粘性力產(chǎn)生的局部剪切力分別為和。如圖22所示，作用在微元體上的力在x方向上平

19、衡為：由此得到x方向上局部壓力梯度與剪切力的關(guān)系為： （2-17）同樣，在x方向上有：（2-18）由于密封間隙在y方向的尺寸很小，因此假設(shè)在間隙高度h上壓力不變，故。對(duì)于粘性流體，由于其粘附作用，下列邊界條件成立：y=0,u=U1,w=W1; y=h,u=Y2,w=W2;在方程（2-17）和（2-18）中，分別對(duì)流動(dòng)速度u和w進(jìn)行積分，并應(yīng)用上面的邊界條件，則可得到密封間隙中流體的速度分布：（2-19）（2-20）式中，、流體在x方向和z方向的流動(dòng)速度，；間隙高度，；壓力，；、下固體表面上在x和z方向上的運(yùn)動(dòng)速度，；、上固體表面上在x和z方向上的運(yùn)動(dòng)速度，。2.3.2二維流動(dòng)不可壓縮流體必須滿

20、足如下連續(xù)性條件，如圖23所示。（2-21）如圖24所示，在密封間隙取一個(gè)微元體，則（2-21）可寫成如下形式： （2-22）當(dāng)y=h時(shí)，a0，u=Y2,w=W2，上式進(jìn)行積分并整理對(duì)于任意密封間隙高度，用解析的方法求解上述偏微分方程通常十分困難。對(duì)于特定的問題，方程可以進(jìn)行簡化。例如：密封表面時(shí)剛性的，且以速度U1=U沿著x軸方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)V1=0,W1=0；另一個(gè)剛性密封表面靜止不動(dòng)，即U2=0,V2=0,W2=0。這樣，雷諾方程可簡化為：式（2-28）廣泛應(yīng)用于動(dòng)密封和軸承間隙中的流動(dòng)分析。2.3.3一維軸對(duì)稱流動(dòng)（1） 圓管中的流動(dòng)一維軸對(duì)稱流動(dòng)是工程中常見的流動(dòng)形式，如流體通過圓形管

21、道的流動(dòng)、閥門閥桿與填料之間形成間隙中的流動(dòng)、活塞式壓縮機(jī)活塞環(huán)與氣缸壁間隙中的氣體的流動(dòng)、法蘭和墊片間環(huán)形間隙中的流體的流動(dòng)等。如圖25（a）所示，粘度為的流體在一直徑不變的水平圓管內(nèi)沿x方向作穩(wěn)定的層流運(yùn)動(dòng)，x軸為圓管中心線，管道入口處的壓力為，管道出口處的壓力為，管道長度為L，半徑為R，現(xiàn)在分析圓管中流體的速度分布并計(jì)算流過圓管的速率。采用與2.3.1.2節(jié)相同方法，考慮作用在微元體上的力在x方向上的平衡。如圖25（b）所示，取一個(gè)與圓管同軸線，半徑為r的微圓環(huán)流體，x方向上局部壓力梯度與剪切力的關(guān)系為：上式可簡化為： 由于壓力只是x的函數(shù)，而流動(dòng)關(guān)于x軸是對(duì)稱的，故u僅僅是r的函數(shù)。因

22、而，上式稱為微分方程：（2-29）且等式兩端都等于常數(shù)時(shí)才成立。積分上式得到：（2-30）現(xiàn)由邊界條件確定積分常數(shù)C。當(dāng)rR時(shí)，u=0，則,代入上式得到：（2-31）式中為沿單位管長的壓力變化，則可得到管內(nèi)層流的速度分布函數(shù)：（2-32）由上式可見，管內(nèi)的速度沿半徑方向按拋物線規(guī)律分布，其最大流速在管子軸心處，其值為：（2-33）由（2-32）可計(jì)算出流過管子的體積流率：（2-34）管內(nèi)的平均流速為：（2-35）比較（2-35）和（2-33）可以看出，管內(nèi)的平均流速等于管子中心流速的一半。（2） 平行圓板的流動(dòng)兩個(gè)靜止的平行圓板之間有一個(gè)高度為h的環(huán)狀間隙，由于壓力差（）的作用，流體通過間隙由

23、半徑為r1處流至外半徑為r2處，如圖26所示，流動(dòng)為穩(wěn)定的層流流動(dòng)。由于上下表面是靜止的，故U1=U2=0,由公式（2-19）可直接得到流速分布：（2-36）可見流速沿間隙高度h為拋物線分布。流體通過環(huán)狀間隙的流率為：（2-37）（3） 圓環(huán)間隙的流動(dòng)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軸與密封件之間的間隙可以看作軸對(duì)稱的環(huán)形間隙，如圖27所示。因?yàn)榄h(huán)隙高度沿整個(gè)圓周方向是固定不變的，則。因此，方程式（2-28）中各變量僅與x有關(guān)。 （2-38）將上式積分，得到：假定h*為處的環(huán)隙高度，則由上式可得到，這樣就可以得到關(guān)聯(lián)局部壓力梯度、環(huán)隙高度h、壁面運(yùn)動(dòng)速度U,流體粘度的一維雷諾方程：（2-39）設(shè)Q為體積流率，b為

24、環(huán)隙的周向長度，則：代入（2-39）得到：（2-40）上式中的第一項(xiàng)為壓力差對(duì)總流的貢獻(xiàn)，稱為壓力流；第二項(xiàng)是由于運(yùn)動(dòng)表面引起的剪切流對(duì)總流的貢獻(xiàn)。由壓力引起的流動(dòng)速度沿環(huán)隙高度h呈拋物線分布，剪切流引起的流動(dòng)速度呈線性分布，如圖27所示。下面討論幾種特殊形式的泄漏率方程，假定密封是剛性的。（1）同軸圓形環(huán)隙中的流動(dòng)如圖28表示一個(gè)同軸圓筒之間的環(huán)形間隙，間隙高度為h0，間隙寬度,間隙在流動(dòng)方向的長度為L,間隙出口壓力為p2，進(jìn)口壓力為p1，內(nèi)圓筒的運(yùn)動(dòng)速度為U。壓力梯度為：（2-41）代入（2-40）求得體積流率為：（2-42）如兩個(gè)邊界都是靜止的，則體積流率為：（2-43）式中，邊界禁止時(shí)

25、同軸圓形間隙中的體積流率，； 間隙寬度，m；h0間隙高度，m；D圓管直徑，m；壓力差，。（2）軸線平行的不同軸圓形環(huán)隙匯總的流動(dòng)在這種情況下，間隙沿軸線不變而圓周方向時(shí)不斷改變的，如果孔的軸線和軸的軸線的徑向距離為e，而平均間隙為h0=0.5(D-d),則相對(duì)偏心率為，相應(yīng)的體積流率為：（2-44）式中，軸線平行的不同軸圓形環(huán)隙中的體積流率，；相對(duì)偏心率。式中的Q0可由公式（2-43）計(jì)算。2.3.4軸線傾斜時(shí)圓環(huán)隙中的流動(dòng)在這種情況下流動(dòng)是二維的（x方向和z方向上的分量均存在），方程（2-28）無法直接積分。當(dāng)軸的傾斜度增大時(shí)，流率減小，在傾斜度最大時(shí)，如圖所示，其體積流率Qt近似等于同軸圓

26、形環(huán)隙中流率Q0的一半。Qt0.5Q 0 （2-45）從公式（2-44）、（2-45）可以看出，軸和孔的軸線是否平行對(duì)流動(dòng)的影響很大，從軸線完全傾斜到完全平行，其流率增加約5倍，因此，在應(yīng)用方程（2-43）時(shí)要特別注意環(huán)形間隙是否同軸。2.3.5流道出口處有障礙時(shí)的剪切流動(dòng)如圖211，有一個(gè)環(huán)狀間隙h0，一端壓力為p1,另一端由一個(gè)接觸式密封件密封。假設(shè)環(huán)狀間隙h0 為10um數(shù)量級(jí)，而接觸式密封的間隙為1um數(shù)量級(jí)，軸以速度U向密封件方向作軸向運(yùn)動(dòng)。由于剪切力效應(yīng)，流體向密封件方向運(yùn)動(dòng)，但由于密封件的阻礙，流體無法通過。此時(shí)流道中的總流量Q0。由（2-40）可得到間隙中的壓力梯度為：,可見，

27、壓力沿間隙線性增加，在密封件處達(dá)到最大值ps。在整個(gè)間隙長度L上對(duì)上式積分得到：（2-46）式中，ps 拖拽壓力，。上式表明，剪切流動(dòng)引起間隙中流體壓力增加，其幅度對(duì)間隙高度h0 比較敏感。2.3.6擠壓引起的流動(dòng)考慮兩個(gè)剛性壁面在y方向相互接近時(shí)壁面間隙中流體的流動(dòng)情況，如圖212所示，此時(shí)，方程（2-27）可簡化為：對(duì)于兩個(gè)平行的剛性壁面，其相互接近速度保持恒定的簡單情況，有： （2-48）根據(jù)對(duì)稱性，當(dāng)x0時(shí)，因此C=0，積分上式得到壓力隨時(shí)間的分布函數(shù)： （2-49）可以看出間隙中的壓力是與間隙高度h的三次方成反比。2.4可壓縮流體的薄膜流動(dòng)教學(xué)目標(biāo)及基本要求：(1)掌握亞音速氣體流動(dòng)

28、的流率及壓力分布計(jì)算；(2)掌握音速氣體流動(dòng)的流率計(jì)算。教學(xué)形式：講授學(xué)時(shí)安排：1學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)：二維流動(dòng)、一維軸對(duì)成流動(dòng)、圓環(huán)隙流動(dòng)、剪切流動(dòng)及擠壓流動(dòng)的流率計(jì)算及壓力分布計(jì)算。教學(xué)內(nèi)容：浮環(huán)密封和迷宮密封主要用于氣體或蒸汽等壓縮流體的軸的密封。氣體或蒸汽的流動(dòng)是可壓縮的，在流動(dòng)過程中存在壓力能和熱能的交換，引起流體溫度的變化，從而改變壓力的分布，進(jìn)而導(dǎo)致流率的改變。當(dāng)氣體以亞音速流過一個(gè)狹窄的縫隙時(shí)，有時(shí)可以假定其溫度是保持不變的，即流動(dòng)是等溫的。主要因?yàn)椋海?）認(rèn)為軸的材料是良好的導(dǎo)熱體，密封間隙很小，氣體流過整個(gè)密封間隙有充分的時(shí)間進(jìn)行熱交換，可認(rèn)為氣體的溫度和軸的表面溫度相同；（2）氣

29、體流動(dòng)中產(chǎn)生的摩擦熱近似地補(bǔ)償了由于氣體膨脹造成的熱量損失。2.4.1亞音速氣體的流動(dòng)流過一個(gè)直徑為D,長度為L，高度為h的環(huán)形間隙，當(dāng)軸處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，根據(jù)式（2-40）可得到一維層流狀態(tài)下流體的質(zhì)量流率：（2-50）對(duì)理想流體，有：,因此（2-51）當(dāng)溫度不變時(shí)，質(zhì)量流率為：（2-52）引入壓力比和壓差，則：（2-53）式中、進(jìn)出口氣體密度，；此時(shí)氣體的壓力降為：（2-54）對(duì)于流道出口處氣體流速為亞音速的紊流流動(dòng)，其質(zhì)量流率可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來估算：（2-55）2.4.2音速氣體的流動(dòng)如果壓力p1逐漸增加，當(dāng)它達(dá)到臨界壓力比時(shí)，在出口處氣體將達(dá)到音速，這里為質(zhì)量熱容比，如空氣的，如果出口

30、處達(dá)到音速后壓力p1繼續(xù)上升，那么質(zhì)量流量將會(huì)繼續(xù)增加，但氣體仍以音速流處密封間隙。出口壓力pe將隨進(jìn)口壓力增加而增加，以保持臨界壓力比為一恒定值。臨界壓力比的大小主要由流體的摩擦特性決定的，間隙的流動(dòng)阻力越大，越小，實(shí)際上是與雷諾數(shù)Re的函數(shù)。層流時(shí)氣體流過圓環(huán)形間隙的臨界壓力可以按如下公式計(jì)算。氣體在圓環(huán)形間隙出口處的質(zhì)量流率、流速和密度之間有如下關(guān)系：（2-57）氣體在間隙出口處的速度為：（2-58）當(dāng)出口處速度u2等于當(dāng)?shù)匾羲賣s時(shí)，壓力比達(dá)到臨界值，定義系數(shù)K為：（2-59）則臨界壓力比為：（2-60）對(duì)于1020um的間隙里的空氣流動(dòng)，其臨界壓力比約在0.10.2之間。對(duì)于圓環(huán)形間

31、隙中的氣體流動(dòng)，當(dāng)間隙高度較小時(shí)，其質(zhì)量流率可以按照下面的公式來計(jì)算：（2-61）式中，表示流動(dòng)系數(shù)。流動(dòng)系數(shù)和壓力比的關(guān)系曲線見教材P22，圖214。壓力比在臨界壓力比范圍內(nèi)，流動(dòng)系數(shù)可用如下公式計(jì)算：(2-62)式中，為流動(dòng)阻力系數(shù)，根據(jù)層流和紊流按照下面兩式計(jì)算：層流時(shí) (2-63)紊流時(shí) (2-64)3 過程設(shè)備和管道的靜密封本章框架：3.1墊片密封3.1.1前沿3.1.2中低壓設(shè)備和管道的墊片密封3.1.3高壓設(shè)備的法蘭連接3.2膠密封3.2.1帶壓注劑密封技術(shù)3.2.2帶壓粘接密封技術(shù)3.1墊片密封教學(xué)目標(biāo)及基本要求：(1) 了解墊片的定義、墊片密封的泄漏形式及密封機(jī)理；(2) 了

32、解法蘭連接標(biāo)準(zhǔn)、墊片的力學(xué)性能和密封性能；(3) 了解高壓設(shè)備密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與選用；(4) 掌握中低壓設(shè)備和管道的墊片密封的螺栓載荷計(jì)算；(5) 掌握典型高壓設(shè)備密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。教學(xué)形式：講授學(xué)時(shí)安排：7學(xué)時(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)：（1）墊片的力學(xué)性能和密封性能； （2）螺栓載荷計(jì)算；（3）典型高壓容器密封設(shè)計(jì)計(jì)算。教學(xué)內(nèi)容：3.1.1前言墊片密封時(shí)過程工業(yè)裝置中壓力容器、工藝設(shè)備、動(dòng)力機(jī)器和連接管道等可拆連接處最主要的靜密封型式。（1） 墊片的定義墊片是一種夾持在兩個(gè)獨(dú)立的連接件之間的材料或材料的組合，其作用是在預(yù)定的使用壽命內(nèi)，保持兩個(gè)連接件間的密封。如圖31所示的墊片密封的法蘭連接。圖示墊片密封一般

33、由連接件（如法蘭）、墊片和緊固件（如螺栓、螺母等）等組成。（2） 墊片密封的泄漏方式 界面泄漏：兩連接表面，即密封面存在粗糙度和變形，與墊片之間存在泄漏通道，由此產(chǎn)生的流體泄漏稱為界面泄漏，約占總泄漏量的8090。滲透泄漏：對(duì)非金屬材質(zhì)墊片，材料的微觀結(jié)構(gòu)存在微小縫隙或細(xì)微毛細(xì)管，具有一定壓力的流體容易通過它們滲漏出來，稱為滲透泄漏，占總泄漏量的1020。 吹出泄漏：夾緊墊片的總載荷較少到幾乎等于作用在接頭端部的流體靜壓力，導(dǎo)致了密封面的分離。這時(shí)若增加流體壓力，由可能在沿墊片徑向作用的流體壓力會(huì)將墊片撕裂，引起密封流體的大量泄漏，稱為吹出泄漏，屬于事故泄漏。（3） 密封機(jī)理a 初始密封即墊片

34、用于對(duì)兩個(gè)連接件密封面產(chǎn)生初始裝配密封和保持工作密封。產(chǎn)生初始密封的基本要求是壓縮墊片，使其與密封面間產(chǎn)生足夠的壓力，稱為預(yù)緊力，以防止介質(zhì)通過材料本身的滲透，同時(shí)保證墊片對(duì)連接件有足夠的順應(yīng)性，在受壓縮后的彈性變形能構(gòu)填塞密封面的變形和表面粗糙度，以堵塞界面泄漏的通道。 以螺栓為例，墊片應(yīng)力取決于螺栓的數(shù)量、擰緊螺栓的轉(zhuǎn)矩、螺栓系統(tǒng)的惡魔擦狀況和墊片的壓縮面積，即：M=KFd （31）或F=M/Kd (32)式中， M轉(zhuǎn)矩，； d螺栓的名義直徑，m； K系數(shù)，一般取0.160.2； F緊固力，N；墊片預(yù)緊應(yīng)力，；N螺栓數(shù)目；墊片壓縮面積，。b、工作密封當(dāng)初始?jí)|片應(yīng)力加在墊片上之后，它必須在裝

35、置的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)保持足夠的應(yīng)力，以維持允許的密封度。工作墊片應(yīng)力可用下式計(jì)算： (33)式中，工作墊片應(yīng)力，；p密封介質(zhì)壓力，；應(yīng)力衰減系數(shù)，<1； B介質(zhì)靜壓力作用面積，。教材圖33的曲線表示上述兩個(gè)過程中墊片的應(yīng)力與變形的關(guān)系。圖中和分別對(duì)應(yīng)預(yù)緊至?xí)r的壓縮量和工作時(shí)下的彈回量。3.1.2中低壓設(shè)備和管道的墊片密封一、法蘭連接設(shè)計(jì)的一般考慮 法蘭連接是過程裝備中低壓設(shè)備、管道和閥門中應(yīng)用最廣泛的可拆連接。設(shè)計(jì)法蘭的密封系統(tǒng)要滿足下面要求。完整性整個(gè)結(jié)構(gòu)的機(jī)械或熱應(yīng)力必須在材料允許范圍內(nèi)；密封性墊片應(yīng)力必須使整個(gè)接頭的泄漏率在允許范圍內(nèi)。上述條件須滿足下列載荷條件： 初始擰緊螺栓時(shí)的裝配或

36、預(yù)緊載荷； 1.25或1.5倍設(shè)計(jì)壓力的腋芽實(shí)驗(yàn)載荷； 正常操作載荷（例如壓力和溫度載荷）。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，還必須考慮到： 其它外載荷，如軸向或彎曲載荷； 螺栓預(yù)緊力的不確定性； 瞬時(shí)熱沖擊，如驟然加熱或冷卻； 因循環(huán)載荷引起的疲勞； 腐蝕將減小材料的有效厚度； 蠕變，包括法蘭、螺栓和墊片的蠕變，所有都將減少墊片應(yīng)力。二、法蘭連接標(biāo)準(zhǔn) 法蘭是通用的機(jī)械零件，對(duì)常用的法蘭已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。（1） 法蘭類型按用途分為容器法蘭和管道法蘭；按密封面寬窄分為款面法蘭和窄面法蘭；按制造材料分為金屬法蘭和非金屬法蘭；根據(jù)形式分為圓形、矩形、橢圓形；按與容器或管道的連接方式分為焊接法蘭和非焊接法蘭。按照國際標(biāo)準(zhǔn)化將法

37、蘭分為11類，如下表：典型法蘭結(jié)構(gòu)如圖34所示。（2） 法蘭密封面型式法蘭密封面的型式與大小和墊片的型式、使用場(chǎng)合和工作條件有關(guān)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將法蘭密封面分為9種，按著墊片外周邊是否受到約束，分為約束、半約束、無約束和自緊式類型，如表32，常用的幾種結(jié)構(gòu)間圖35所示。無約束指緊固螺栓時(shí)，墊片在法蘭密封面間可自由向內(nèi)或向外移動(dòng)。半約束的凹凸密封面形式，使墊片免于遭受吹出的危險(xiǎn)。有約束的環(huán)連接面適用于壓力、溫度有波動(dòng)，對(duì)介質(zhì)密封性要求較高的場(chǎng)合。自緊式的密封面，主要用于金屬或彈性體O形環(huán)的密封，依靠工作時(shí)的壓力擠壓O形環(huán)變形達(dá)到密封目的。（3） 法蘭密封面的表面性質(zhì) 法蘭密封面的表面形貌或表面積

38、織構(gòu)對(duì)法蘭接頭的密封有效性影響最大。表面形貌包括表面粗糙度和表面波紋度，其中表面粗糙度時(shí)表面形貌的最重要特征。常用表面輪廓的算術(shù)平均值評(píng)定表面粗糙度，管法蘭密封面粗糙度的要求見教材表33。（4） 法蘭的標(biāo)準(zhǔn)和選用原則法蘭標(biāo)準(zhǔn)分為容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)與管道法蘭標(biāo)準(zhǔn)。a .容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)我國的國家容器法蘭標(biāo)準(zhǔn)為JB-4700-4707-1992壓力容器法蘭，給出了甲型平焊法蘭、乙型平焊法蘭和長頸對(duì)焊法蘭等三種法蘭的分類、技術(shù)條件、結(jié)構(gòu)等。b .管道法蘭標(biāo)準(zhǔn)國外管道法蘭標(biāo)準(zhǔn)有兩類，歐洲和美洲體系，歐洲體系的公稱壓力以pN標(biāo)示，美洲體系以Class標(biāo)示。下表是兩體系的負(fù)載對(duì)應(yīng)關(guān)系。同樣，標(biāo)準(zhǔn)種的直徑尺寸有DN和

39、NPS兩種，前者稱為公稱通徑，后者稱為名義管子直徑，兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：國內(nèi)管法蘭的標(biāo)準(zhǔn)比較多，主要有：國家標(biāo)準(zhǔn)鋼制管法蘭、化工標(biāo)準(zhǔn)鋼制管法蘭、墊片、緊固件、石化標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)等，其中化工標(biāo)準(zhǔn)包含了上述的歐洲和美洲體系的內(nèi)容。c 標(biāo)準(zhǔn)法蘭的選用 選擇根據(jù)：容器或管道的公稱直徑、公稱壓力、工作溫度、介質(zhì)性質(zhì)以及法蘭材料。三、墊片（1）墊片的一般結(jié)構(gòu)墊片的一般結(jié)構(gòu)如圖37所示。件b是密封元件，其作用是阻止泄漏。其常用的結(jié)構(gòu)材料為非金屬材料，也可以是剛性或柔性金屬，通常用于壓力較高的場(chǎng)合。對(duì)非金屬密封元件，可以插入金屬材料e來增強(qiáng)。密封元件可以增加一表面層d或抗粘結(jié)處理層f來增加密封效果和防止與密封

40、面粘結(jié)，密封墊片的應(yīng)力也取決于此表面層。外環(huán)c有如下幾個(gè)作用：a 幫助密封元件對(duì)中；b 防止密封元件過分壓縮；c 防止墊片吹出和減少法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)等。外環(huán)材料一般為實(shí)心金屬。內(nèi)環(huán)a有如下作用：a 防止無內(nèi)環(huán)的密封元件因沿墊片內(nèi)圈的剛性不足發(fā)生向內(nèi)屈曲；b 填補(bǔ)密封件與管道或容器內(nèi)孔之間的空隙，避免此空隙干擾流體的流動(dòng)和由此引起流體對(duì)墊片的沖蝕。因內(nèi)環(huán)接觸流體，所有其材料一般是耐腐蝕的。（2）墊片的基本類型a 非金屬絕大多數(shù)墊片或者是非金屬墊片，或者是金屬與非金屬組合墊片，因此，非金屬材料是墊片的最基本的構(gòu)成材料。非金屬墊片的分類如下： 按組成墊片的基本組分可分為七類：植物類；動(dòng)物類；礦物類；橡膠類；

41、合成樹脂類；石磨質(zhì)；短纖維增強(qiáng)彈性體。 按目前工業(yè)上常用的墊片板材品種分類：橡膠墊片（彈性體板）；石棉橡膠墊片；無石棉橡膠墊片；聚四氟乙烯墊片；聚四氟乙烯包覆墊片；柔性石磨墊片。常用的非金屬軟墊片及使用范圍見表34。a、 非金屬墊片非金屬墊片的優(yōu)點(diǎn)眾多，其主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度不高、回彈性差、不適合高壓、高溫場(chǎng)合，結(jié)合金屬的特點(diǎn)，形成將兩者組合結(jié)構(gòu)的墊片，即半金屬墊片。常用的半金屬墊片如表35所示。b、 金屬墊片對(duì)于高溫、高壓及載荷循環(huán)等苛刻條件下，金屬材料仍是密封墊片的首選材料。常見的金屬墊片及使用條件見教材P34表37。（3）墊片的重要性能 選擇和設(shè)計(jì)螺栓法蘭連接需要表征墊片力學(xué)行為和密封行為的若

42、干特征性能，下面對(duì)這兩種性能進(jìn)行介紹。a、墊片的力學(xué)性能對(duì)墊片試樣進(jìn)行壓縮或拉伸試驗(yàn)，得到試樣的載荷變形曲線，曲線的形狀特征表征著墊片的力學(xué)行為，如壓縮率、回彈率、壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度等。通過其它的試驗(yàn)如蠕變松弛試驗(yàn)、吹出試驗(yàn)等，可以獲得蠕變松弛率、p×T，吹出抗力等力學(xué)性能。載荷變形行為：墊片的載荷變形關(guān)系用墊片應(yīng)力與該應(yīng)力墊片變形來表示，如教材圖33。通過圖33可以看出墊片應(yīng)力與墊片變形有如下關(guān)系。 墊片通常不完全是彈性的，與不是單一的彈性響應(yīng)關(guān)系，呈非線性，圖中表現(xiàn)出的滯回曲線的特征，即存在殘余變形。 不同材質(zhì)和類型墊片的與具有不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 與的關(guān)系受溫度影響。壓縮性和回彈性

43、：壓縮性指初始?jí)嚎s后墊片厚度的改變量，表征了墊片剛性的大小，壓縮率用公式34表示。回彈性指當(dāng)壓縮載荷卸除后，墊片厚度的回復(fù)量，回彈率用公式35表示。 （34） （35）式中，壓縮率，； R回彈率，；墊片的原始厚度，mm；墊片在規(guī)定載荷下的厚度，mm；墊片在虎伏載荷下的厚度，mm。說明： 不同材料和結(jié)構(gòu)形式的壓縮率和回彈率都不相同，并且受到溫度、厚度和墊片應(yīng)力的影響。 墊片寫在回復(fù)曲線的斜率越大，墊片的彈性補(bǔ)償能力越強(qiáng)，應(yīng)力損失越小。拉伸強(qiáng)度：墊片主要受到壓縮作用，但是必須具備基本的拉伸強(qiáng)度。如表38所示。具有拉伸強(qiáng)度是墊片發(fā)生吹出時(shí)不會(huì)發(fā)生拉伸撕裂的需要。壓縮強(qiáng)度：壓縮強(qiáng)度表示壓潰墊片的極限載

44、荷，與工作溫度和墊片厚度有關(guān)。一般說來，工作溫度越高、厚度越大，壓縮強(qiáng)度越低。不同構(gòu)造材料和形式的墊片壓縮強(qiáng)度不一樣。吹出抗力：墊片吹出的原因：墊片與法蘭密封面間的摩擦力抵抗不住密封介質(zhì)的徑向壓力。從圖310可以得到如下的約束關(guān)系。蠕變松弛行為：應(yīng)力松弛：當(dāng)施加螺栓載荷時(shí)，墊片的厚度由于應(yīng)力作用減薄，但運(yùn)行一端時(shí)間后，墊片厚度將繼續(xù)較小，墊片上的應(yīng)力也將減少，這就是應(yīng)力松弛。墊片的應(yīng)力松弛使應(yīng)力松弛和蠕變兩個(gè)主要因素的聯(lián)合作用。蠕變：恒應(yīng)力下應(yīng)變的改變，它以初始載荷下墊片厚度的百分率表示。松弛：恒應(yīng)變下應(yīng)力的改變，它以初始載荷下應(yīng)變變化的百分率表示。對(duì)螺栓-墊片-法蘭載荷系統(tǒng)，墊片蠕變不發(fā)生在

45、恒應(yīng)力下，墊片厚度的改變引起螺栓伸長，同時(shí)改變了墊片應(yīng)力，把這種墊片與螺栓的相互作用稱為墊片的蠕變松弛。表示墊片蠕變松弛性能的兩種方法：一是按照螺栓伸長改變量表示墊片應(yīng)力的變化，以蠕變松弛率表示；二是直接測(cè)量蠕變前后墊片應(yīng)力變化，以應(yīng)力松弛率比表示，兩者以如下公式表示。 （37）裝配時(shí)螺栓有效長度內(nèi)的初始伸長量，mm；墊片蠕變后螺栓初始伸長量的變化量，mm； （38）式中，初始?jí)嚎s的墊片應(yīng)力，Mpa； 蠕變后殘留的墊片應(yīng)力，Mpa。p×T 墊片材料有最高使用溫度和最高使用壓力，一般不能在最高溫度和最高壓力下同時(shí)使用，因此常用p×T表示材料最大使用壓力和最高使用溫度的匹配關(guān)系

46、，如表38列出了部分墊片材料的p×T值。b 墊片的高溫力學(xué)性能高溫對(duì)墊片有不利影響：使墊片力學(xué)性能發(fā)生劣化，大多數(shù)橡膠粘結(jié)石棉或非石棉纖維材料遇到高溫會(huì)發(fā)生分解、粉化或永久變形，最高使用壓力隨溫度增加而降低；高溫增加了墊片的蠕變松弛；高溫改變了墊片的熱膨脹或收縮性能，從而改變其應(yīng)力，影響密封性能。c 墊片的密封性能通過試驗(yàn)測(cè)試墊片在常溫或高溫下的泄漏率來表征介質(zhì)通過墊片本身和墊片與密封面間的密封性能。如圖312所示。除了裝配墊片應(yīng)力外，影響墊片密封性能的主要音速還有介質(zhì)性質(zhì)、壓力、法蘭密封面的粗糙度等。法蘭密封面的粗糙度對(duì)金屬墊片的影響較大?？梢杂梅Q為緊密性參數(shù)Tp與墊片應(yīng)力關(guān)聯(lián)起來

47、，如圖313所示，Tp綜合了試驗(yàn)介質(zhì)壓力和泄漏率的關(guān)系，該圖包含了密封壓力、泄漏率、試驗(yàn)介質(zhì)和墊片應(yīng)力等諸多因素對(duì)墊片密封性能的影響。（4）墊片應(yīng)力在設(shè)計(jì)墊片中要注意幾個(gè)應(yīng)力概念。a 最小裝配墊片應(yīng)力，即墊片應(yīng)力的下限值：當(dāng)密封流體壓力為0時(shí)，墊片應(yīng)力的作用是使墊片材料發(fā)生彈性變形，以堵塞上下密封面幾何形狀偏差形成的泄漏通道，這時(shí)墊片應(yīng)力為室溫下的最小墊片應(yīng)力，稱為屈服系數(shù)或最小設(shè)計(jì)預(yù)警應(yīng)力，但在實(shí)際上不可能在0壓力下測(cè)量該值，在標(biāo)準(zhǔn) 測(cè)試方法中，取0.14bar作為該0壓力。實(shí)際應(yīng)用中，一般取一下限墊片應(yīng)力值，即在此墊片應(yīng)力以上，墊片載荷壓縮曲線呈線性關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用，裝配墊片應(yīng)力一定要超過

48、該值。b 最大裝配墊片應(yīng)力，即墊片應(yīng)力上限值。目的（1）保證墊片工作在允許泄漏率內(nèi)，因?yàn)槟承|片在很高應(yīng)力下，當(dāng)應(yīng)力發(fā)生改變時(shí)，對(duì)泄漏十分敏感；（2）防止過渡壓縮墊片引起機(jī)械損壞。c 設(shè)計(jì)裝配應(yīng)力：（39）式中，達(dá)到額定泄漏率時(shí)所需要的墊片應(yīng)力；因流體壓力作用使墊片應(yīng)力下降的數(shù)量，是確定流體軸向力的面積， 是墊片密封部分的面積。因此，為了避免在室溫裝配條件下墊片發(fā)生機(jī)械損壞，要求：在高溫條件下，要求：d 墊片應(yīng)力的松弛作用在墊片上的應(yīng)力，隨時(shí)間的推移，都將有不同程度上的降低，即發(fā)生蠕變松弛。墊片的蠕變松弛會(huì)引起應(yīng)力下降，在設(shè)計(jì)階段需要考慮追加可能損失掉的這部分應(yīng)力，式39變成：（310）為蠕變

49、松弛引起的墊片應(yīng)力的減少，與材料和溫度有關(guān)系。e 熱膨脹和熱滯后引起的墊片應(yīng)力下降墊片、法蘭和螺栓之間熱膨脹的順從性對(duì)墊片尤其是金屬墊片的應(yīng)力有重要影響。如果變形不一致，將會(huì)引起較大的徑向橫剪力；如果膨脹或冷卻不協(xié)調(diào)，則會(huì)引起較大的應(yīng)力波動(dòng)，發(fā)生瞬時(shí)泄漏。f 實(shí)際螺栓載荷的不確定性 在螺栓擰緊過程中，有較多因素影響螺栓載荷，而且又要使裝配墊片應(yīng)力滿足在最低裝配應(yīng)力和最高裝配應(yīng)力之間。解決不確定性的辦法是采用能精確控制螺栓轉(zhuǎn)矩的工具。（5）墊片材料的選擇選擇墊片材料要考慮以下因素。a 易發(fā)揮有機(jī)物的逸出要求，必須滿足對(duì)健康和環(huán)保的要求。b 介質(zhì)，墊片應(yīng)在過程中不受密封介質(zhì)的影響，尤其是化學(xué)腐蝕性

50、、氧化性和滲透性。c 溫度，墊片在最高或最低的工作溫度下有合理的使用壽命。d 壓力，墊片必須能承受最大的工作壓力。e 法蘭密封面粗糙度，不同材料對(duì)法蘭粗糙度的要求見教材表310。f 其它考慮因素，包括循環(huán)載荷、振動(dòng)、磨損、污染物質(zhì)、法蘭腐蝕、安全性及經(jīng)濟(jì)性。(6)墊片尺寸選擇的一般原則a 盡可能選擇薄的墊片墊片的厚度要求與其形式、材料、直徑、密封面的加工狀況和密封介質(zhì)有關(guān)。對(duì)非金屬板狀墊片，抵抗松弛能力隨厚度增加而減弱，薄墊片與密封介質(zhì)接觸的面積少，沿墊片本體的滲透減少。非金屬板狀墊片厚度選擇參考表311。b 盡可能選擇較窄的墊片在同樣載荷下，墊片寬度越窄，墊片應(yīng)力越高，密封壓力越高，但應(yīng)不倍

51、壓裂或吹出，一般板狀墊片可根據(jù)公稱直徑和公稱壓力選取，如圖317所示。c不要讓墊片的內(nèi)徑深入管道內(nèi)，也沒有必要過分增加墊片的外徑，前者導(dǎo)致管內(nèi)流體介質(zhì)沖刷墊片，可能損害墊片；后者可能因受環(huán)境腐蝕，損害墊片。四、螺栓載荷的計(jì)算法蘭連接的接頭主要取決于其裝備應(yīng)力和工作應(yīng)力是否滿足要求，法蘭連接計(jì)算的最主要任務(wù)是：a 決策應(yīng)力水平：裝配或預(yù)緊螺栓載荷；b 應(yīng)力分析：任何狀態(tài)下，法蘭連接的各個(gè)零件的應(yīng)力必須在材料的允許范圍內(nèi)；c 緊密性：法蘭連接達(dá)到規(guī)定的泄漏率或密封度要求。傳統(tǒng)的計(jì)算螺栓載荷的方法是理論假設(shè)、簡化計(jì)算及工程經(jīng)驗(yàn)，目前有比較精確的應(yīng)力解析或數(shù)值計(jì)算方法。（1）中國壓力容器規(guī)范的方法計(jì)算

52、螺栓載荷步驟：a 確定操作工況下需要的最小螺栓載荷 ； b 確定預(yù)緊墊片需要的最小螺栓載荷； c 由和確定需要的最小螺栓面積，即： （311）、為螺栓材料在室溫和操作溫度下的需用應(yīng)力。d 由需要的最小螺栓面積和實(shí)際螺栓面積決定設(shè)計(jì)預(yù)緊載荷： （314）e 決定設(shè)計(jì)操作載荷 （314）（2）Whalen的簡化方法簡化：給予墊片最小預(yù)緊力和密封介質(zhì)端部流體靜壓力，不考慮表面粗糙度。a 計(jì)算預(yù)警螺栓的總載荷 （315）式中，螺栓總載荷，N； 墊片最小預(yù)緊力，Mpa； 墊片接觸面積，D和d分別是墊片的外直徑和內(nèi)直徑。b 計(jì)算端部流體靜壓力 （316）式中，流體端部靜壓力，N；介質(zhì)壓力，Mpa；介質(zhì)內(nèi)力

53、作用面積，通?？扇|片的平均直徑，；K安全系數(shù)，見表313。（3）螺栓裝配轉(zhuǎn)矩的確定方法目前常用的是使用轉(zhuǎn)矩控制螺栓裝配，但是螺栓的轉(zhuǎn)矩和加在墊片上的夾緊力之間的關(guān)系比較復(fù)雜。研究表明大約有76個(gè)變量影響兩者之間的關(guān)系，以至螺栓的預(yù)緊載荷存在很大的分散性和不確定性，見表314。研究表明作用在螺栓上的轉(zhuǎn)矩只有10至15轉(zhuǎn)換為螺栓的伸長或夾緊力，其余都消耗在螺母與支撐面及螺紋之間的摩擦上。在緊固一組螺栓時(shí)，必須考慮道螺栓之間的彈性交互作用，通常的解決方法是按照規(guī)定的次序逐次交叉上緊，可以縮小各螺栓之間載荷或伸長的不均衡；另外一種方法是同時(shí)擰緊所有的螺栓。五、墊片密封設(shè)計(jì)新方法上述設(shè)計(jì)方法已經(jīng)沿用了50多年，下面介紹一種改進(jìn)方法：PVRC法。PVRC法和原來的方法比較，在法蘭應(yīng)力分析和評(píng)定方法上基本保持不變，增加了如下一些新內(nèi)容：a 使用接頭密封度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；b 采用基于泄漏率的墊片常數(shù)和相應(yīng)的計(jì)算方法確定螺栓預(yù)緊載荷；c 對(duì)法蘭港對(duì)提出要求；d 考慮作用在螺栓法蘭連接上的外力和外力矩；e 修改螺栓設(shè)計(jì)面積和螺栓操作載荷的定義；f 考慮如多程管殼式換熱器中隔板上的墊片載荷對(duì)螺栓載荷的影響。（1）緊密性參數(shù)PVRC