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：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)生運用基本的理論知識來理解和掌握各種流體密封裝置的原理、結(jié)構(gòu)特點、設(shè)計方法和選用原則，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

2、密封的主要內(nèi)容和最新進(jìn)展。重點闡述密封的基本概念、流體密封理論、動、靜密封技術(shù)以及泄漏檢測技術(shù)。五、課程框架及學(xué)時安排：課程內(nèi)容分為5章，32學(xué)時，內(nèi)容框架及學(xué)時分布如下：1 概論（2學(xué)時）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（4學(xué)時）2.1 引言2.2 分子流（1學(xué)時）2.3 不可壓縮流體的層流（2學(xué)時）2.4可壓縮流體的薄膜流動（1學(xué)時）3 過程設(shè)備和管道的靜密封（10學(xué)時）3.1墊片密封（6學(xué)時）3.2膠密封 （4學(xué)時）4 過程機(jī)械的動密封（10學(xué)時）4.1接觸密封 （6學(xué)時）4.2非接觸轉(zhuǎn)軸密封（4學(xué)時）5

3、泄漏監(jiān)測技術(shù)（6學(xué)時）5.1引言（1學(xué)時）5.2檢測的方法和分類（1學(xué)時）5.3壓力檢測法（2學(xué)時）5.4真空檢測法（2學(xué)時）六、考試及成績評定考試為閉卷考試。成績計算方法：平時成績占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)時安排：2學(xué)時重點難點：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價機(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（1）、廣泛性：化工設(shè)備機(jī)器復(fù)雜、管路眾多，密封點多。（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)對密封的腐蝕、摩擦

6、副端面的磨損，工作溫度和壓力的波動，機(jī)械振動或沖擊，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）：用來評價密封的有效性，用被密封的流體在單位時間內(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，密封度是一個相對的概念。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、泄漏的分級與定義：泄漏級別定義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或更長的時間滴漏1滴。5以5min或更短的時間滴漏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儀器測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：沒有相對運動或相對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、動密封：彼此有相對運動的接合面間的密封稱為動密封。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現(xiàn)兩表面與外加元件的之間的緊密配合。（3）利用流體動壓或靜壓力、磁場等作用，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:在動密封中，兩個相對運動的接觸表面，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)接觸表面作相對運動時，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。對動密封而言，摩擦、磨損和密封都與固體的表面性質(zhì)和密封摩擦相對運動的摩擦狀態(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。實驗得到的密封準(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） 磨損是一個多階段的過程，是時間的函數(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)計合理非接觸密封等。2 流體在密封間隙中的流動本章框架：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 2.3.3一維軸對稱流動 2.3.4軸線傾斜時圓環(huán)隙中的流動

11、 2.3.5流道出口處有障礙時的剪切流動 2.3.6擠壓引起的流動2.4可壓縮流體的薄膜流動 2.4.1亞音速氣體的流動2.4.2音速氣體的流動2.1引言流體密封中,許多性能都取決于流體流過密封(面)間隙的流動狀態(tài)和流動阻力。流體在狹窄間隙中的流動主要表現(xiàn)維分子流和粘性流,對氣體介質(zhì)來說,其流動特征可用克努森數(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，氣體分子的平均自由程大于泄漏通道的特征尺寸，流動阻力主要時氣體分子與流道壁面之間的碰撞，氣體分子的運動可認(rèn)為是獨立的，這種流動稱為分子流。當(dāng)0.011時，氣體分子的

12、平均自由程與泄漏通道的特征尺寸有相同的數(shù)量級，流動特征與氣體分子間的運動、氣體分子與流道壁面之間的碰撞都有關(guān)系，氣體傳動處于過渡流區(qū)域，對流動的分析為半經(jīng)驗的。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)時安排：2學(xué)時重點難點：(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于長度為、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，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

13、，；流率，；氣體分子的平均速度，；可由下式計算：(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)對于一個半徑為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)對于一個邊長分別為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)對于一個長、短半徑分別為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

14、分子流考慮一個等溫容器，其中有壓力為的低壓氣體，容器上有一個穿透小孔，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算： （2-11）對于半徑為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，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：對于短圓管，即，由長圓管計算得到的流率偏小，由圓孔計算得到的流率偏大，即上述（2-12）和（2-6）不適合用于短圓管的流率計算的。短圓管的流率計算通常采用下面的近似公式： （2-14

15、）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)的計算及流動狀態(tài)的判斷；(2)掌握二維流動、一維軸對成流動、圓環(huán)隙流動、剪切流動及擠壓流動的流率計算及壓力分布計算。教學(xué)形式：講授學(xué)時安排：2學(xué)時重點難點：二維流動、一維軸對成流動、圓環(huán)隙流動、剪切流動及擠壓流動的流率計算及壓力分布計算。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阻力，密封間隙里的流動主要表現(xiàn)為分子流和粘性流。當(dāng)粘性流在流體中占主要地位時，流動表現(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不會減弱，并且會突然轉(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

16、數(shù)。1、 雷諾數(shù)和流動狀態(tài)密度為、動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，；流體動力粘度，；流體平均速度，；流體的運動粘度，。上式也可以寫成，這表明，雷諾數(shù)為流體運動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)點發(fā)生亂運動的擾動，使流體保持平靜的層流狀態(tài)；大表明流體中粘性力相對慣性力較小，慣性力容易使流體質(zhì)點發(fā)生亂運動，使流體呈現(xiàn)紊亂狀態(tài)，由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r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，還取決于流動中存在的擾動。擾動小時，容易被流體的粘性所削弱，流動易處于層流狀態(tài)；擾動大時

17、，則不容易被流體的粘性所削弱，流動易處于紊流狀態(tài)。但當(dāng)時，擾動總會被削弱。對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)驗可知，當(dāng)超過臨界值：20004000時，密封間隙的流動將轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳎绻芊饷孑^為粗糙，特別是當(dāng)密封面開槽時，在雷諾數(shù)小于5001000時，密封間隙的流動也會很快轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?；如果密封間隙很小，尤其當(dāng)間隙小于10時，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，必須解決兩個問題：流體在密封間隙中的壓力分布，由此可計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可以通過雷諾方程來描述。圖

18、21表示一個高度為的間隙密封，間隙上下固體表面分別以速度U1,V1,W1和U2,V2,W2運動。在流體中取一個微小的單元體，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，假定整個過程的粘度為常數(shù)。考慮到作用在（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

19、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，分別對流動速度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方向的流動速度，；間隙高度，；壓力，；、下固體表面上在x和z方向上的運動速度，；、上固體表面上在x和z方向上的運動速度，。2.3.2二維流動不可壓縮流體必須滿足如下連續(xù)性條件，如圖23所示。（2-21）如圖24所示，在密封間隙取一個微元體，則（2-21）可寫成如下形式： （2-22）當(dāng)y=h時，a0，u=Y2,w=W2，上式

20、進(jìn)行積分并整理對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。對于特定的問題，方程可以進(jìn)行簡化。例如：密封表面時剛性的，且以速度U1=U沿著x軸方向運動，此時V1=0,W1=0；另一個剛性密封表面靜止不動，即U2=0,V2=0,W2=0。這樣，雷諾方程可簡化為：式（2-28）廣泛應(yīng)用于動密封和軸承間隙中的流動分析。2.3.3一維軸對稱流動（1） 圓管中的流動一維軸對稱流動是工程中常見的流動形式，如流體通過圓形管道的流動、閥門閥桿與填料之間形成間隙中的流動、活塞式壓縮機(jī)活塞環(huán)與氣缸壁間隙中的氣體的流動、法蘭和墊片間環(huán)形間隙中的流體的流動等。如圖25（a）所示，粘度為的流體在一直

21、徑不變的水平圓管內(nèi)沿x方向作穩(wěn)定的層流運動，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)，而流動關(guān)于x軸是對稱的，故u僅僅是r的函數(shù)。因而，上式稱為微分方程：（2-29）且等式兩端都等于常數(shù)時才成立。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，u=0，則,代入上式得到：（2-31）式

22、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） 平行圓板的流動兩個靜止的平行圓板之間有一個高度為h的環(huán)狀間隙，由于壓力差（）的作用，流體通過間隙由半徑為r1處流至外半徑為r2處，如圖26所示，流動為穩(wěn)定的層流流動。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

23、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)間隙的流動作往復(fù)運動的軸與密封件之間的間隙可以看作軸對稱的環(huán)形間隙，如圖27所示。因為環(huán)隙高度沿整個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、壁面運動速度U,流體粘度的一維雷諾方程：（2-39）設(shè)Q為體積流率，b為環(huán)隙的周向長度，則：代入（2-39）得到：（2-40）上式中的第一項為壓力差對總流的貢獻(xiàn)，稱為壓力流；第二項是由于運動表面引起的剪切流對總流的貢獻(xiàn)。由壓力引起的流動速度

24、沿環(huán)隙高度h呈拋物線分布，剪切流引起的流動速度呈線性分布，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)隙中的流動如圖28表示一個同軸圓筒之間的環(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)圓筒的運動速度為U。壓力梯度為：（2-41）代入（2-40）求得體積流率為：（2-42）如兩個邊界都是靜止的，則體積流率為：（2-43）式中，邊界禁止時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)隙匯總的流動在這種情況下，間隙沿軸線不變而圓周方向時

25、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，；相對偏心率。式中的Q0可由公式（2-43）計算。2.3.4軸線傾斜時圓環(huán)隙中的流動在這種情況下流動是二維的（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，流率減小，在傾斜度最大時，如圖所示，其體積流率Qt近似等于同軸圓形環(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流動的影響很大，從軸線完全傾斜到完全平行，其流率增

26、加約5倍，因此，在應(yīng)用方程（2-43）時要特別注意環(huán)形間隙是否同軸。2.3.5流道出口處有障礙時的剪切流動如圖211，有一個環(huán)狀間隙h0，一端壓力為p1,另一端由一個接觸式密封件密封。假設(shè)環(huán)狀間隙h0 為10um數(shù)量級，而接觸式密封的間隙為1um數(shù)量級，軸以速度U向密封件方向作軸向運動。由于剪切力效應(yīng)，流體向密封件方向運動，但由于密封件的阻礙，流體無法通過。此時流道中的總流量Q0。由（2-40）可得到間隙中的壓力梯度為：,可見，壓力沿間隙線性增加，在密封件處達(dá)到最大值ps。在整個間隙長度L上對上式積分得到：（2-46）式中，ps 拖拽壓力，。上式表明，剪切流動引起間隙中流體壓力增加，其幅度對間

27、隙高度h0 比較敏感。2.3.6擠壓引起的流動考慮兩個剛性壁面在y方向相互接近時壁面間隙中流體的流動情況，如圖212所示，此時，方程（2-27）可簡化為：對于兩個平行的剛性壁面，其相互接近速度保持恒定的簡單情況，有： （2-48）根據(jù)對稱性，當(dāng)x0時，因此C=0，積分上式得到壓力隨時間的分布函數(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教學(xué)目標(biāo)及基本要求：(1)掌握亞音速氣體流動的流率及壓力分布計算；(2)掌握音速氣體流動的流率計算。教學(xué)形式：講授學(xué)時安排：1學(xué)時重點難點：二維流動、一維軸對成流動、圓環(huán)隙流動、剪切流動及擠壓流動的流率計算及壓力

28、分布計算。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。氣體或蒸汽的流動是可壓縮的，在流動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狹窄的縫隙時，有時可以假定其溫度是保持不變的，即流動是等溫的。主要因為：（1）認(rèn)為軸的材料是良好的導(dǎo)熱體，密封間隙很小，氣體流過整個密封間隙有充分的時間進(jìn)行熱交換，可認(rèn)為氣體的溫度和軸的表面溫度相同；（2）氣體流動中產(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亞音速氣體的流動流過一個直徑為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，根據(jù)式（2-4

29、0）可得到一維層流狀態(tài)下流體的質(zhì)量流率：（2-50）對理想流體，有：,因此（2-51）當(dāng)溫度不變時，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，；此時氣體的壓力降為：（2-54）對于流道出口處氣體流速為亞音速的紊流流動，其質(zhì)量流率可用下面的經(jīng)驗公式來估算：（2-55）2.4.2音速氣體的流動如果壓力p1逐漸增加，當(dāng)它達(dá)到臨界壓力比時，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，如果出口處達(dá)到音速后壓力p1繼續(xù)上升，那么質(zhì)量流量將會繼續(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

30、由流體的摩擦特性決定的，間隙的流動阻力越大，越小，實際上是與雷諾數(shù)Re的函數(shù)。層流時氣體流過圓環(huán)形間隙的臨界壓力可以按如下公式計算。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，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）對于1020um的間隙里的空氣流動，其臨界壓力比約在0.10.2之間。對于圓環(huán)形間隙中的氣體流動，當(dāng)間隙高度較小時，其質(zhì)量流率可以按照下面的公式來計算：（2-61）式中，表示流動系數(shù)。流動系數(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

31、比范圍內(nèi)，流動系數(shù)可用如下公式計算：(2-62)式中，為流動阻力系數(shù)，根據(jù)層流和紊流按照下面兩式計算：層流時 (2-63)紊流時 (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算；(5) 掌握典型高壓設(shè)備密封結(jié)

32、構(gòu)設(shè)計計算。教學(xué)形式：講授學(xué)時安排：7學(xué)時重點難點：（1）墊片的力學(xué)性能和密封性能； （2）螺栓載荷計算；（3）典型高壓容器密封設(shè)計計算。教學(xué)內(nèi)容：3.1.1前言墊片密封時過程工業(yè)裝置中壓力容器、工藝設(shè)備、動力機(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獨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

33、流體泄漏稱為界面泄漏，約占總泄漏量的8090。滲透泄漏：對非金屬材質(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。這時若增加流體壓力，由可能在沿墊片徑向作用的流體壓力會將墊片撕裂，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 初始密封即墊片用于對兩個連接件密封面產(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，同時保證

34、墊片對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)初始墊片應(yīng)力加在墊片上之后，它必須在裝置的設(shè)計壽命內(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，

35、。教材圖33的曲線表示上述兩個過程中墊片的應(yīng)力與變形的關(guān)系。圖中和分別對應(yīng)預(yù)緊至?xí)r的壓縮量和工作時下的彈回量。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)計法蘭的密封系統(tǒng)要滿足下面要求。完整性整個結(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： 初始擰緊螺栓時的裝配或預(yù)緊載荷； 1.25或1.5倍設(shè)計壓力的腋芽實驗載荷； 正常操作載荷（例如壓力和溫度載荷）。根據(jù)應(yīng)用場合，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；

36、 瞬時熱沖擊，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

37、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，墊片在法蘭密封面間可自由向內(nèi)或向外移動。半約束的凹凸密封面形式，使墊片免于遭受吹出的危險。有約束的環(huán)連接面適用于壓力、溫度有波動，對介質(zhì)密封性要求較高的場合。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織構(gòu)對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，其中表面粗糙度時表面形貌的最重要特征。常用表面輪廓的算術(shù)平均值評定表面粗糙度，管法蘭密封面粗糙度的要求見

38、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)載對應(yīng)關(guān)系。同樣，標(biāo)準(zhǔn)種的直徑尺寸有DN和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)

39、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合。對非金屬密封元件，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有如下幾個作用：a 幫助密封元件對中；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)動等。外環(huán)材料一般為實心金屬。內(nèi)環(huán)a有

40、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和由此引起流體對墊片的沖蝕。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；動物類；礦物類；橡膠類；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

41、。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)點眾多，其主要缺點是強(qiáng)度不高、回彈性差、不適合高壓、高溫場合，結(jié)合金屬的特點，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)計螺栓法蘭連接需要表征墊片力學(xué)行為和密封行為的若干特征性能，下面對這兩種性能進(jìn)行介紹。a、墊片的力學(xué)性能對墊片試樣進(jìn)行壓縮或拉伸試驗，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

42、伸強(qiáng)度等。通過其它的試驗如蠕變松弛試驗、吹出試驗等，可以獲得蠕變松弛率、pT，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應(yīng)關(guān)系。 與的關(guān)系受溫度影響。壓縮性和回彈性：壓縮性指初始壓縮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?；貜椥灾府?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

43、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)生吹出時不會發(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

44、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，墊片的厚度由于應(yīng)力作用減薄，但運行一端時間后，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。對螺栓-墊片-法蘭載荷系統(tǒng)，墊片蠕變不發(fā)生在恒應(yīng)力下，墊片厚度的改變引起螺栓伸長，同時改變了墊片應(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

45、率表示；二是直接測量蠕變前后墊片應(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，初始壓縮的墊片應(yīng)力，Mpa； 蠕變后殘留的墊片應(yīng)力，Mpa。pT 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使用，因此常用pT表示材料最大使用壓力和最高使用溫度的匹配關(guān)系，如表38列出了部分墊片材料的pT值。b 墊片的高溫力學(xué)性能高溫對墊片有不利影響：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

46、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測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金屬墊片的影響較大。可以用稱為緊密性參數(shù)Tp與墊片應(yīng)力關(guān)聯(lián)起來，如圖313所示，Tp綜合了試驗介質(zhì)壓力和泄漏率的關(guān)系，該圖包含了密封壓力、泄漏率、試驗介質(zhì)和墊片應(yīng)力等諸多因素對墊片密封性能的影響。（4）墊片應(yīng)力在設(shè)計墊片中要注意幾個應(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)

47、密封流體壓力為0時，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)計預(yù)警應(yīng)力，但在實際上不可能在0壓力下測量該值，在標(biāo)準(zhǔn) 測試方法中，取0.14bar作為該0壓力。實際應(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，在實際應(yīng)用，裝配墊片應(yīng)力一定要超過該值。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)，因為某些墊片在很高應(yīng)力下，當(dāng)應(yīng)力發(fā)生改變時，對泄漏十分敏感；（2）防止過渡壓縮墊片引起機(jī)械損壞。c 設(shè)計裝配應(yīng)力：（39）式中，達(dá)到額定泄漏

48、率時所需要的墊片應(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。墊片的蠕變松弛會引起應(yīng)力下降，在設(shè)計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，將會引起較大的徑向橫剪力；如果膨脹或冷卻不協(xié)調(diào)，則會引

49、起較大的應(yīng)力波動，發(fā)生瞬時泄漏。f 實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、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、磨損、污

50、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、螺栓載荷的計算

51、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)的計算螺栓載荷的方法是理論假設(shè)、簡化計算及工程經(jīng)驗，目前有比較精確的應(yīng)力解析或數(shù)值計算方法。（1）中國壓力容器規(guī)范的方法計算螺栓載荷步驟：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際螺栓面積決

52、定設(shè)計預(yù)緊載荷： （314）e 決定設(shè)計操作載荷 （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個變量影響兩者之間的關(guān)系，以至

53、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，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擰緊所有的螺栓。五、墊片密封設(shè)計新方法上述設(shè)計方法已經(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)計準(zhǔn)則；b 采用基于泄漏率的墊片常數(shù)和相應(yīng)的計算方法確定螺栓預(yù)緊載荷；c 對法蘭港對提出要求；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螺栓載荷的影響。（1）緊密性參數(shù)PVRC對常用墊片進(jìn)行試驗和研