采用墊片安全系數(shù)的高壓法蘭螺栓密封設(shè)計(jì)

采用墊片安全系數(shù)的高壓法蘭螺栓密封設(shè)計(jì)為了防治高壓大直徑法蘭螺栓密封的設(shè)計(jì)失效，從影響法蘭密封效果的因素中提出墊片特性及墊片受力非均勻性2個(gè)參數(shù)；以墊片系數(shù)和墊片預(yù)緊比壓為根底，分析特性比和特性系數(shù)這2個(gè)反映墊片組合特性的新概念；提出以墊片安全系數(shù)表征墊片的構(gòu)造形式和材料性能在不同計(jì)算壓力下的安全儲(chǔ)備。繪制了典型的安全系數(shù)曲線，安全系數(shù)隨著計(jì)算壓力的增大而降低，且曲線下降中存在單個(gè)拐點(diǎn)；墊片適用壓力大于拐點(diǎn)壓力，小于墊片安全系數(shù)等于1時(shí)的計(jì)算壓力。應(yīng)用各種墊片在不同安全系數(shù)下相應(yīng)的計(jì)算壓力適用值開展密封設(shè)計(jì)，能夠確保密封構(gòu)造設(shè)計(jì)的有效性。

法蘭螺栓強(qiáng)制壓緊墊片密封是一種在石油化工裝備中使用量大面廣的密封形式(如圖1所示)。隨著設(shè)備大型化和工況復(fù)雜化，工程中出現(xiàn)了大量因墊片原因?qū)е碌脑O(shè)備法蘭密封失效現(xiàn)象。文獻(xiàn)基于不同工況下的許用可靠度對(duì)內(nèi)壓容器墊片密封的螺栓靜強(qiáng)度安全系數(shù)開展了分析，但是沒涉及到墊片的安全系數(shù)；文獻(xiàn)只對(duì)波齒復(fù)合墊片金屬骨架構(gòu)造參數(shù)開展了可靠性分析，其結(jié)果對(duì)其他墊片構(gòu)造沒有適用性；文獻(xiàn)分別從面上對(duì)高壓法蘭螺栓密封失效的設(shè)計(jì)因素和制造因素開展了分析，沒有深入分析墊片的問題；文獻(xiàn)分別對(duì)復(fù)合石墨波齒金屬墊的質(zhì)量問題及其技術(shù)對(duì)策開展了研究；文獻(xiàn)認(rèn)為，墊片系數(shù)m值和墊片預(yù)緊比壓y值這2個(gè)參數(shù)數(shù)值普遍非常低，由此計(jì)算的螺栓載荷是設(shè)計(jì)載荷，而實(shí)際施加的載荷通常是設(shè)計(jì)值的2～3倍以上，在一定程度上補(bǔ)償了設(shè)計(jì)的缺陷。文獻(xiàn)指出Waters法設(shè)計(jì)法蘭存在的問題，但沒有涉及密封系統(tǒng)中的墊片設(shè)計(jì)問題。

目前，絕大多數(shù)廠家僅憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)墊片，缺乏科學(xué)的理論依據(jù)，致使墊片性能差異很大，產(chǎn)品安全可靠性得不到保證。在承壓設(shè)備防治失效的長(zhǎng)期實(shí)踐中，機(jī)械設(shè)計(jì)引入了一系列的安全系數(shù)概念，但把墊片設(shè)計(jì)作為主體應(yīng)用安全系數(shù)尚是一個(gè)空白，真空技術(shù)網(wǎng)(http:///)認(rèn)為關(guān)于墊片安全系數(shù)的研究具有重要工程意義。

圖1法蘭強(qiáng)制密封圖1、墊片密封效果的影響因素

1.1、墊片產(chǎn)品偏差

墊片直徑、圓度、寬度、厚度都會(huì)出現(xiàn)構(gòu)造偏差。隨著石油化工裝置規(guī)模化發(fā)展，設(shè)備法蘭及其墊片也采用大直徑設(shè)計(jì)。對(duì)于石油化工裝置常用的石墨波齒復(fù)合墊，工程應(yīng)用的墊片直徑擴(kuò)大化、墊片標(biāo)準(zhǔn)條文粗略空洞增加了墊片產(chǎn)品問題的復(fù)雜性。實(shí)際上，大直徑墊片會(huì)造成材料的周向接頭增多，引起接頭與母材的材料性能差異以及開裂的可能，且尺寸加工精度很難保證。由于墊片制造質(zhì)量問題，墊片系數(shù)或預(yù)緊比壓的實(shí)際值不一定滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)推薦值。

1.2、墊片安裝偏差

墊片構(gòu)造偏差會(huì)影響到墊片安裝效果，墊片安裝偏差可以進(jìn)一步揭露墊片構(gòu)造超差的后果。密封構(gòu)造通常規(guī)則是墊片內(nèi)徑要比法蘭內(nèi)徑大一點(diǎn)，它的余量只要墊片在受壓或受介質(zhì)溶脹延伸時(shí)不會(huì)堵截法蘭內(nèi)徑。而墊片外徑要比法蘭密封面止口直徑小一點(diǎn)，以便墊片能容易地裝入凹面法蘭止口內(nèi)，但間隙不能太大，否則既增大法蘭螺柱的應(yīng)力水平，也使墊片安裝過程中很難對(duì)中。

一般地，公稱直徑2000mm以上的換熱器管箱法蘭的凹面止口直徑與墊片外徑之間的單側(cè)徑向間隙基本值到達(dá)5.5mm，占常用墊片寬度N=20mm的27.5%，占?jí)|片有效密封寬度b=2.53，b0=2.53，0.5N=8mm的68.8%。如安裝不當(dāng)，將嚴(yán)重削弱墊片的有效密封寬度。因此，該間隙宜結(jié)合墊片尺寸偏差一起考慮，應(yīng)控制為2mm。

傳統(tǒng)安裝墊片的方法，是在一側(cè)密封面上周向幾個(gè)點(diǎn)涂上少量潤(rùn)滑脂，壓上墊片，利用常溫下潤(rùn)滑脂的黏性把墊片黏住，再把另一側(cè)密封面蓋到墊片上，然后通過螺栓緊固密封面。對(duì)于臥式換熱器垂直密封面的安裝，大尺寸墊片自重較黏力大，墊片存在下墜偏移的問題；對(duì)于大尺寸水平密封面的墊片安裝，后面蓋上的密封面不完全與前面的密封面平行，或者每一件螺栓的上緊力不均勻，都會(huì)使墊片受到水平方向的擠壓產(chǎn)生偏移問題。如圖2所示，當(dāng)墊片中心O1沿xx軸向左偏移(b1-b2)后，墊片基本密封寬度也從b1減少為b2，其有效密封寬度也相應(yīng)減少。

圖2墊片的安裝偏差

1.3、墊片特性偏差

墊片的預(yù)緊比壓y是作用到墊片上的單位壓緊力，是使墊片在彈性極限內(nèi)變形且足以將法蘭密封面上微觀的不***填補(bǔ)嚴(yán)密不致產(chǎn)生泄漏的最小數(shù)值。不同的墊片具有不同的y值。當(dāng)承壓設(shè)備升壓到達(dá)工作壓力時(shí)，內(nèi)壓趨于將法蘭分開，作用在墊片上的緊固壓力減少。當(dāng)墊片有效截面上的緊固壓力減少至某一臨界值時(shí)，仍能保持密封，這時(shí)在墊片上剩余緊固力即為有效壓緊力。當(dāng)緊固壓力小至臨界值以下時(shí)就會(huì)發(fā)生泄漏，甚至將墊片吹掉。因此墊片的有效壓緊力必須超過承壓設(shè)備工作壓力的m倍。通常稱m為墊片系數(shù)或剩余比壓系數(shù)。

實(shí)際上墊片的有效壓緊力是不能用簡(jiǎn)單的理論計(jì)算公式求得的。因此ASME根據(jù)經(jīng)驗(yàn)于1943年提出各種墊片的m值和y值。文獻(xiàn)認(rèn)為，這2個(gè)參數(shù)只是一種形式上簡(jiǎn)單虛擬的墊片性能參數(shù)，原因是它們與內(nèi)壓、溫度及密封介質(zhì)等直接關(guān)系泄漏的因素沒有關(guān)系，不能實(shí)質(zhì)性反映墊片的性能，也無助于墊片制造廠和用戶來對(duì)墊片性能開展有效評(píng)價(jià)。

此外，對(duì)于換熱器管箱法蘭，管箱內(nèi)分開管程的隔板條及管箱的進(jìn)出口接收對(duì)法蘭受力不均勻性存在一定的影響，管板的變形相當(dāng)于存在預(yù)偏轉(zhuǎn)角，也對(duì)配對(duì)法蘭的密封產(chǎn)生影響，對(duì)此的研究和認(rèn)識(shí)也尚待深入。3、結(jié)論

(1)相對(duì)于墊片系數(shù)與墊片預(yù)緊比壓，提出了特性比y/m和組合特性系數(shù)y/(2m)兩個(gè)新概念，反映墊片的組合特性。

(2)提出墊片安全系數(shù)的概念，用于綜合表征墊片的構(gòu)造形式和材料性能在不同計(jì)算壓力下的安全儲(chǔ)備。典型的安全系數(shù)曲線說明，安全系數(shù)隨著適用壓力的增大而降低，下降中存在單個(gè)拐點(diǎn)。隨