承壓設(shè)備帶壓密封夾具設(shè)計(jì)規(guī)范

1、 GB/T*2008承壓設(shè)備帶壓密封夾具設(shè)計(jì)規(guī)范編制說明前言承壓設(shè)備帶壓密封夾具設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)由全口鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)提出并歸口。于2007年經(jīng)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)在第五批國家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃中批準(zhǔn)。在全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)的指導(dǎo)下，該標(biāo)準(zhǔn)主要起草單位翔悅密封材料有限公司，于2005年起進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)起草準(zhǔn)備工作，于2006年上報(bào)該標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)申報(bào)稿。為完善充實(shí)該標(biāo)準(zhǔn)，全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)于2007年元月在北京召開了有帶壓密封技術(shù)研究和應(yīng)用單位參加的會(huì)議成立標(biāo)準(zhǔn)編制組。 為了保證該標(biāo)準(zhǔn)的編制質(zhì)量，我們組織召開多次會(huì)議，確定編制原則和編寫大綱。在編制組內(nèi)成立了承壓設(shè)備帶壓密封夾

2、具設(shè)計(jì)規(guī)范編制組。完成初稿后經(jīng)多次修改，并在天津市翔悅密封材料有限公司網(wǎng)站上廣泛征求意見。于2008年8月由全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)固定式壓力容器分會(huì)將征求意見稿在網(wǎng)上向全國征求意見。對提出的建議經(jīng)認(rèn)真研究貫徹到本標(biāo)準(zhǔn)中，力求完善準(zhǔn)確。1、 編制目的和意義帶壓密封技術(shù)在我國于1983年通過省部級技術(shù)鑒定，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，屬于新型檢維修技術(shù)。組成帶壓密封綜合技術(shù)包括：包容泄漏部位的夾具、填充密封空腔形成新的密封比壓的密封劑、注入密封劑的專用工具和為建立新的密封結(jié)構(gòu)實(shí)施的封堵操作技術(shù)等四部分。通過國內(nèi)外查新未見同類國家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是以多年應(yīng)用實(shí)踐為基礎(chǔ)，結(jié)合已進(jìn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和檢測數(shù)據(jù)作為依

3、據(jù)編制的。帶壓密封技術(shù)施工應(yīng)用時(shí)，保證夾具的穩(wěn)定，是必要的基礎(chǔ)條件。有關(guān)夾具強(qiáng)度計(jì)算、材料選擇、結(jié)構(gòu)應(yīng)用和尺寸確定，在我國尚沒有做為規(guī)范夾具設(shè)計(jì)，確保帶壓密封密封應(yīng)用時(shí)夾具穩(wěn)定的統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)。特別是在夾具包容被封堵泄漏部位結(jié)構(gòu)，避免造成原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大的附加拉應(yīng)力，甚至造成結(jié)構(gòu)斷裂的惡性事故，在夾具設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題。因此，為提高帶壓密封作業(yè)成功率，保證帶壓密封技術(shù)為流程企業(yè)連續(xù)運(yùn)行、創(chuàng)造更大的企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、減少生產(chǎn)裝置發(fā)生泄漏污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，有必要通過制定國家標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范和提高帶壓密封整體技術(shù)水平。2、 標(biāo)準(zhǔn)編制的指導(dǎo)原則在編寫過程中我們主要基于標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容應(yīng)要點(diǎn)突出，溯源有科學(xué)依據(jù)，便于

4、和方便使用，（1） 帶壓密封是涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域、綜合性的現(xiàn)代化的檢維修技術(shù)。密封劑是該技術(shù)組成部分之一，是由高分子有機(jī)物和無機(jī)物經(jīng)特殊組分配比混煉制成，通過專用工具產(chǎn)生的高壓推力進(jìn)入密封空腔，在應(yīng)用中完成全固化過程、達(dá)到需要的耐溫、耐介質(zhì)性能。包容泄漏點(diǎn)的夾具和原泄漏結(jié)構(gòu)均為承壓構(gòu)件，發(fā)揮金屬材料性能，適應(yīng)封堵漏點(diǎn)需要的密封結(jié)構(gòu)，使夾具在復(fù)雜受力狀態(tài)下通過專有的施工技術(shù)保持穩(wěn)定,是指導(dǎo)夾具設(shè)計(jì)的原則。同時(shí)在應(yīng)用帶壓密封技術(shù)過程的各種泄漏介質(zhì)，必須采用不同的夾具材料。（2） 該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍壓力從400Pa(絕壓)到30Mpa（表壓）,溫度從-180到800和各種介質(zhì)。夾具包容泄漏結(jié)構(gòu)形成承受

5、內(nèi)壓的密封空腔，夾具成為承壓構(gòu)件。因此，組成夾具的本體、耳板和連接螺栓，均以相應(yīng)溫度下承受內(nèi)壓做為壓力源進(jìn)行強(qiáng)度校核，夾具承受的內(nèi)壓是以泄漏到空腔內(nèi)的系統(tǒng)壓力和完成封堵的密封劑擠壓力二項(xiàng)合力為依據(jù)。兩項(xiàng)合力中，系統(tǒng)壓力是以均布載荷作用在夾具上、密封劑擠壓力是通過多孔注入到密封空腔內(nèi)，每一個(gè)注入孔附近承受密封劑流動(dòng)、填滿、壓實(shí)全過程，表現(xiàn)的擠壓力，經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)模擬封堵作業(yè)注入操作進(jìn)行夾具受力后的應(yīng)力應(yīng)變測試，證明在各注入口應(yīng)力值是不同的，如控制不當(dāng)，集中載荷的大小差別在十倍以上。為了降低過大的注入集中載荷，必須嚴(yán)格執(zhí)行多點(diǎn)均勻緩慢注入，通過注入操作控制密封空腔內(nèi)的密封擠壓力，盡量實(shí)現(xiàn)夾具均勻受力。最

6、終達(dá)到夾具強(qiáng)度計(jì)算的合理性。（3） 夾具設(shè)計(jì)參數(shù)，主要取自對泄漏部位的現(xiàn)場勘測。夾具設(shè)計(jì)參數(shù)由幾何參數(shù)和理化參數(shù)兩部分構(gòu)成。3、 主要條文說明為了幫助標(biāo)準(zhǔn)的使用方正確的理解標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，以便今后標(biāo)準(zhǔn)得到更好的貫徹實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)中下列主要條款等內(nèi)容說明如下：（一）本標(biāo)準(zhǔn)第5章“夾具設(shè)計(jì)參數(shù)勘測”5.1.3對于帶壓密封的應(yīng)用進(jìn)行現(xiàn)場勘測是必要的。帶壓密封必須針對不同泄漏結(jié)構(gòu)（法蘭、管道、閥門、設(shè)備）和不同系統(tǒng)壓力、溫度、介質(zhì)，完成包容泄漏部位的夾具設(shè)計(jì)。不僅夾具設(shè)計(jì)參數(shù)是以現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對于決定帶壓密封的作業(yè)環(huán)境條件及密封劑的選擇和應(yīng)用都是必要的。5.3.2注：b為確定夾具空腔覆蓋寬度尺寸是針對管

7、道泄漏部位的壁厚減薄狀況勘測的尺寸。可以根據(jù)泄漏點(diǎn)附近原壁厚被腐蝕減薄后的壁厚，決定是否采用隔離式管道夾具，確定密封空腔的寬度等夾具設(shè)計(jì)尺寸。（二）本標(biāo)準(zhǔn)第6章“夾具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”6.2.1帶壓密封是在帶溫帶壓介質(zhì)泄漏狀態(tài)下，通過夾具包容泄漏部位形成空腔并填充密封劑，最終由于遞增的注劑壓力，達(dá)到超過原泄漏壓力的密封比壓終止泄漏。因此夾具的穩(wěn)定是帶壓密封應(yīng)用的密封保證。6.2.2夾具包容泄漏部位建立的空腔內(nèi)，注入密封劑產(chǎn)生擠壓力是通過注射槍的推力形成的。密封劑擠壓力作用到空腔內(nèi)壁形成內(nèi)壓，應(yīng)當(dāng)用提高剛度使內(nèi)壓對夾具不產(chǎn)生變形。6.3.2夾具連接部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足強(qiáng)度條件。對夾具承受密封劑擠壓力后，經(jīng)夾

8、具的應(yīng)力應(yīng)變測試表明，夾具產(chǎn)生最大應(yīng)力分布狀況是在本體與耳板組焊的過度區(qū)內(nèi)。封堵作業(yè)曾有耳板與本體組焊部部位發(fā)生斷裂的事故案例。因此要求夾具整體結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足強(qiáng)度條件。6.3.3選擇夾具結(jié)構(gòu)型式時(shí)，不應(yīng)產(chǎn)生對泄漏缺陷部位形成拉力的受力狀態(tài)。例如，對異徑（大小頭）管道焊縫泄漏的夾具結(jié)構(gòu)如圖1所示：圖1異徑管道夾具夫家應(yīng)力示意這種異徑管道夾具在封堵作業(yè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生位移現(xiàn)象。因?yàn)榭涨粌?nèi)的密封劑擠壓力，在小管徑端面上所受的推力要大于夾具大管徑端面所受的推力。這個(gè)位移力為:F=/4(D02-D12)P （1）式中 F密封劑擠壓力產(chǎn)生的位移推力 （N） ；D0大管直徑 (mm);D1小管直徑 (mm);P密封劑

9、擠壓力 (MPa).由公式（1）可以看出，位移推力的大小取決于異徑管的管徑差，必須對夾具采取限位移措施。如果限定夾具位移固定點(diǎn)設(shè)在小管徑段，則密封劑推力，同時(shí)作用在缺陷部位，產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于材料強(qiáng)度極限時(shí)會(huì)將缺陷部位拉斷。因此，必須將限位固定點(diǎn)設(shè)在大管徑段。6.3.4關(guān)于夾具與泄漏部位外表面接觸間隙的大小，是影響帶壓密封作業(yè)成功率的關(guān)鍵因素之一。從帶壓密封施工需要間隙量越小越好，但在泄漏結(jié)構(gòu)尺寸測量的準(zhǔn)確程度、夾具制造尺寸偏差、熱膨脹量計(jì)算的準(zhǔn)確性等因素都會(huì)使間隙量偏大。而過大的間隙量，當(dāng)封堵泄漏系統(tǒng)壓力高、系統(tǒng)溫度低都會(huì)造成密封空腔內(nèi)的密封劑在未固化增強(qiáng)前被擠出，造成封堵失敗。因此，通

10、過對常用密封劑固化特性和測量準(zhǔn)確性及制造公差范圍的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定采用本標(biāo)準(zhǔn)10.1.2的表9中規(guī)定的系統(tǒng)壓力和間隙量的關(guān)系。6.3.5 a）管道夾具密封空腔高度的確定。密封劑由注劑孔進(jìn)入密封空腔后，堆積填充過程需要一定的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，密封劑與系統(tǒng)泄漏介質(zhì)溫度接觸，也就是與受熱的夾具內(nèi)壁面接觸。以橡膠為基體材料為例，受系統(tǒng)溫度作用后，發(fā)生碳化分解。大分子變?yōu)樾》肿?，與配合劑一起形成復(fù)合材料，對熱傳遞起阻擋作用，如果密封劑層厚（即空腔高度大），對外層密封劑起穩(wěn)定作用，保證外層密封劑的彈性，易于實(shí)現(xiàn)密封。如果空腔高度低（即密封劑層較薄），填滿空腔的密封劑很快固化，無法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)注壓實(shí)的操作過程，即

11、達(dá)不到予期的密封比壓。當(dāng)系統(tǒng)溫較高配用高的密封劑層，先進(jìn)入空腔與夾具內(nèi)壁面接觸部份雖然開始固化，但后續(xù)的密封劑在一定時(shí)間內(nèi)仍具有粘彈性。有可能按操作規(guī)程實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充注入，也可以在最終注入點(diǎn)提升注入壓力，達(dá)到壓緊和最終實(shí)現(xiàn)需要的密封比壓。6.3.6 b)法蘭夾具注劑孔數(shù)參照原泄漏法蘭連接螺栓數(shù)和管道夾具注孔間距小于100mm的規(guī)定，目的都是為了縮小密封劑進(jìn)入空腔后，在注劑孔附近區(qū)域?qū)崿F(xiàn)填滿過程的流動(dòng)距離。因?yàn)槊芊鈩┏叵鲁收硰椥?，流?dòng)性在承受溫度作用后有一個(gè)流變性增加的過程。密封劑在填滿流動(dòng)過程與空腔內(nèi)壁面產(chǎn)生摩擦形成阻力。為了克服阻力完成填滿空腔，需要相應(yīng)的推力。如果密封劑流動(dòng)距離過大，則推力必然

12、要加大。此時(shí)過大的推力，以密封劑在空腔內(nèi)擠壓力，作用于夾具本體和夾具連接螺栓，同時(shí)傳遞到原法蘭螺栓上。這種過大的推力形成的密封劑擠壓力對夾具穩(wěn)定是不利的，對原法蘭螺栓有可能產(chǎn)生超載斷裂的危險(xiǎn)。因?yàn)樵ㄌm螺栓設(shè)計(jì)，是以法蘭密封予緊力和法蘭承受最大內(nèi)壓力二項(xiàng)計(jì)算取其大值設(shè)定的。密封劑擠壓力傳遞到螺栓上，相當(dāng)于使法蘭螺栓又承受了第三個(gè)拉力。法蘭螺栓對第三個(gè)附加力的影響，全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)會(huì)同清華大學(xué)和中石化集團(tuán)公司進(jìn)行了帶壓密封技術(shù)管道法蘭螺栓安全性測試與分析的研究。通過測試和擴(kuò)大計(jì)算，結(jié)論為帶壓密封注入密封劑，嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，法蘭螺栓仍處于彈性范圍是穩(wěn)定的。在夾具注劑孔數(shù)量設(shè)置上的

13、規(guī)定和封堵操作規(guī)范的注劑壓力控制，都是基于夾具和法蘭螺栓的安全穩(wěn)定而規(guī)定的。6.3.8國家質(zhì)檢總局在2005年以總局70號令確定帶壓密封屬壓力容器和壓力管道特種設(shè)備作業(yè)。對帶壓密封的從業(yè)人員，規(guī)定必須取得特種設(shè)備作業(yè)人員證資質(zhì)。（三）本標(biāo)準(zhǔn)第9章“夾具計(jì)算”9.1法蘭夾具壁厚計(jì)算目前我國還沒有專用于帶壓密封夾具厚度計(jì)算公式。由于帶壓密封夾具的受力狀態(tài)與圓筒受力近似，因此本標(biāo)準(zhǔn)確定法蘭夾具和管道夾具壁厚計(jì)算套用GB150鋼制壓力容器的（5-1）圓筒計(jì)算公式。確定的依據(jù)是：1）自1984年帶壓密封技術(shù)在我國首次通過技術(shù)鑒定，在國內(nèi)應(yīng)用以來，即使用GB150公式（5-1）進(jìn)行夾具的壁厚計(jì)算。另外根據(jù)

14、壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程修訂說明及條文解釋（四），對帶壓堵漏固定夾具的設(shè)計(jì)，確定可以選用GB150鋼制壓容器所規(guī)定的壁厚強(qiáng)度計(jì)算公式。公式中的設(shè)計(jì)壓力值，還必須考慮在向密封劑空腔注入密封劑過程規(guī)律予以修正。經(jīng)過長期實(shí)際應(yīng)用考核，證明對泄漏系統(tǒng)壓力較低，夾具內(nèi)徑較小時(shí)，計(jì)算值偏小。對壓力較高，直徑較大時(shí)計(jì)算值接近實(shí)際需要。對第一種情況，采用最小厚度不小于14mm，予以修正。經(jīng)應(yīng)用考核能滿足帶壓密封夾具壁厚計(jì)算的要求。2）參照英國弗曼奈特公司對夾具壁厚計(jì)算公式的結(jié)構(gòu)與計(jì)算結(jié)果均與GB150公式（5-1）相同。9.1.3夾具設(shè)計(jì)壓力的修正夾具壁厚計(jì)算公式中的設(shè)計(jì)壓力P，不能簡單套用GB150公式（5

15、-1）的定義，需結(jié)合帶壓密封的特點(diǎn)進(jìn)行修正。規(guī)定修正的設(shè)計(jì)壓力為P=PL+5MPa，其原因如下：1） 按密封原理只要空腔內(nèi)密封劑擠壓力P系統(tǒng)壓力PL即能達(dá)到封堵效果。2） 注入到空腔已填滿的密封劑，有體積縮小過程，使已形成的擠壓力下降。3） 空腔內(nèi)密封劑，由于系統(tǒng)溫度作用，部分原組份損失，造成擠壓力下降。4） 注入到空腔的密封劑為填充注劑孔附近區(qū)段，產(chǎn)生流動(dòng)阻力需要增加推力。5） 在空腔內(nèi)已填充的密封劑，需要擠壓達(dá)到致密需要加大推力。為防止被封堵部分再泄漏，需要在夾具空腔內(nèi)保持大于系統(tǒng)介質(zhì)壓力密封劑擠壓力，即必須提高夾具的作用力。影響提高夾具作用力的因素中，已進(jìn)行的單項(xiàng)試驗(yàn)測試證實(shí)是存在的，但

16、附加力值大小的確定，是在單項(xiàng)測試結(jié)論的基礎(chǔ)上，結(jié)合封堵作業(yè)經(jīng)驗(yàn)綜合確定的。泄漏部位由于介質(zhì)、溫度、壓力不同，需要不同的帶壓密封劑擠壓力。修正后的設(shè)計(jì)壓力P=PL+5MPa,才能保證新建立的帶壓密封結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。作用在夾具上的密封劑擠壓力是通過帶壓密封專用工具組成的液壓系統(tǒng)與夾具連接成一體，進(jìn)行注劑操作過程間接測量出來的。9.1.5夾具最小厚度本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定夾具厚度不宜小于14mm。是考慮了以下因素：1） 提高夾具的剛性穩(wěn)定。2） 夾具注入孔螺紋與注射閥連接尺寸需要。為達(dá)到注射閥與夾具注入孔螺紋的連接可靠性，螺紋連接應(yīng)滿足最小螺紋扣數(shù)。常用的注射閥螺紋是M12，按帶壓密封作業(yè)要求，注射閥與夾具注劑孔

17、螺紋擰入應(yīng)不少于6扣。M12的螺距P=1.75mm，擰入長度宜不少于10.5mm。另外考慮夾具標(biāo)準(zhǔn)注劑結(jié)構(gòu)，配有4孔通道的加工需要綜合確定，夾具最小厚度不宜小于14mm。9.3溫度對夾具設(shè)計(jì)的影響夾具承受泄漏介質(zhì)溫度作用，產(chǎn)生伸長變形，是根據(jù)將環(huán)形夾具折算成長度，金屬材料受熱產(chǎn)生線膨脹理論確定的。法蘭夾具包容泄漏法蘭間隙后，形成環(huán)形結(jié)構(gòu)，受熱后夾具斷面各個(gè)方向均產(chǎn)生線膨脹，其中對夾具設(shè)計(jì)間隙量控制有關(guān)的是周向伸長在徑向上的影響。9.3.1熱膨脹量的計(jì)算和9.3.2夾具材料平均熱膨脹系數(shù)金屬材料承受溫度作用的線膨脹采用公式（9-3）計(jì)算。9.3.2表9是夾具材料平均熱膨脹系數(shù)。依據(jù)GB150附錄

18、F鋼材料高溫性能，表F6所列數(shù)據(jù)。1）計(jì)算公式應(yīng)用時(shí)夾具材料平均熱膨脹系數(shù)的確定，當(dāng)夾具所處溫度不屬于表列整級溫度時(shí)，應(yīng)采用插入法取得相應(yīng)數(shù)據(jù)。2）夾具所處的溫度T，應(yīng)采用測溫儀測定實(shí)際溫度。3）夾具直徑D，宜采用夾具內(nèi)、外徑的平均直徑。由于夾具受溫度作用后，夾具厚度還有向內(nèi)的膨脹量。另外環(huán)形夾具受熱膨脹不是自由伸長還受到伸長限制。因此，公式（9-3）的計(jì)算值偏大，還需要結(jié)合應(yīng)用實(shí)踐予以修正。9.4耳板厚度計(jì)算耳板的受力是以懸臂梁承受夾具連接螺栓集中載荷為依據(jù)。夾具兩側(cè)全部螺栓總載荷Fmax=C*P*D式中：Fmax-螺栓總載荷 C-法蘭間隙 D-夾具內(nèi)經(jīng) P-設(shè)計(jì)壓力（系統(tǒng)壓力+5MPa）單側(cè)螺栓載荷設(shè)計(jì)壓力F=Fmax/2,