采用墊片安全系數(shù)的高壓法蘭螺栓密封設(shè)計

采用墊片安全系數(shù)的高壓法蘭螺栓密封設(shè)計為了防治高壓大直徑法蘭螺栓密封的設(shè)計失效，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算壓力下的安全儲備。繪制了典型的安全系數(shù)曲線，安全系數(shù)隨著計算壓力的增大而降低，且曲線下降中存在單個拐點；墊片適用壓力大于拐點壓力，小于墊片安全系數(shù)等于1時的計算壓力。應(yīng)用各種墊片在不同安全系數(shù)下相應(yīng)的計算壓力適用值開展密封設(shè)計，能夠確保密封構(gòu)造設(shè)計的有效性。

法蘭螺栓強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。文獻基于不同工況下的許用可靠度對內(nèi)壓容器墊片密封的螺栓靜強度安全系數(shù)開展了分析，但是沒涉及到墊片的安全系數(shù)；文獻只對波齒復(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)果對其他墊片構(gòu)造沒有適用性；文獻分別從面上對高壓法蘭螺栓密封失效的設(shè)計因素和制造因素開展了分析，沒有深入分析墊片的問題；文獻分別對復(fù)合石墨波齒金屬墊的質(zhì)量問題及其技術(shù)對策開展了研究；文獻認為，墊片系數(shù)m值和墊片預(yù)緊比壓y值這2個參數(shù)數(shù)值普遍非常低，由此計算的螺栓載荷是設(shè)計載荷，而實際施加的載荷通常是設(shè)計值的2～3倍以上，在一定程度上補償了設(shè)計的缺陷。文獻指出Waters法設(shè)計法蘭存在的問題，但沒有涉及密封系統(tǒng)中的墊片設(shè)計問題。

目前，絕大多數(shù)廠家僅憑經(jīng)驗設(shè)計生產(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)備防治失效的長期實踐中，機械設(shè)計引入了一系列的安全系數(shù)概念，但把墊片設(shè)計作為主體應(yīng)用安全系數(shù)尚是一個空白，真空技術(shù)網(wǎng)(http:///)認為關(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、厚度都會出現(xiàn)構(gòu)造偏差。隨著石油化工裝置規(guī)?；l(fā)展，設(shè)備法蘭及其墊片也采用大直徑設(shè)計。對于石油化工裝置常用的石墨波齒復(fù)合墊，工程應(yīng)用的墊片直徑擴大化、墊片標準條文粗略空洞增加了墊片產(chǎn)品問題的復(fù)雜性。實際上，大直徑墊片會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)緊比壓的實際值不一定滿足產(chǎn)品設(shè)計標準推薦值。

1.2、墊片安裝偏差

墊片構(gòu)造偏差會影響到墊片安裝效果，墊片安裝偏差可以進一步揭露墊片構(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，它的余量只要墊片在受壓或受介質(zhì)溶脹延伸時不會堵截法蘭內(nèi)徑。而墊片外徑要比法蘭密封面止口直徑小一點，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5.5mm，占常用墊片寬度N=20mm的27.5%，占墊片有效密封寬度b=2.53，b0=2.53，0.5N=8mm的68.8%。如安裝不當，將嚴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)密封面上周向幾個點涂上少量潤滑脂，壓上墊片，利用常溫下潤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***填補嚴密不致產(chǎn)生泄漏的最小數(shù)值。不同的墊片具有不同的y值。當承壓設(shè)備升壓到達工作壓力時，內(nèi)壓趨于將法蘭分開，作用在墊片上的緊固壓力減少。當墊片有效截面上的緊固壓力減少至某一臨界值時，仍能保持密封，這時在墊片上剩余緊固力即為有效壓緊力。當緊固壓力小至臨界值以下時就會發(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)。

實際上墊片的有效壓緊力是不能用簡單的理論計算公式求得的。因此ASME根據(jù)經(jīng)驗于1943年提出各種墊片的m值和y值。文獻認為，這2個參數(shù)只是一種形式上簡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，不能實質(zhì)性反映墊片的性能，也無助于墊片制造廠和用戶來對墊片性能開展有效評價。

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

(1)相對于墊片系數(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算壓力下的安全儲備。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，下降中存在單個拐點。隨