低压管法兰用缠绕式垫片的试验研究________________________________________信息来源:密封网信息中心 点击次数: 发布时间:2009-2-25 15:30:21抚顺石油学院机械工程分院 任建民华东理工大学 蔡仁良摘 要 结合法兰连接的实际，按照对缠绕式垫片压缩的要求，对低压管法兰用缠绕式垫片的预紧应力进行了分析，并就如何通过垫片工艺结构的调整，使其机械性能与紧固件的要求相一致，从而使法兰接头符合操作时的密封性要求进行了试验研究。关键词 法兰连接 缠绕式垫片 机械性能 密封性能1引言金属缠绕式垫片（以下简称缠绕式垫片）是在炼油、化工、火电、原子能等诸多工业部门中广泛应用的静密封元件。然而国内缠绕式垫片的试验标准均以压紧应力70MPa来评价压缩率、回弹率及密封性能，这对压力级别较低的法兰，在垫片预紧应力不足的情况下，往往不能适应操作时压力和温度的变化，其结果必然造成密封介质的泄漏。本文结合法兰连接的实际，按照ASMEB16.20对缠绕式垫片压缩的要求，以ASMEB16.5Class150的低压管法兰为例，对缠绕式垫片的预紧应力进行了分析，并就如何通过垫片工艺结构的调整，使其机械性能与紧固件的要求相一致，从而使法兰接头符合操作时的密封要求进行了试验研究。2.缠绕式垫片的预紧比压分析2.1设计要求缠绕式垫片的设计仅对有足够大小的螺栓载荷将垫片压缩到它的*佳厚度的法兰连接才是有效的。为使垫片的机械性能不脱离法兰连接的实际，ASMEB16.20规定 ：对于压力级别为Class150，名义管子尺寸为1/2、3/4、lin的垫片，在法兰接头上承受 25000psi（172MPa）的均匀螺栓应力时，厚度为4.5mm的垫片将被压缩到3.3±0.13mm；对于该级别其它名义尺寸的垫片，在法兰接头上承受30000psi（207MPa）的均匀螺栓应力时，厚度为4.5mm 的垫片将被压缩到3.3±0.13mm.。2.2预紧比压计算预紧应力（也称预紧比压）是保证垫片操作时密封性能的重要前提。用上述规定的螺栓应力，将垫片预压缩到指定厚度时的比压值，可根据ASMEB16.5标准法兰和与之配套的ASME B16.20标准缠绕式垫片进行计算 。表1是压力级别为 Class150、各种名义尺寸缠绕式垫片的预紧比压。由表可见，不同名义尺寸的垫片在规定的螺栓应力下压缩到指定厚度时的预紧比压虽各不相同，但绝大部分在某一应力水平附近波动。根据ASTMF586的检验要求 ，取名义尺寸为4in的垫片，由表1可见，其能够达到的预紧比压仅为52.4MPa。3.试验研究3.1试件按照ASTMF586的要求，试件名义尺寸为4in带内外环的缠绕式垫片，其外形尺寸如图1所示，制造结构尺寸和工艺参数如表2所示。3.2试验方法试验分为机械性能和密封性能两种试验。机械性能试验测定垫片在规定压缩量下的预紧比压；密封性能试验测定预紧比压与计算值接近的特定结构的垫片在该预紧比压和1.1倍公称压力下的泄漏率。参照GB/T12622-90测定垫片压缩率回弹率的试验方法及ASTMF586测定垫片泄漏率的试验方法，并按照ASME B16.20的压缩要求，每种结构的垫片试验3片。试验条件：试验温度为20?C，初始载荷为1.4MPa，压缩量为1.2mm，试验介质为99.9%纯氮；*大试验压力为1.1倍公称压力（2.2MPa）。3.3试验结果分析（1）垫片应力与变形的关系图2是不同编号垫片的压缩回弹特性曲��。由图可见：①加载曲线呈非线性关系；②卸载曲线与加载曲线不同，卸载开始时曲线接近直线下降，至较低应力时曲线是非线性的，垫片有较大的回弹；③在相同压缩量下，垫片应力随柔性石墨厚度的增加而减小。在相同的垫片应力下，压缩量随柔性石墨厚度的增加而增大。至规定压缩量时的垫片应力（预紧比压）、回弹量如表3所示。由表可见，编号为?4Q的垫片在规定压缩量下的预紧比压与计算值接近，且有较大的回弹率。（2）垫片的密封特性表4和图3示出了预紧比压与计算值接近的垫片（?4Q）在预紧比压下的泄漏率LR和介质压力P的关系。由图3可见，在预紧比压下，垫片的泄漏率随介质压力的升高而增大，在1.1倍的公称压力下的单位时间的标准体积泄漏率（氮气）达到1/10×10×10×10数量级。由此表明该结构的垫片可用于相应压力级别的管法兰上，且具有较低的泄漏率。4结语（1）不同名义尺寸的ASMEB16.5Class管法兰用缠绕式垫片，按照标准的螺栓应力和规定压缩量的垫片预紧比压各不相同，但绝大部分在某一应力水平附近波动。（2）在其它结构与制造工艺一定的情况下，通过调整柔性石墨带厚度可以达到调整垫片压缩回弹性能的目的，并可获得符合紧固件要求且具有较低泄漏率的垫