采用墊片安全系數的高壓法蘭螺栓密封設計

　　為了防治高壓大直徑法蘭螺栓密封的設計失效，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(gè)參數；以墊片系數和墊片預緊比壓為基礎，分析特性比和特性系數這2 個(gè)反映墊片組合特性的新概念；提出以墊片安全系數表征墊片的結構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曲線(xiàn)，安全系數隨著(zhù)計算壓力的增大而降低，且曲線(xiàn)下降中存在單個(gè)拐點(diǎn)；墊片適用壓力大于拐點(diǎn)壓力，小于墊片安全系數等于1 時(shí)的計算壓力。應用各種墊片在不同安全系數下相應的計算壓力適用值進(jìn)行密封設計，能夠確保密封結構設計的有效性。

　　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(zhù)設備大型化和工況復雜化，工程中出現了大量因墊片原因導致的設備法蘭密封失效現象。文獻基于不同工況下的許用可靠度對內壓容器墊片密封的螺栓靜強度安全系數進(jìn)行了分析，但是沒(méi)涉及到墊片的安全系數；文獻只對波齒復合墊片金屬骨架結構參數進(jìn)行了可靠性分析，其結果對其他墊片結構沒(méi)有適用性；文獻分別從面上對高壓法蘭螺栓密封失效的設計因素和制造因素進(jìn)行了分析，沒(méi)有深入分析墊片的問(wèn)題；文獻分別對復合石墨波齒金屬墊的質(zhì)量問(wèn)題及其技術(shù)對策進(jìn)行了研究；文獻認為，墊片系數m 值和墊片預緊比壓y 值這2個(gè)參數數值普遍非常低，由此計算的螺栓載荷是設計載荷，而實(shí)際施加的載荷通常是設計值的2 ～3 倍以上，在一定程度上補償了設計的不足。文獻指出Waters 法設計法蘭存在的問(wèn)題，但沒(méi)有涉及密封系統中的墊片設計問(wèn)題。

　　目前，絕大多數廠(chǎng)家僅憑經(jīng)驗設計生產(chǎn)墊片，缺乏科學(xué)的理論依據，致使墊片性能差異很大，產(chǎn)品安全可靠性得不到保證。在承壓設備防治失效的長(cháng)期實(shí)踐中，機械設計引入了一系列的安全系數概念，但把墊片設計作為主體應用安全系數尚是一個(gè)空白，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為關(guān)于墊片安全系數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(huì )出現結構偏差。隨著(zhù)石油化工裝置規�；�發(fā)展，設備法蘭及其墊片也采用大直徑設計。對于石油化工裝置常用的石墨波齒復合墊，工程應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(wèn)題的復雜性。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(kāi)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(wèn)題，墊片系數或預緊比壓的實(shí)際值不一定滿(mǎn)足產(chǎn)品設計標準推薦值。

　　1.2、墊片安裝偏差

　　墊片結構偏差會(huì )影響到墊片安裝效果，墊片安裝偏差可以進(jìn)一步揭示墊片結構超差的后果。密封結構通常規則是墊片內徑要比法蘭內徑大一點(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，但間隙不能太大，否則既增大法蘭螺柱的應力水平，也使墊片安裝過(guò)程中很難對中。

　　一般地，公稱(chēng)直徑2 000 mm 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徑向間隙基本值達到5. 5 mm，占常用墊片寬度N = 20 mm 的27.5%，占墊片有效密封寬度b = 2.53，b0 =2.53，0. 5N = 8 mm 的68.8%。如安裝不當，將嚴重削弱墊片的有效密封寬度。因此，該間隙宜結合墊片尺寸偏差一起考慮，應控制為2 mm。

　　傳統安裝墊片的方法，是在一側密封面上周向幾個(gè)點(diǎn)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，再把另一側密封面蓋到墊片上，然后通過(guò)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(wèn)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(huì )使墊片受到水平方向的擠壓產(chǎn)生偏移問(wèn)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減少。

圖2 墊片的安裝偏差

　　1.3、墊片特性偏差

　　墊片的預緊比壓y 是作用到墊片上的單位壓緊力，是使墊片在彈性極限內變形且足以將法蘭密封面上微觀(guān)的不平度填補嚴密不致產(chǎn)生泄漏的最小數值。不同的墊片具有不同的y 值。當承壓設備升壓達到工作壓力時(shí)，內壓趨于將法蘭分開(kāi)，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(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(guò)承壓設備工作壓力的m 倍。通常稱(chēng)m 為墊片系數或剩余比壓系數。

　　實(shí)際上墊片的有效壓緊力是不能用簡(jiǎn)單的理論計算公式求得的。因此ASME 根據經(jīng)驗于1943 年提出各種墊片的m 值和y 值。文獻認為，這2 個(gè)參數只是一種形式上簡(jiǎn)單虛擬的墊片性能參數，原因是它們與內壓、溫度及密封介質(zhì)等直接關(guān)系泄漏的因素沒(méi)有關(guān)系，不能實(shí)質(zhì)性反映墊片的性能，也無(wú)助于墊片制造廠(chǎng)和用戶(hù)來(lái)對墊片性能進(jìn)行有效評價(jià)。

　　此外，對于換熱器管箱法蘭，管箱內分開(kāi)管程的隔板條及管箱的進(jìn)出口接管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偏轉角，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、結論

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

　　(2) 提出墊片安全系數的概念，用于綜合表征墊片的結構形式和材料性能在不同計算壓力下的安全儲備。典型的安全系數曲線(xiàn)表明，安全系數隨著(zhù)適用壓力的增大而降低，下降中存在單個(gè)拐點(diǎn)。隨著(zhù)計算壓力的增大，安全系數減速放緩，數值趨近于1。

　　(3) 根據墊片安全系數曲線(xiàn)，可取得各種墊片在某一安全系數下相應的計算壓力適用值，適用計算壓力具有一個(gè)區間范圍。一般地說(shuō)，適用計算壓力的下限是拐點(diǎn)壓力，上限是安全系數等于1 時(shí)的計算壓力。