靜密封新技術(shù)及應(yīng)用

張麥秋 董衛(wèi)國 何鵬飛

(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南株洲 412004)

靜密封新技術(shù)及應(yīng)用

張麥秋 董衛(wèi)國 何鵬飛

(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南株洲 412004)

靜密封管理是化工生產(chǎn)設(shè)備管理的重要內(nèi)容。提高墊片密封的可靠性,要加強(qiáng)密封機(jī)理、密封墊片新材料的研究,探索科學(xué)的密封設(shè)計(jì)方法,積極采用密封預(yù)緊新方法、新工藝,提高密封的密封能力。

靜密封;密封設(shè)計(jì);墊片;預(yù)緊

0 引 言

過去,企業(yè)主要把看得見的“跑、冒、滴、漏”作為密封管理的主要內(nèi)容。隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高,以人為本理念的提升,行業(yè)高危性的增加以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,企業(yè)對(duì)裝置的密封性、工作可靠性和壽命要求愈來愈嚴(yán)格,對(duì)肉眼不能發(fā)覺的很小的泄漏(即“易揮發(fā)物的逸出”Fugitive Emission)也提出了定量要求,并采取某些泄漏方法進(jìn)行檢測。

靜密封在密封管理占有主要的地位。在石油化工裝置中,靜密封的應(yīng)用十分廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì),一個(gè)年產(chǎn)30萬t乙烯的五套主要裝置、六套配套裝置和七個(gè)輔助車間的靜密封點(diǎn)多達(dá)123萬多個(gè)。目前,對(duì)靜密封的要求仍然是減少泄漏,提高可靠性,延長使用周期,減少停車損失。

據(jù)統(tǒng)計(jì),靜密封故障處理中,調(diào)整和更換墊片占49.2%,調(diào)整緊固螺栓占40.3%,更換法蘭和螺栓的占10.5%。所以,靜密封中墊密封研究的重點(diǎn)還是密封設(shè)計(jì)、墊片及預(yù)緊。

1 密封設(shè)計(jì)

自1974年以來,靜密封研究的主要成果來自墊片性能的深入研究,特別是墊片高溫性能的研究,無論在理論上還是實(shí)踐上都認(rèn)識(shí)到,高溫或熱循環(huán)、及腐蝕環(huán)境的作用,墊片、螺栓及法蘭發(fā)生蠕變和松弛、蛻變等對(duì)密封性能的影響要顯著得多。從1982年啟動(dòng)的墊片高溫性能研究來看:希望建立溫度-應(yīng)力-時(shí)間的數(shù)學(xué)模型,探索在高溫下螺栓連接的密封機(jī)理、確定引起高溫泄漏的諸多因素及它們之間的關(guān)系、提出一種能減少法蘭高溫泄漏的設(shè)計(jì)方法。其中,國際上最新的、較為典型的密封設(shè)計(jì)方法有兩種。

一是以彈性分析為基礎(chǔ)的方法(強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則),如Waters法。被中國、美國、英國、日本等國的壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范所采納。該法是選定墊片類型后,通過推薦的墊片特性參數(shù)最小預(yù)緊密封比壓y和墊片系數(shù)m,求出在預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)下、常溫和操作溫度下所需要的螺栓,同時(shí),在預(yù)緊和操作兩種狀態(tài)下作用于法蘭時(shí),法蘭不產(chǎn)生屈服和蠕變,由法蘭中的彈性應(yīng)力保證法蘭強(qiáng)度和連接接頭的密封要求。但該方法的墊片設(shè)計(jì)系數(shù)中許多數(shù)據(jù)都是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),新產(chǎn)品或新材料的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)要通過實(shí)驗(yàn)確定。

二是歐盟標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)制定的法蘭計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)(驗(yàn)證強(qiáng)度和密封兩個(gè)準(zhǔn)則)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了圓型螺栓-墊片-法蘭接頭的計(jì)算方法,計(jì)算中考慮整個(gè)法蘭-螺栓-墊片系統(tǒng)的特性,計(jì)算參數(shù)包括介質(zhì)、法蘭、螺栓和墊片等靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的影響因子。密封性能的計(jì)算基于載荷-變形關(guān)系的彈性分析,強(qiáng)度計(jì)算基于極限(塑性)分析,其目的是保證結(jié)構(gòu)完整性和控制接頭泄漏。該設(shè)計(jì)方法一是更加符合實(shí)際,二是影響因子太多,計(jì)算復(fù)雜,其中,最大的問題依然是墊片系數(shù)的確定。

2 墊片選擇

墊片借助預(yù)緊載荷使其產(chǎn)生彈性塑性變形,填充密封面之間的幾何間隙,切斷或阻止流體泄漏。墊片的設(shè)計(jì)方式、性能選擇、材料選擇、結(jié)構(gòu)選擇等對(duì)實(shí)現(xiàn)密封的效果影響很大。

2.1 墊片性能

墊片的比壓力y和墊片系數(shù)m是反映墊片性能的兩個(gè)重要參數(shù),其數(shù)值與墊片的種類和材質(zhì)有關(guān)。對(duì)于密封裝置而言,靜密封結(jié)構(gòu)是一個(gè)非線性靜不定系統(tǒng),螺栓預(yù)緊力不可能全部轉(zhuǎn)化為墊片應(yīng)力,在操作階段墊片應(yīng)力更是變化的。

預(yù)緊后,墊片相應(yīng)產(chǎn)生一定的預(yù)緊變形量。當(dāng)密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部介質(zhì)壓力上升,密封面出現(xiàn)卸載,直到進(jìn)入工作狀態(tài),內(nèi)壓力迫使密封面有一定的分離。此時(shí)墊片上的壓縮應(yīng)力隨之降低,墊片的壓縮變形量相應(yīng)地減小,實(shí)際上相當(dāng)于墊片增厚了,從而補(bǔ)償了密封面的分離,并且保持在密封面上有足夠的殘余壓緊應(yīng)力,就能保證工作狀態(tài)下維持密封。墊片壓緊后卸載時(shí)的回彈量愈大,同時(shí)殘余的壓緊應(yīng)力也愈大,則墊片在工作狀態(tài)下的密封性能愈好。

墊片在溫度較高的工作條件下,要考慮墊片的強(qiáng)度問題和溫度作用下的承受能力,如高溫下強(qiáng)度下降、回彈率降低、有機(jī)材料填充劑的軟化及分解等。對(duì)于高溫非石棉墊片可采用模擬燃燒篩選實(shí)驗(yàn)(FIRS)、高溫時(shí)效拉伸/篩選實(shí)驗(yàn)(ATRS和 HATR)、熱態(tài)密封實(shí)驗(yàn)(HOTT,EHOT和AHOT)、時(shí)效松弛泄漏實(shí)驗(yàn)(ARLA)、模擬燃燒密封性實(shí)驗(yàn)(FITT)來篩選和評(píng)定墊片材料的長期力學(xué)性能與密封性能。

2.2 墊片材料

墊片材料應(yīng)有良好的機(jī)械性能和回彈量性,滿足壓力、溫度等工況條件,耐工作介質(zhì)的腐蝕,不腐蝕密封表面,且不污染密封介質(zhì),如工業(yè)發(fā)達(dá)國家因石棉橡膠墊片有至癌物已不允許使用。另外,墊片在壓縮狀態(tài)下長期運(yùn)行,一般情況下會(huì)同時(shí)產(chǎn)生蠕變和松弛,使用時(shí)要充分考慮墊片蠕變松弛行為的影響,如石棉橡膠墊片(我國至今尚未禁用)200℃的松弛是常溫的3～5倍。在常溫使用時(shí)就會(huì)發(fā)生明顯的蠕變松弛的材料,長期使用時(shí)將發(fā)生泄漏失效。

2.3 墊片類型

墊片選用的影響因素很多,主要依據(jù)溫度、壓力及其波動(dòng)頻率等,選擇金屬墊片、非金屬墊片、半金屬墊片或自緊式墊片。依據(jù)壓力選擇墊片的厚度,如中低壓情況下選用薄墊片、壓力較高時(shí)選用厚墊片。對(duì)于金屬墊片,為了不產(chǎn)生過大的螺栓應(yīng)力,盡量選取小寬度墊片,但不應(yīng)小于5mm。真空、低溫工況下墊片的選擇還應(yīng)注意其適應(yīng)性。在一般情況下,非金屬墊片、半金屬墊片不允許重復(fù)使用。

3 密封預(yù)緊

為滿足墊片比壓力[y]的要求,靜密封必須有足夠的預(yù)緊力。影響預(yù)緊的因素很多,除墊片性能外,密封構(gòu)件本身的因素及裝配是否科學(xué)合理是實(shí)現(xiàn)可靠密封的重要因素。

3.1 密封構(gòu)件

墊密封的密封預(yù)緊力是由螺栓提供的。工藝條件不同,螺栓選用不同,一般情況選用商品級(jí)螺栓螺母即可,重要場合選用高強(qiáng)度專用級(jí)螺栓螺母,特殊場合如高溫、高壓或劇烈循環(huán)場合應(yīng)選用高強(qiáng)度全螺紋螺柱,如 35CrMoA、25CrMoVA、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2等材料制造的螺柱。

密封法蘭的強(qiáng)度及剛性在靜密封中顯得非常重要,法蘭的剛度不足所引起的任何變形都將直接影響墊片的壓緊應(yīng)力,從而引起泄漏。影響法蘭剛度的因素主要有法蘭材料的彈性模量、結(jié)構(gòu)形式及截面尺寸。要根據(jù)密封要求選擇能防止偏轉(zhuǎn)和波浪形的翹曲的法蘭,盡量不使用活套法蘭,以減少維護(hù)工作量。

3.2 密封裝配

靜密封結(jié)構(gòu)是一對(duì)法蘭、螺栓、墊片等零件組成的非線性靜不定系統(tǒng),要使密封達(dá)到長期可靠,裝配時(shí)應(yīng)保障法蘭的螺栓預(yù)緊力均勻一致、比壓力滿足工藝要求。

首先要選擇合適的擰緊工具和控制方法控制螺栓預(yù)緊力分散性。裝配時(shí)擰緊工具和控制方法的選擇非常重要,近年來,新的擰緊工具、程序及控制方法不斷出現(xiàn)(見表1)。其中,利用應(yīng)變儀螺母控制法、超聲波控制螺栓伸長等裝置與方法,螺栓預(yù)緊力的分散性最小可控制在±1%以內(nèi)。

表1 螺栓擰緊方法及預(yù)緊力的分散性

其次要嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)定進(jìn)行螺栓的熱(冷)緊。由于密封裝置是在常溫下安裝的,運(yùn)行時(shí)溫度的變化將影響螺栓的預(yù)緊力,所以,高溫或低溫工作的密封件應(yīng)在試運(yùn)行時(shí),按規(guī)定進(jìn)行熱(冷)緊固(見表2)。

表2 密封的熱(冷)緊固溫度/℃

應(yīng)注意的是,熱緊螺栓時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)壓力確定確定最大介質(zhì)內(nèi)壓,冷緊時(shí)應(yīng)在卸壓后進(jìn)行,熱(冷)緊固均應(yīng)在保持工作溫度2 h后進(jìn)行。別外要特別注意的是,在高溫或低溫工藝條件下間斷生產(chǎn)的裝置,每一次開工生產(chǎn)都要按照規(guī)定進(jìn)行熱(冷)緊固,以防泄漏。

4 結(jié) 語

靜密封失效是多方面因素造成的。提高墊片密封的可靠性,首先是加強(qiáng)密封機(jī)理的研究,探索密封泄漏諸多因素之間的因果關(guān)系,選擇科學(xué)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行密封設(shè)計(jì);其次是加快密封墊片新材料的研究,以適應(yīng)苛刻工況條件的需要;三是要積極采用密封預(yù)緊新方法、新工藝,保障密封預(yù)緊力的均勻性,提高密封的密封能力;四是要提高員工素質(zhì),保證工藝操作的穩(wěn)定性,提高密封壽命。

Static Sealing Technology and Application

ZHANG Mai-qiu,DONG Wei-guo,HE Peng-fei
(Mechanical Engineering Department of Hunan Chemical Industry Vocation Technology Institute,Zhuzhou412004,China)

The important part in the management of chemical equipment is static seal management,to improve the reliability of sealing gaskets,we should strengthen the study on sealing mechanism,sealing gasket and new materials and explore the scientific seal design methods,so as to improve the seal capacity of seals.

static seal,seal design,gasket,preload

TG457.11

B

1003-6490(2010)02-0053-02

2010-03-17

張麥秋(1963-),男,湖南寧鄉(xiāng)人,湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系副教授,主要研究方向:密封技術(shù)。電話:13517336089,E-mail:tozmq@126.com。