一種新型法蘭連接墊片設(shè)計(jì)

焦金陽， 毛正義， 高國華

（中國石油大學(xué)（華東），山東青島266580）

一種新型法蘭連接墊片設(shè)計(jì)

焦金陽， 毛正義， 高國華

（中國石油大學(xué)（華東），山東青島266580）

墊片是法蘭連接接口的重要密封元件，在螺栓預(yù)緊力的作用下對(duì)法蘭密封面施加壓緊力，由墊片填塞住法蘭面凹凸不平的微觀幾何間隙來實(shí)現(xiàn)密封。文中對(duì)現(xiàn)有的墊片進(jìn)行改進(jìn)，采用一種金屬波齒骨架與O型圈結(jié)合，石墨填充輔助密封的墊片結(jié)構(gòu)。法蘭接口的螺栓拉緊后，內(nèi)側(cè)O型圈變形量可達(dá)到40%以上，外圈橡膠圈變形接近30%，墊片能達(dá)到良好的密封效果，此時(shí)法蘭接口的主要密封環(huán)節(jié)是由墊片內(nèi)側(cè)的橡膠圈在起作用。當(dāng)橡膠圈的變形量達(dá)到使波齒骨架變形時(shí)，金屬波齒骨架、O型圈和石墨材料三者共同起密封作用。

法蘭密封；墊片；金屬波齒骨架；O型圈

0 引言

法蘭接口通常由兩片法蘭、螺栓、螺母、墊片組成。由于現(xiàn)代生活的快速發(fā)展和綠色生活的要求，對(duì)墊片的密封性能要求也越來越高。目前市場(chǎng)上有兩種比較典型的密封形式，即O型圈密封與金屬波齒墊片密封。雖然兩者均具有很多密封優(yōu)點(diǎn)，但也有在密封過程中的不足之處。為了能有更好的密封墊片，有必要對(duì)現(xiàn)有的墊片做出創(chuàng)新和改進(jìn)，以滿足人們?cè)谏a(chǎn)過程中的各種需要。

本文針對(duì)這兩種密封形式進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并提出了所設(shè)計(jì)的一種新型法蘭密封墊片。

1 O型圈密封

O型圈密封是一種擠壓型密封，其密封示意圖如圖1所示。裝配后［1］O型圈在徑向有一定的壓縮，依靠壓縮變形在耦合面上產(chǎn)生一定的接觸應(yīng)力而起到密封作用。且O型圈既可用于靜密封，又可用于動(dòng)密封，但當(dāng)壓力較高時(shí)，O型圈可能被擠變形，從而導(dǎo)致?lián)p壞，無良好的密封效果。

圖1 O型圈密封示意圖

2 金屬波齒骨架密封

波齒復(fù)合墊片是以金屬材料為骨架，其密封示意圖如圖2所示。在其密封表面上加工出多道同心圓溝槽（金屬波齒環(huán)），以金屬波齒環(huán)為基體，其密封面貼以柔性石墨材料而構(gòu)成的組合式墊片。由于特殊構(gòu)造的金屬波齒環(huán)具有一定的回彈性能，柔性石墨作為密封面又具有良好的密封性能，故波齒復(fù)合墊片在石化法蘭密封中得到廣泛的應(yīng)用。但目前波齒復(fù)合墊片的生產(chǎn)大多依靠經(jīng)驗(yàn)，墊片的質(zhì)量也參差不齊［2－3］。根據(jù)GB/T4338-1995《金屬材料 高溫拉伸試驗(yàn)》［4］，以及進(jìn)行熱應(yīng)力分析［5］，可以發(fā)現(xiàn)墊片在高溫、螺栓預(yù)緊力、內(nèi)壓的共同作用下，若超過了材料的屈服極限，則會(huì)發(fā)生損壞及斷裂。

圖2 金屬波齒骨架密封示意圖

3 新型法蘭密封墊片

筆者設(shè)計(jì)了一種新型法蘭密封墊片，本設(shè)計(jì)針對(duì)金屬波齒墊片以及O型圈的缺點(diǎn)與不足，做出改進(jìn)與創(chuàng)新，設(shè)計(jì)的新型墊片結(jié)構(gòu)如圖3所示。兩個(gè)橡膠O型圈都采用耐高溫高壓耐腐蝕的橡膠材料，橢圓金屬外圈采用耐高壓高溫的具有高強(qiáng)度和一定彈性變形的金屬材料，金屬骨架可采用1Cr13、0Cr18Ni9等材料［6］，在O型圈和波齒骨架之外填充石墨。

圖3 新型墊片斷面結(jié)構(gòu)

使用時(shí)，安裝法蘭裝置后上緊螺栓，首先在預(yù)緊力的作用最內(nèi)圈的橡膠圈先被壓縮變形，產(chǎn)生第一層密封。然后隨著負(fù)載的變化，第二個(gè)橡膠圈也產(chǎn)生變形量。兩個(gè)橡膠圈的變形量最高可達(dá)40%以上，已經(jīng)足以達(dá)到良好的密封效果。此時(shí)法蘭接口的主要密封環(huán)節(jié)是由墊片內(nèi)的O型橡膠圈在起作用。如果負(fù)載繼續(xù)增加，波齒骨架產(chǎn)生變形，再次加強(qiáng)密封，而且波齒骨架以及兩個(gè)O型橡膠圈都有回彈性，能夠隨著負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮量，從而產(chǎn)生最佳的密封效果。當(dāng)橡膠圈受管道內(nèi)介質(zhì)的壓力將向外側(cè)變形位移時(shí)，波齒骨架產(chǎn)生相應(yīng)的變形，有效地控制住內(nèi)側(cè)O型圈的位移，且對(duì)密封效果起到輔助作用。

4 結(jié)論

本文對(duì)法蘭密封原理進(jìn)行了分析，在總結(jié)O型圈密封和金屬波齒骨架密封形式的基礎(chǔ)之上，提出了一種新型的密封墊片結(jié)構(gòu)。即改進(jìn)了以往的墊片結(jié)構(gòu)，把石墨、O型圈和金屬波齒骨架三者組合使用、互相配合來彌補(bǔ)其單獨(dú)密封時(shí)的不足，從而達(dá)到更好的密封效果。但是本文提出的改進(jìn)墊片結(jié)構(gòu)還存在一定缺陷，比如有時(shí)需要設(shè)計(jì)一定的O型圈的溝槽和各結(jié)構(gòu)之間的配合，因此，尚需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，相信隨著研究密封墊片的人越來越多，各種新型密封墊片也將層出不窮。

［1］ 齊曉杰.汽車液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］ 尚慶軍，周先軍.波齒復(fù)合墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)研究［J］.壓力容器，2003，20（7）：13-15.

［3］ 周先軍，仇性啟.波齒復(fù)合墊片壓縮回彈性能［J］.石油化工設(shè)備，2003，32（7）：12-14.

［4］ GB/T4338-1995金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

［5］ 鄭津洋.過程設(shè)備設(shè)計(jì)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1991.

［6］ 朱張校，姚可夫.工程材料［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

（編輯立 明）

A New Design of Flange Gasket

JIAO Jinyang,MAO Zhengyi,GAO Guohua
（China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

Gasket is an important sealing element in connection of flange interface,the bolt preloads clamping force on the flange sealing surface,the micro-geometry gap between the uneven surface of the flange are filled by gasket to achieve the sealing.A corrugated metal stents are used in conjunction with O-ring,graphite-filled auxiliary-seal gasket structure is used to improve the existing gasket.After tightening the bolt flange interface，the inside O-ring deformation can reach more than 40%,the lateral O-ring deformation is close to 30%,the gasket can achieve a good seal,then part of the main seal flange interface is a rubber ring gasket inside at work.When the deformation of O-ring causes tooth deformation wave,corrugated metal skeleton,O-ring and graphite materials will the role of joint sealing.

flange seals;gaskets;corrugated metal skeleton;O-ring

TH 136

A

1002－2333（2014）05－0015－02

焦金陽（1992—），男，本科在讀，專業(yè)方向?yàn)檐囕v工程。

2014-03-17

教育部2012年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（20121071）