低溫法蘭密封結(jié)構(gòu)的密封性能特性研究

何俊寧

【摘要】密封結(jié)構(gòu)在高壓和真空以及液體的儲(chǔ)存容器等多種設(shè)備中運(yùn)用比較普遍，不管是在科學(xué)研究方面還是技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面都十分重要，當(dāng)前已經(jīng)設(shè)計(jì)出一套相對(duì)完善的技術(shù)規(guī)范。可是低溫系統(tǒng)中的密封結(jié)構(gòu)和常溫的系統(tǒng)相比較而言存在較大區(qū)別，由于所有材料會(huì)在低溫環(huán)境下發(fā)生熱脹冷縮和低溫脆性等問題。因此對(duì)低溫法蘭密封結(jié)構(gòu)的密封性能特性進(jìn)行分析與研究有著深遠(yuǎn)意義。

【關(guān)鍵詞】低溫法蘭；密封性；低溫脆性

在密封結(jié)構(gòu)的大量使用形勢(shì)下，已經(jīng)漸漸成形一套相對(duì)健全的技術(shù)規(guī)范。然而因?yàn)榈蜏丨h(huán)境下常常會(huì)發(fā)生熱脹冷縮等問題，許多結(jié)構(gòu)材料有時(shí)還會(huì)和有關(guān)低溫流體出現(xiàn)物理作用和化學(xué)反應(yīng)。面對(duì)此種情形，許多密封結(jié)構(gòu)和密封材料等有關(guān)因素在低溫環(huán)境中的適用性必須進(jìn)行重新審視，同時(shí)組織具有針對(duì)性的分析研究工作，從而制定一套科學(xué)、有效的技術(shù)規(guī)范，為低溫系統(tǒng)的有關(guān)密封技術(shù)提供一定技術(shù)支持。

一、密封性能特性研究的重要性

在現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展形勢(shì)下，密封技術(shù)取得了一定的進(jìn)步，其中密封結(jié)構(gòu)的種類變得越來越多，而且運(yùn)用的范圍更為廣泛。不管是哪種密封方式，該結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求就是把泄漏率控制于規(guī)定的范圍之內(nèi)[1]。對(duì)此，針對(duì)不同的密封結(jié)構(gòu)完成準(zhǔn)確的密封性能的有關(guān)測(cè)試，進(jìn)而判斷此中密封結(jié)構(gòu)的性能。在密封性能的測(cè)試平臺(tái)方面而言，一定要針對(duì)所有的泄漏率有關(guān)要求完成所有測(cè)試設(shè)備相關(guān)測(cè)試精度的設(shè)計(jì)，從而滿足被檢件的有關(guān)檢漏標(biāo)準(zhǔn)要求。

二、影響密封結(jié)構(gòu)泄露的主要因素

（一）被密封介質(zhì)物性因素

利用相同的密封連接模式，在相同的工作環(huán)境下，其中氣體的泄漏率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體的泄漏率，而氧氣的泄漏率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氮?dú)獾男孤┞?。主要原因就是因?yàn)楸幻芊饨橘|(zhì)相關(guān)物性的參數(shù)不一致導(dǎo)致的。而在被密封介質(zhì)的有關(guān)物理性質(zhì)中，在粘性方面的影響比較大。而粘度主要指流體內(nèi)部的磨擦力量度，其中粘度相對(duì)較大的介質(zhì)具備的泄露阻力就比較大，自身的泄漏率就相對(duì)較小，反之泄漏率就相對(duì)較大。

（二）法蘭表面的粗糙度因素

在一樣的密封圈的預(yù)緊比壓之下，法蘭的表面粗糙度就會(huì)不一樣，而且泄漏率也不相同。一般情況下，表面粗糙度直接影響著泄漏量，如果粗糙度相對(duì)較大，泄露量就越大。經(jīng)過研磨之后的法蘭密封面形成的密封效果比較好，主要因?yàn)橄鄬?duì)粗糙的密封表面存在的凹凸不平狀況比較容易填平，進(jìn)而有效降低泄露[2]。對(duì)此，選擇軟金屬的密封圈能夠有效填平法蘭表面存在的凹凸，進(jìn)而在一定程度上降低泄露。

（三）密封圈壓緊應(yīng)力因素

密封圈中壓緊應(yīng)力直接影響著變形。而密封圈的變形不僅可以解決法蘭表面存在的不平度問題，還可以有效降低泄露?？墒且坏┟芊馊壕o力相對(duì)較大，就會(huì)造成密封圈損失回彈能力，難以有效補(bǔ)償，而又在溫度和壓力的影響下導(dǎo)致法蘭面的分離，甚至造成泄漏率明顯增大。對(duì)此要想保持好密封性能，一定要使密封圈上的壓緊應(yīng)力始終保持在允許的范圍之內(nèi)。

三、低溫法蘭密封結(jié)構(gòu)的密封性能分析研究

（一）檢漏形式的選取

檢漏主要利運(yùn)用相應(yīng)的方法，選擇檢測(cè)儀器或是其他方式對(duì)泄露物質(zhì)進(jìn)行檢查。泄露檢測(cè)形式有多種，由于特點(diǎn)的不同，一定要依據(jù)有關(guān)檢測(cè)要求和檢漏環(huán)境等選取適宜的檢漏方式。而選取泄露檢測(cè)手段是一定要注重下述因素： 不管選取哪種檢漏方式，一定要深入了解其主要工作原理，這是建立密封性能的檢測(cè)平臺(tái)的前提。響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響著檢漏的精度與靈敏度。通常情況下，延長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間可以提升靈敏度?？墒且?yàn)闄z測(cè)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，而且在環(huán)境條件的變化下，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)精度的減小。響應(yīng)時(shí)間主要包含了檢測(cè)設(shè)備自身的應(yīng)答時(shí)間和準(zhǔn)備的時(shí)間等[3]。在選擇檢漏方式過程中一定要充分考慮這一點(diǎn)。在泄露點(diǎn)的判斷方面而言，部分檢漏形式僅可以判斷出系統(tǒng)是否出現(xiàn)泄漏，而有的檢漏形式能夠明確泄漏的具體位置，另外一些檢漏形式能夠明確泄漏率的大小。一定要依據(jù)檢漏的有關(guān)需求建立各種檢漏測(cè)試設(shè)備。在檢漏方式一致性方面而言，無論是檢測(cè)工作人員操作是否熟練，獲取的檢測(cè)結(jié)果大致相同，而其他檢漏方式在外行與內(nèi)行運(yùn)用時(shí)，獲取的檢測(cè)結(jié)果會(huì)存在較大差異。因此，在某些情況下一定要利用獲取相同結(jié)果的檢測(cè)方式。

（二）集漏空腔增壓法密封性能測(cè)試裝置

把所有的被檢部件或是被檢位置進(jìn)行密封從而組成一個(gè)相對(duì)密閉的側(cè)漏空腔。因?yàn)槁┛姿┏鍪韭┙橘|(zhì)通常會(huì)積聚于側(cè)漏的空腔內(nèi)，進(jìn)而造成空腔的內(nèi)壓力和溫度發(fā)生變化。經(jīng)過測(cè)量一系列變化，就能夠計(jì)算出泄漏率。測(cè)試裝置如圖1所示。

圖1 墊片密封性能測(cè)試裝置示意圖

（三）低溫下金屬密封性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備

通常情況下，在液氮溫度環(huán)境下對(duì)純金屬與法蘭進(jìn)行密封性能的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。其中實(shí)驗(yàn)裝置和儀器主要包含JK-ISO的高真空的抽氣機(jī)組和S6-3的復(fù)合真空計(jì)等。其中密封性能的測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 液氦密封試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

把夾裝完好的試件放入到液氮杜瓦中，首先把管道完成抽真空，其次對(duì)真空機(jī)組進(jìn)行關(guān)閉，開啟檢漏儀。如果法蘭密封試件的密封存在泄露問題，那么液氮就會(huì)流入管道，然后轉(zhuǎn)變成氮?dú)?，從而被檢漏設(shè)備儀器檢測(cè)到[4]。該方式能夠有效檢測(cè)出泄露率。

（四）溫度測(cè)量系統(tǒng)

為了可以確保氣腔與檢漏腔所有位置能夠達(dá)到液氮的溫度，必須充分考慮在有關(guān)充氣腔中上部和底部以及檢漏腔的底部要分別設(shè)置溫度計(jì)，唯有當(dāng)三個(gè)位置的溫度計(jì)收集溫度可以實(shí)現(xiàn)液氮溫度時(shí)，一定要完成液氮溫度區(qū)域的密封性實(shí)驗(yàn)。

結(jié)束語

綜上所述，在低溫系統(tǒng)中，由于受到深低溫和高真空以及高壓等相對(duì)嚴(yán)峻工作環(huán)境的嚴(yán)重影響，在很大程度上加大了裝置在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)以及運(yùn)行、維護(hù)等方面的工作難度。而在低溫系統(tǒng)中，密封結(jié)構(gòu)的密封效果是十分重要的性能指標(biāo)。而且低溫設(shè)備與絕熱結(jié)構(gòu)的關(guān)系十分密切，尤其是深低溫系統(tǒng)通常選擇真空絕熱的形式，在此種情況下，密封在維持真空度方面的作用非常重要。除此之外，許多低溫系統(tǒng)關(guān)系到低溫液體，為了可以有效避免液體泄漏，一定要選擇適宜低溫環(huán)境下的密封結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1]左衛(wèi)東，于溯源，劉俊杰，10MW高溫氣冷堆壓力容器主法蘭結(jié)構(gòu)的有限元接觸分析[J]，核動(dòng)力工程，2011，22（3）： 226-231.

[2]劉磷，顧伯勤，李傳文，墊片外援最大應(yīng)力對(duì)螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)泄漏率影響[J]，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012， （5）： 196-198.

[3]張建可，徐玉渭，冀勇夫，崔強(qiáng)，康小錄，高壓低溫密封試驗(yàn)研究——部分試驗(yàn)結(jié)果討論及理論分析[J]，低溫工程，2010，（95）：49-52.

[4]高興軍，趙恒華，大型通用有限元分析軟件ANSYS簡(jiǎn)介[J]，遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，24（3）： 94-96.