球閥中法蘭凹槽深度對墊片密封性能的影響

秦 龍，張鵬奇，郝嬌山，劉 平，李宏偉，陳 林

（1.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400700；2.璧山高新區(qū)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心，重慶 402760）

0 引言

金屬纏繞墊片是一種由一定寬度和截面形狀的金屬帶和填充材料相間連續(xù)纏繞而成的密封墊片。由于其強(qiáng)度高、壓縮回彈性能好，廣泛應(yīng)用于壓力容器的螺栓、法蘭連接系統(tǒng)。纏繞墊片根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為基本型、帶內(nèi)環(huán)型、帶外環(huán)型和帶內(nèi)外環(huán)型4 種墊片。在球閥設(shè)計生產(chǎn)制造過程中，閥體中法蘭一般選擇基本型金屬纏繞墊片和螺栓組成密封系統(tǒng)［1-2］。

球閥中法蘭為非標(biāo)法蘭，因結(jié)構(gòu)限制和實(shí)際工作環(huán)境相對復(fù)雜，缺乏可靠的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)常導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計不合理，從而引起密封失效導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，帶來嚴(yán)重的安全隱患［4-6］。因此，球閥中法蘭連接系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)對墊片密封性能至關(guān)重要。

由于非標(biāo)法蘭沒有固定的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，因此在設(shè)計時往往需要根據(jù)實(shí)際工況，在滿足強(qiáng)度和密封性的前提下對結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)整［7］。目前大多數(shù)研究仍停留在數(shù)值模擬分析或采用墊片綜合性能試驗(yàn)機(jī)代替螺栓預(yù)緊力進(jìn)行墊片密封試驗(yàn)，不能真正模擬密封系統(tǒng)［8-11］。本文采用螺栓預(yù)緊的方法進(jìn)行墊片密封性能試驗(yàn)，模擬球閥中法蘭墊片的實(shí)際使用工況，分析墊片壓縮厚度對密封性能的影響，為球閥中法蘭凹槽深度設(shè)計提供合理、可靠的理論依據(jù)，對完善球閥裝配工藝，提高閥門一次裝配合格率具有重要意義。

1 法蘭、墊片、螺栓密封系統(tǒng)受力分析

法蘭、螺栓、墊片系統(tǒng)中的核心問題是保證密封，整個工作過程可分為：未預(yù)緊工況、預(yù)緊工況和操作工況。球閥左右中法蘭采用凹槽限位型式，包括墊片內(nèi)外徑限位和厚度限位。在未預(yù)緊工況下，螺栓、法蘭、墊片之間無相互作用力；在預(yù)緊工況下，中法蘭螺栓需要克服墊片支撐力和左右中法蘭的相互作用支撐力，系統(tǒng)保持平衡狀態(tài)；隨著螺栓預(yù)緊力的增大，墊片軸向受力壓縮，厚度下降，徑向擴(kuò)張，內(nèi)徑減小，外徑增大。當(dāng)螺栓預(yù)緊力將左右中法蘭完全貼合時，繼續(xù)增加螺栓預(yù)緊力，墊片的厚度和內(nèi)外徑不變，墊片受到的壓力也不會變。圖1（a）示出墊片在未預(yù)緊工況下，螺栓、法蘭、墊片之間無相互作用力，墊片未被壓縮變形。圖1（b）示出墊片在預(yù)緊工況下，法蘭、墊片、螺栓密封系統(tǒng)整體保持受力平衡，一方面左右中法蘭受到螺栓預(yù)緊力，使左右中法蘭貼合；另一方面受到左右中法蘭間相互作用力和墊片的支撐力，使法蘭密封面分開。圖1（c）示出墊片在操作工況下，法蘭、墊片、螺栓密封系統(tǒng)整體保持受力平衡，一方面左右中法蘭受到螺栓預(yù)緊力，使左右中法蘭貼合；另一方面受到左右中法蘭間相互作用力、墊片的支撐力和中腔介質(zhì)的軸向壓力，使法蘭分開［12］。

圖1 在3 種不同工況下法蘭、螺栓、墊片連接系統(tǒng)的受力分析Fig 1 Stress analysis of flange, bolt and gasket connection system under three different working conditions

1.1 螺栓預(yù)緊力矩計算

在預(yù)緊工況下，未通入介質(zhì)，中法蘭螺栓需要克服墊片支撐力和左右中法蘭間相互作用力；在操作工況下，通入介質(zhì)過程中，隨著介質(zhì)壓強(qiáng)的增大，左右中法蘭間相互作用力逐漸減小；當(dāng)介質(zhì)壓強(qiáng)達(dá)某一強(qiáng)度值時，此時中法蘭螺栓軸向力等于墊片支撐力與介質(zhì)的內(nèi)壓力之和，左右中法蘭之間的相互作用力為0，為接觸且不受力狀態(tài)；繼續(xù)增大介質(zhì)壓強(qiáng)，因中法蘭螺栓軸向力無法克服墊片支撐力和介質(zhì)的內(nèi)壓力，螺栓被拉伸，左右中法蘭分離，墊片回彈，墊片比壓下降，達(dá)不到密封所需比壓，發(fā)生泄漏。因此，隨著介質(zhì)壓強(qiáng)的增大，要想保證法蘭墊片密封效果，必須增大螺栓力矩［13-15］。

預(yù)緊工況：

操作工況：

墊片的密封比壓：

單個螺栓力矩：

中法蘭凹槽面積：

墊片壓縮率：

式中，F(xiàn)墊為墊片受到的壓力，N；F預(yù)為螺栓提供的預(yù)緊力，N；F法為左右中法蘭限高臺階的支撐力，N；F介為中腔介質(zhì)提供的軸向壓力，N；q 為墊片受到的密封比壓，MPa；S 為中法蘭凹槽密封面面積，m2；T 為單個螺栓力矩，N·m；M螺為螺栓直徑，mm；K 為螺母系數(shù)，取0.2；1.2 為安全系數(shù)；n 為中法蘭螺栓數(shù)量；H1為墊片壓縮最終厚度，mm；H為墊片初始厚度，mm。

1.2 螺栓預(yù)緊力矩計算

當(dāng)左右中法蘭在接觸且不受力的狀態(tài)時，其相互作用力最小為0；中法蘭螺栓保證墊片密封只需要克服墊片支撐力和介質(zhì)的內(nèi)壓力。參照GB/T 12385-2008《管法蘭用墊片密封性能試驗(yàn)方法》，計算介質(zhì)壓強(qiáng)為1.1 倍的公稱壓力。當(dāng)纏繞墊片所受應(yīng)力剛好等于密封比壓69.0 MPa 時，中法蘭螺栓需要提供的軸向預(yù)緊力最小，進(jìn)而擰緊螺栓所需的力矩也是最小的。根據(jù)螺栓預(yù)緊力矩計算方法，計算單個螺栓預(yù)緊力矩，計算結(jié)果見表1。

表1 單個螺栓預(yù)緊力矩計算結(jié)果Tab.1 Calculation result of pre-tightening moment for a single bolt

2 試驗(yàn)墊片和方法

2.1 試驗(yàn)墊片

試驗(yàn)選用杭州某墊片廠提供的基本型金屬纏繞墊片，為非標(biāo)定制件。選擇DN25，DN80，DN150共3 個口徑的球閥對應(yīng)墊片進(jìn)行密封性能試驗(yàn)，根據(jù)球閥中法蘭凹槽設(shè)計尺寸，墊片廠家設(shè)計墊片尺寸，墊片結(jié)構(gòu)示意見圖2，墊片設(shè)計尺寸和實(shí)際尺寸見表2，實(shí)際尺寸滿足設(shè)計要求。

表2 墊片設(shè)計尺寸和實(shí)際尺寸Tab.2 Gasket design size and actual size mm

圖2 墊片結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of gasket structure

根據(jù)試驗(yàn)要求，墊片廠家確定墊片的材料、結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)，保證相同規(guī)格墊片參數(shù)一致，具體見表3，4。

表3 金屬鋼帶基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of metal strip

表4 非金屬材料基本參數(shù)Tab 4 Basic parameters of non-metallic materials

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)是在墊片密封性能試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，如圖3 所示，試驗(yàn)裝置由球閥中法蘭、墊片、螺栓系統(tǒng)模擬工裝、水箱、高壓氣瓶、力矩扳手等組成，可進(jìn)行常溫墊片密封性能檢測和螺栓扭矩測量。通過工裝內(nèi)的中法蘭限位凹槽及限位支撐環(huán)調(diào)整墊片壓縮目標(biāo)厚度。

圖3 墊片密封性能試驗(yàn)裝置Fig 3 Gasket sealing performance test device

2.3 試驗(yàn)方法及參數(shù)

試驗(yàn)前，將待測墊片在溫度為110 ℃烘箱中干燥1 h，然后放入干燥器中冷卻至室溫，模擬工裝法蘭密封面和支撐環(huán)用丙酮清洗干凈。根據(jù)廠家建議和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計試驗(yàn)墊片壓縮目標(biāo)厚度，通過更換支撐環(huán)調(diào)節(jié)墊片壓縮厚度［16］。試驗(yàn)設(shè)計參數(shù)見表5。

表5 墊片密封性能試驗(yàn)設(shè)計參數(shù)Tab.5 Design parameters for gasket sealing performance test

根據(jù)表1 中計算的單個螺栓預(yù)緊力矩，參照對角旋轉(zhuǎn)法，采用力矩扳手依次擰緊中法蘭螺栓，達(dá)到螺栓預(yù)緊力矩后保持15 min，此時左右中法蘭完全貼合，墊片厚度達(dá)到壓縮目標(biāo)厚度，記錄螺栓擰緊力矩。通入高壓空氣，試驗(yàn)壓強(qiáng)分別為2.2，5.5，11.0 MPa，保壓10 min，檢測墊片的密封性能，記錄泄漏氣泡數(shù)量，計算每分鐘氣泡泄漏率。檢測完成后，緩慢泄壓，最后拆卸試驗(yàn)裝置，按設(shè)計參數(shù)更換墊片、支撐環(huán)，依次進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

每個試驗(yàn)壓強(qiáng)進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)，泄漏率取平均值，排除數(shù)據(jù)偶然性造成的干擾。墊片初始厚度取3.5 mm，壓縮最終厚度取中法蘭凹槽深度尺寸，計算墊片的壓縮量和壓縮率。

3.1 不同口徑墊片的密封性能

DN25 不同材料纏繞墊片的密封性能見表6，由表中可知，在壓強(qiáng)為2.2，5.5 MPa 時，兩種墊片壓縮至2.4～2.8 mm 時的密封性能均良好，無泄漏。隨著壓強(qiáng)的增大，在壓強(qiáng)為11.0 MPa 時，兩種墊片壓縮至2.8 mm 時，發(fā)生輕微泄漏，大約1 泡/min；壓縮至2.4，2.6 mm 的兩種墊片的密封性能良好，無泄漏，滿足密封要求。

表6 DN25 不同材料纏繞墊片的密封性能Tab.6 Sealing performance of DN25 wound gaskets of different materials

DN80 不同材料纏繞墊片的密封性能見表7。由表7 可知，當(dāng)壓強(qiáng)為2.2 MPa 時，兩種纏繞墊片的密封性能良好，無泄漏；隨著壓強(qiáng)的增大，當(dāng)壓強(qiáng)為5.5 MPa 時，壓縮至2.6～2.2 mm 的四氟纏繞墊片沒有發(fā)生泄漏，壓縮至2.4～2.2 mm 的石墨纏繞墊片沒有發(fā)生泄漏，而壓縮至2.6 mm 的石墨纏繞墊片發(fā)生泄漏；在介質(zhì)壓強(qiáng)為11.0 MPa 時，壓縮至2.6，2.2 mm 的四氟纏繞墊片和石墨纏繞墊片發(fā)生泄漏，而壓縮至2.4 mm 的兩種纏繞墊片均未發(fā)生泄漏。說明并非墊片壓縮厚度越小，密封性能越好，可能是由于過度壓縮，墊片結(jié)構(gòu)被損壞導(dǎo)致密封性能下降。

表7 DN80 不同材料纏繞墊片的密封性能Tab.7 Sealing performance of DN80 wound gaskets of different materials

DN150 不同材料纏繞墊片的密封性能見表8。

表8 DN150 不同材料纏繞墊片的密封性能Tab.8 Sealing performance of DN150 wound gaskets of different materials

由表8 可以看出，DN150 墊片在壓強(qiáng)為2.2 MPa時，兩種纏繞墊片的密封性能優(yōu)秀，可以達(dá)到零泄漏；隨著壓強(qiáng)的增大，當(dāng)壓強(qiáng)增大至5.5 MPa 時，壓縮至2.4 mm 的兩種纏繞墊片均發(fā)生微小泄漏，壓縮至2.2，2.0 mm 的兩種墊片均未發(fā)生泄漏；繼續(xù)增大壓強(qiáng)至11.0 MPa，壓縮至2.4，2.2 mm 的兩種墊片均發(fā)生泄漏，壓縮至2.4 mm 的兩種墊片泄漏率急劇增大，說明此時墊片比壓遠(yuǎn)小于密封所需比壓69.0 MPa，壓縮至2.0 mm 的兩種墊片均未發(fā)生泄漏。

根據(jù)表6～8 的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)球閥設(shè)計壓強(qiáng)在2.0～10.0 MPa 時，建議3 個口徑DN25，DN80，DN150 球閥中法蘭凹槽深度依次設(shè)計為2.6，2.4，2.0 mm，對應(yīng)墊片壓縮率依次為26%，31%，43%，此時，既保證相同口徑、不同壓強(qiáng)球閥中法蘭加工統(tǒng)一性，又能保證墊片的密封性能。對比表7，8兩種材料纏繞墊片可知，在相同口徑、墊片壓縮厚度和介質(zhì)壓強(qiáng)下，四氟纏繞墊片的泄漏率小于石墨纏繞墊片，說明四氟纏繞墊片的密封性能優(yōu)于石墨纏繞墊片。

3.2 不同口徑墊片最佳密封厚度分析

圖4 示出不同口徑墊片的最佳密封厚度曲線。

圖4 不同口徑墊片的最佳密封厚度曲線Fig.4 Optimal sealing thickness curves of gaskets of different diameters

由圖中可知，當(dāng)壓強(qiáng)為2.2 MPa 時，兩種墊片3 個口徑分別為DN25，DN80，DN150 時的最佳密封厚度依次為2.8，2.6，2.4 mm；當(dāng)壓強(qiáng)為5.5 MPa時，兩種墊片3 個口徑分別為DN25，DN80，DN150時的最佳密封厚度依次為2.8，2.4，2.2 mm；當(dāng)壓強(qiáng)為11.0 MPa 時，兩種墊片3 個口徑分別為DN25，DN80，DN150 時的最佳密封厚度依次為2.6，2.4，2.0 mm。從DN25 至DN150，隨著球閥閥門口徑的增大，兩種墊片最佳密封厚度逐漸下降，根據(jù)曲線可預(yù)測DN25～DN150 范圍內(nèi)其余口徑墊片的最佳密封厚度，可為中法蘭凹槽深度設(shè)計提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)球閥設(shè)計壓強(qiáng)在2.0～10.0 MPa 時，建議3 個口徑分別為DN25，DN80，DN150 球閥中法蘭凹槽深度依次設(shè)計為2.6，2.4，2.0 mm，對應(yīng)墊片壓縮率依次為26%，31%，43%。在相同口徑、墊片壓縮厚度和介質(zhì)壓強(qiáng)下，四氟纏繞墊片的泄漏率小于石墨纏繞墊片。

（2）隨著介質(zhì)壓強(qiáng)或墊片口徑的增大，墊片最佳密封厚度逐漸減小，但并非厚度越小墊片密封性能越好。根據(jù)不同口徑球閥中法蘭墊片最佳密封厚度曲線可以預(yù)測DN25～DN150 范圍內(nèi)其他口徑墊片的最佳密封厚度。