靜密封新技術及應用

張麥秋 董衛國 何鵬飛

(湖南化工職業技術學院,湖南株洲 412004)

靜密封新技術及應用

張麥秋 董衛國 何鵬飛

(湖南化工職業技術學院,湖南株洲 412004)

靜密封管理是化工生產設備管理的重要內容。提高墊片密封的可靠性,要加強密封機理、密封墊片新材料的研究,探索科學的密封設計方法,積極采用密封預緊新方法、新工藝,提高密封的密封能力。

靜密封;密封設計;墊片;預緊

0 引 言

過去,企業主要把看得見的“跑、冒、滴、漏”作為密封管理的主要內容。隨著環境保護要求的提高,以人為本理念的提升,行業高危性的增加以及科學技術的發展,企業對裝置的密封性、工作可靠性和壽命要求愈來愈嚴格,對肉眼不能發覺的很小的泄漏(即“易揮發物的逸出”Fugitive Emission)也提出了定量要求,并采取某些泄漏方法進行檢測。

靜密封在密封管理占有主要的地位。在石油化工裝置中,靜密封的應用十分廣泛。據統計,一個年產30萬t乙烯的五套主要裝置、六套配套裝置和七個輔助車間的靜密封點多達123萬多個。目前,對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。

據統計,靜密封故障處理中,調整和更換墊片占49.2%,調整緊固螺栓占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還是密封設計、墊片及預緊。

1 密封設計

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踐上都認識到,高溫或熱循環、及腐蝕環境的作用,墊片、螺栓及法蘭發生蠕變和松弛、蛻變等對密封性能的影響要顯著得多。從1982年啟動的墊片高溫性能研究來看:希望建立溫度-應力-時間的數學模型,探索在高溫下螺栓連接的密封機理、確定引起高溫泄漏的諸多因素及它們之間的關系、提出一種能減少法蘭高溫泄漏的設計方法。其中,國際上最新的、較為典型的密封設計方法有兩種。

一是以彈性分析為基礎的方法(強度設計準則),如Waters法。被中國、美國、英國、日本等國的壓力容器設計規范所采納。該法是選定墊片類型后,通過推薦的墊片特性參數最小預緊密封比壓y和墊片系數m,求出在預緊狀態和工作狀態下、常溫和操作溫度下所需要的螺栓,同時,在預緊和操作兩種狀態下作用于法蘭時,法蘭不產生屈服和蠕變,由法蘭中的彈性應力保證法蘭強度和連接接頭的密封要求。但該方法的墊片設計系數中許多數據都是經驗數據,新產品或新材料的設計數據要通過實驗確定。

二是歐盟標準協會制定的法蘭計算標準(驗證強度和密封兩個準則)。標準規定了圓型螺栓-墊片-法蘭接頭的計算方法,計算中考慮整個法蘭-螺栓-墊片系統的特性,計算參數包括介質、法蘭、螺栓和墊片等靜態和動態的影響因子。密封性能的計算基于載荷-變形關系的彈性分析,強度計算基于極限(塑性)分析,其目的是保證結構完整性和控制接頭泄漏。該設計方法一是更加符合實際,二是影響因子太多,計算復雜,其中,最大的問題依然是墊片系數的確定。

2 墊片選擇

墊片借助預緊載荷使其產生彈性塑性變形,填充密封面之間的幾何間隙,切斷或阻止流體泄漏。墊片的設計方式、性能選擇、材料選擇、結構選擇等對實現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m是反映墊片性能的兩個重要參數,其數值與墊片的種類和材質有關。對于密封裝置而言,靜密封結構是一個非線性靜不定系統,螺栓預緊力不可能全部轉化為墊片應力,在操作階段墊片應力更是變化的。

預緊后,墊片相應產生一定的預緊變形量。當密封結構內部介質壓力上升,密封面出現卸載,直到進入工作狀態,內壓力迫使密封面有一定的分離。此時墊片上的壓縮應力隨之降低,墊片的壓縮變形量相應地減小,實際上相當于墊片增厚了,從而補償了密封面的分離,并且保持在密封面上有足夠的殘余壓緊應力,就能保證工作狀態下維持密封。墊片壓緊后卸載時的回彈量愈大,同時殘余的壓緊應力也愈大,則墊片在工作狀態下的密封性能愈好。

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

2.2 墊片材料

墊片材料應有良好的機械性能和回彈量性,滿足壓力、溫度等工況條件,耐工作介質的腐蝕,不腐蝕密封表面,且不污染密封介質,如工業發達國家因石棉橡膠墊片有至癌物已不允許使用。另外,墊片在壓縮狀態下長期運行,一般情況下會同時產生蠕變和松弛,使用時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。在常溫使用時就會發生明顯的蠕變松弛的材料,長期使用時將發生泄漏失效。

2.3 墊片類型

墊片選用的影響因素很多,主要依據溫度、壓力及其波動頻率等,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、壓力較高時選用厚墊片。對于金屬墊片,為了不產生過大的螺栓應力,盡量選取小寬度墊片,但不應小于5mm。真空、低溫工況下墊片的選擇還應注意其適應性。在一般情況下,非金屬墊片、半金屬墊片不允許重復使用。

3 密封預緊

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

3.1 密封構件

墊密封的密封預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螺栓螺母即可,重要場合選用高強度專用級螺栓螺母,特殊場合如高溫、高壓或劇烈循環場合應選用高強度全螺紋螺柱,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、結構形式及截面尺寸。要根據密封要求選擇能防止偏轉和波浪形的翹曲的法蘭,盡量不使用活套法蘭,以減少維護工作量。

3.2 密封裝配

靜密封結構是一對法蘭、螺栓、墊片等零件組成的非線性靜不定系統,要使密封達到長期可靠,裝配時應保障法蘭的螺栓預緊力均勻一致、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緊力分散性。裝配時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(見表1)。其中,利用應變儀螺母控制法、超聲波控制螺栓伸長等裝置與方法,螺栓預緊力的分散性最小可控制在±1%以內。

表1 螺栓擰緊方法及預緊力的分散性

其次要嚴格執行規定進行螺栓的熱(冷)緊。由于密封裝置是在常溫下安裝的,運行時溫度的變化將影響螺栓的預緊力,所以,高溫或低溫工作的密封件應在試運行時,按規定進行熱(冷)緊固(見表2)。

表2 密封的熱(冷)緊固溫度/℃

應注意的是,熱緊螺栓時根據設計壓力確定確定最大介質內壓,冷緊時應在卸壓后進行,熱(冷)緊固均應在保持工作溫度2 h后進行。別外要特別注意的是,在高溫或低溫工藝條件下間斷生產的裝置,每一次開工生產都要按照規定進行熱(冷)緊固,以防泄漏。

4 結 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,首先是加強密封機理的研究,探索密封泄漏諸多因素之間的因果關系,選擇科學的設計方法進行密封設計;其次是加快密封墊片新材料的研究,以適應苛刻工況條件的需要;三是要積極采用密封預緊新方法、新工藝,保障密封預緊力的均勻性,提高密封的密封能力;四是要提高員工素質,保證工藝操作的穩定性,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,湖南寧鄉人,湖南化工職業技術學院機械工程系副教授,主要研究方向:密封技術。電話:13517336089,E-mail:tozmq@126.com。