關(guān)于非石棉墊片密封性能影響因素研究與分析

沈金根 張文成 姚飛飛 常紹亞 黃小龍

格力電器(合肥)有限公司 安徽 合肥 230088

引言

非石棉密封材料是指不含石棉成份,而其性能接近或完全達到含石棉成份的密封材料,主要有非石棉橡膠板、非石棉盤根、非石棉密封墊等。其具有優(yōu)異的物理特性和化學特性,如耐高溫性、絕緣性、絕熱性和耐腐蝕性,同時還具有很高的機械抗拉強度,能與橡膠等材料充分結(jié)合等等,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科技的裝備中得到廣泛的應(yīng)用。

1 背景

中央空調(diào)模塊機干式蒸發(fā)器氟系統(tǒng)為了保證密封效果使用非石棉墊片進行配合,但在生產(chǎn)過程中由于各種因素影響,墊片裝配后會存在泄漏情況,影響機組換熱性能,本文主要針對非石棉墊片密封影響因素進行研究分析,解決非石棉墊片在模塊機氟系統(tǒng)密封泄漏問題,提高機組可靠性。近期公司在模塊機干式蒸發(fā)器試壓檢漏工序發(fā)現(xiàn)用于氟系統(tǒng)密封的華爾卡墊片(型號6501,厚度2mm)存在泄漏情況,使用檢漏液檢驗墊片中間出現(xiàn)白色泡沫,為管程氣體通過墊片內(nèi)部縫隙滲透出來導致,影響機組質(zhì)量。

2 墊片密封原理和泄漏形式

2.1 密封原理：通過對墊片進行壓縮,使其與密封面間產(chǎn)生足夠的壓力,以阻止介質(zhì)通過材料本身的滲透,同時保證墊片對連接件有較大的順應(yīng)性,即墊片材料受壓縮后發(fā)生的彈性或塑性變形能夠填塞密封面的變形和表面粗糙度,以堵塞界面泄漏的通道。

2.2 泄露三種形式：

界面泄漏：主要存在粗糙度和變形的問題,與墊片之間存在泄漏通道;占總泄漏量的80%～90%。

滲透泄漏：存在的微小縫隙或細微的毛細管,具有一定壓力的流體容易滲漏出來,占總泄漏量的10%～20%。

吹出泄漏：密封面分離(載荷下降或墊片碎裂),屬于事故性泄露。

3 墊片密封失效機理

3.1 墊片壓縮應(yīng)力不足(面壓)：裝配中墊片表面受到的壓強不足,達不到墊片密封所需的壓縮量,內(nèi)部縫隙通道無法完全壓實,出現(xiàn)滲透泄漏;參考(華爾卡6500 型號)墊片壓縮復原特性曲線,墊片壓縮量控制在7%～15%時密封效果最佳。

圖1 面壓值與壓縮率關(guān)系曲線圖

3.2 法蘭平面度影響：法蘭面局部存在變形,導致密封面上應(yīng)力分布部不均勻,墊片無法與法蘭面完全嵌合出現(xiàn)泄漏;

3.3 墊片材質(zhì)異常：物理性能指標達不到要求,出現(xiàn)泄漏;墊片主要力學性能為壓縮率和回彈率;

3.3.1 壓縮率：通過預(yù)緊力使墊片發(fā)生彈塑性變形,一方面填補密封表面的泄漏缺陷,另一方面消除密封材料內(nèi)部的空隙,以阻止流體介質(zhì)通過密封材料本身滲透及密封面之間的泄漏。

3.3.2 回彈率：密封墊片在工作時,由于溫度、內(nèi)壓等引起軸向推力使密封面發(fā)生分離,又要求墊片有足夠的回彈能力彌補該分離量且保持墊片與密封面之間有足夠的殘余壓緊力,維持密封作用。

壓縮率和回彈率的決定因素：

墊片特性

材料配方(纖維、填料含量及與基體的結(jié)合)、制備工藝

纖維特性對壓縮回彈性能影響較大

表1 墊片物理性能及技術(shù)要求

4 墊片密封影響因素研究

4.1 墊片面壓值與打緊力矩關(guān)系

密封墊片面壓核算公式：P=(T*n)/(μ*D*A)

式中：P—法蘭壓力T—螺栓扭矩n—螺栓個數(shù)D—螺栓直徑(mm)A—墊片受法蘭面覆蓋的面積(mm2)μ—摩擦因數(shù)(干體螺栓0.2,潤滑螺栓0.15)

通過計算,按照干體螺栓摩擦因數(shù)0.2,繪制的160E 和130E殼管的力矩與墊片面壓曲線如下：

圖2 130E機型墊片裝配力矩與面壓曲線

研究結(jié)論：

墊片密封面壓值與裝配扭矩成正比關(guān)系,在一定范圍內(nèi)扭矩增大,墊片面壓值也隨著增大,為了保證墊片達到密封要求,必須保證最小扭矩值滿足墊片密封面壓值。

4.2 螺栓摩擦系數(shù)影響

目前在裝配工藝上通過控制扭矩來間接實現(xiàn)軸向夾緊力的控制。但是扭矩和軸向夾緊力的關(guān)系受到螺紋聯(lián)接副的摩擦條件(即摩擦因數(shù))的直接影響。高強度螺栓在使用安裝過程中,其摩擦主要表現(xiàn)為螺母螺紋與螺栓螺紋之間的摩擦;螺母底面和設(shè)備支撐板接觸面間的摩擦;螺栓支撐面和支撐板接觸面間的摩擦。

螺栓的摩擦系數(shù)實驗采用多功能螺栓緊固分析系統(tǒng),可以測量下表中要求測量的項目,并通過測試分析軟件系統(tǒng)求得總摩擦系數(shù)、螺紋之間的摩擦系數(shù)、以及支承面摩擦系數(shù)。

以160E機型裝配墊片為例,力矩220N.m,不同摩擦因數(shù)的螺栓裝配后,計算出的墊片面壓值不同。

表2 不同摩擦因數(shù)的螺栓對應(yīng)面壓值

研究結(jié)論：

螺栓的潤滑度與墊片面壓存在反比關(guān)系,螺栓摩擦因數(shù)大在打緊過程中力的損耗越大,現(xiàn)實裝配應(yīng)考慮螺栓的摩擦因數(shù)影響。

圖3 螺栓打緊后預(yù)緊力值表現(xiàn)

4.3 法蘭平面度影響

墊片最小厚度計算公式：

tmin=2×法蘭粗糙度的最大深度(或法蘭的最大局部變形量)/C

式中：C——在給出的墊片應(yīng)力下的壓縮率。

計算不同變形量對應(yīng)的墊片最小厚度范圍如下：

表3 不同變形量對應(yīng)的墊片最小厚度

結(jié)論：

平面度對于墊片裝配和密封存在一定影響,需根據(jù)法蘭變形量對墊片厚度進行選型。

5 結(jié)論

5.1 墊片的面壓和壓縮率是墊片密封的主要因素,而面壓值受到力矩T、螺栓摩擦因數(shù)K、墊片面積A 等因素影響;

5.2 墊片最小厚度選型與密封面平面度有關(guān),墊片壓縮量應(yīng)滿足密封面變形后補償量;

5.3 不同機型墊片裝配力矩需進行計算,保證力矩選用合理性;