法兰螺栓柔性石墨缠绕垫密封系统设计的探讨.pdf

第8期
法兰螺栓柔性石墨缠绕墊密封系统设计的探讨
梁立军,李拥军2,周一飞3,李业勤
(1.风凯换热器制造(常州)有限公司,江苏常州213100)
(2.江林重工(常州)机械有限公司,江苏常州213032
(3.常州化工设备有限公司,江苏常州213002)
[摘要]本文在现有文献研究的基础上,进一步对帯内外加强环的柔性石墨缠绕墊密封系统的设计进行了探讨,提出了有
关建议
[关键词]柔性石墨缠绕墊;带内外加强环;设计;探讨
柔性石墨是一种较为新型的密封材料,因其
具有耐高温、耐腐蚀、抗老化以及柔韧性和回弹
性好等特点,故以它作为填充材料的金属缠绕垫
在石油化工管道和设备中得到广泛应用。目前有
关标准已列入这种垫片,但通常设计所需的基本
参数y、m尚未有正式通行的标准可寻。文献在
有关文献提供的研究成果基础上,提出将允许泄
漏率作为其中的设计参数,改进了瓦特斯法设计
与泄漏率无关的不足,废弃了参数y、m,对基本
型柔性石墨缠绕垫密封系统的设计进行了研究。
本文在此基础上进一步对带内外加强环的柔性石
黑缠绕垫密封系统的设计进行了研究和探讨。
1柔性石瞾缠绕垫力学性能分析
1垫片类型
图1
根据文献到,缠绕垫有4种结构型式:基本型
如图1(a)所示,用于榫槽密封面;带内加强环
型,用于凹凸密封面;带外加强环或带内外加强
环型,用于平密封面。当压力较高时,应使用带
内外加强环型,如图1(b)所示。
1.2垫片的压缩回弹曲线
根据文献,柔性石墨缠绕垫典型的压缩回
20
弹特性曲线见图2。曲线呈非线性状态,开始压缩
阶段,垫片应力σ随着压缩量δc的增加而迅速增
大,当达到一定限度0k时,曲线趋于平坦,8
增加较多,增加不多,出现“拐点”现象。卸
载时载荷一开始接近直线下降,然后斜率逐渐减
0.10.30.50.70.9
小,至较低应力时,应力和回弹量的关系是非线
m
性的,垫片有一定的回弹能力。
图2
1.3“拐点”应力ok的计算
o:与垫片的厚度及介质压力无关,与垫片的作者筒介?梁立军(19276-)?男,天津人,硬士学位,工程
宽度N和内半径R有关。“拐点”的出现是由柔性
师,风凯换热器制造(常州)有限公司技术部经理。研究方向为
压力容器设计。
石油和化工设备
10-论文广场
2011年第14卷
石墨缠绕垫本身结构决定的。当轴向受载时,由较小;当o大于0时,斜率明显増大,即很小的
于垫片轴截面钢带及石墨带形成<形,若应力达到应力增量就能使泄漏率大大下降,这说明垫片的
某一临界值就会出现类似圆筒受轴向载荷时出现变形特性和密封性能之间存在着内在联系。回弹
的轴向失稳现象,即认为σk与垫片的压缩弹性模阶段0一L曲线近似直线,斜率很小,说明回弹阶
量E:和垫片的宽度N成正比,与内半径R成反比
段改变垫片应力对密封性能影响甚微
由:0=QE。N
2.,2垫片的密封性能分析
RI
垫片的泄漏情况可分为3种类型:I型一法兰和
推得:0k=QEc(k-1)
2)
垫片界面之间存在微隙引起的泄漏:型一垫片和
式中:k-垫片的外径和内径之比;Q-系数
法兰界面或垫片内部存在毛细孔,流体呈粘滞状
QEc与钢材及石墨的材料力学性能、结构形态的泄漏:型一流体沿垫片本体或界面向外渗
式(是否带加强环)、结构参数(缠绕钢带的厚透(扩散、分子流)形成泄漏。对柔性石墨缠绕
度、宽度)、<形的夹角以及制造工艺参数(缠绕垫片来说,界面上可能产生泄漏,当界面之间的
时钢带拉紧力、压紧力)等有关。笔者认为:对应力在。k附近时,界面上的I型泄漏消失,其泄
给定的钢材及石墨材料,结构参数及制造工艺参漏为Ⅱ型和Ⅲ型
数,垫片的压缩弹性模量Ec相同;对不同的结构
根据力平衡方程和变形协调方程,不难推得
型式,系数Q不同。如将基本型系数Q取1,则带垫片界面上:钢带的应力o1远远大于石墨带的应力
内或外加强环型Q就会大于1,月帯内外加强环型02,亦大于平均应力o平均,其原因是钢带的弹性
Q值最大。带加强环型Q值一般为1.5-2.5。
模量远大于石墨带的弹性模量,然而当平均,达
2柔性石墨缠绕垫密封性能分析
到O时,垫片发生类似失稳现象,钢带的弹性模
2.1垫片的密封性能
量相对下降,0相对减小,02相对增大,而石
瞾的屈服强度远小于钢带的屈服强度,因而导致
将垫片在不同内压P下应力0和单位周边质量
密封面上屈服范围迅速提高,界面毛细孔迅速减
泄漏率L的对应值绘在半对数坐标纸上,则可得
小,原先以型泄漏为主转变为以II型泄漏为主,
组o-L曲线。如图3所示,A1、A2、A3、A4分别
泄漏率随应力增大而减小的速度加快。
为某试验内压P为0.2、0.6、1.2Mpa时,0和L的关
系曲线。
2.3L.0.P关系方程的建立
从以上讨论可知,在墊片受载的不同阶段,
L、0、p的关系式也会不同,考虑到o>ok时压
缩阶段直线斜率大于0<0,时斜率,为方便、保守
起见,统一于0>0时直线的斜率。此外,忽略
回弹阶段应力的变化对泄漏率的影响,认为回弹
线平行于σ轴,因此,只需研究0≥0k时压缩阶段
、0、P的相互关系。
在压缩阶段,垫片应力。与垫片单位周边质
量泄漏率L在一定内压P下遵循如下规律
10
A4
L=Ae
(4)
式中:A、B-系数
由式(4)可得
01020304050
MP
将“拐点”处对应值(0ょ、Lx)代入式
图3
(5),有
压缩阶段0一L曲线由两段不同斜率的折线组
BB
成,当垫片应カ。小于“拐点”应力0时,斜率
由式(S)、(6)得: