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法兰密封与垫片的使用及原理

发布日期:2016-12-08   浏览次数:   来源:广州市工环实业有限公司   作者:工环实业
在石油化工装置中,法兰是管道、管件、阀门、仪表和设备等进行连接的最重要、最常见的形式之一。这种连接虽具有拆卸方便且不用动火等优点,但因由法兰、螺栓、垫片三者协同实现密封,其中任一元件出现问题就会造成泄漏,不仅造成浪费,而且还会污染环境,甚至造成人员伤亡及财产损失。
1 .法兰的密封
法兰连接确切地说应该是螺栓、法兰、垫片连接,其密封是靠三者的协同作用实现的,其中垫片是实现密封的核心部件。
2.法兰的密封原理
通过螺栓的预紧力,使垫片和法兰密封面之间产生足够的压力,以使垫片表面产生的变形足以填补法兰密封面的微观不平度,达到密封的目的。
为达到上述目的所作用到垫片上的最小单位压紧力,称为比压力。当与法兰连接的管道达到操作压力时,因内压的轴向力的作用导致两片法兰有分开的趋势,而螺栓则有伸长的趋势,作用在垫片上的压紧力将减少。当作用在垫片有效截面上的压紧力降至某一临界值时,仍能保持密封,这时垫片上的剩余压紧力即为垫片的有效紧固力。当垫片上压紧力小于有效紧固力时法兰就会发生泄漏,甚至将垫片吹跑,因此垫片的有效紧固力必须大于管道的操作压力。两片法兰密封面之间的距离,在操作状态要比初始状态大,这时垫片与法兰密封面的紧密性是靠垫片的回弹力来保证的。
 可以这么说,在初始密封阶段,垫片的表面塑性变形填补法兰密封面的微观不平度起决定性作用;而操作状态下法兰的密封,垫片内部的弹性回复起主导作用。
3.法兰密封的常见形式
平面法兰
优点:结构简单,加工方便。
缺点:是接触面积大,需要的预紧比压大,螺栓承载大,故法兰等零件要求高、笨重,垫片易挤出,密封性能较差。使用压力P≤2.5Mpa,有毒、易燃、易爆介质中不能使用。 
凹凸面法兰
优点:便于对中,能防垫片挤出,较少受到介质的冲刷和腐蚀。适用于压力较高的场合。
缺点:不便于垫片的更换。
榫槽面法兰
优点:由榫面、槽面配合构成,垫片安放在槽内,不会被挤出压紧面,较少受到介质的冲刷和腐蚀。由于密封面较窄,所需螺栓力较小,适用于压力更高、密封要求严格的场合,如易燃、易爆和高度或极度危害毒性介质等重要场合。
缺点:结构复杂,垫片易被挤压在槽内不易清除,更换垫片较难。另外还要注意的是,榫面法兰在运输中要加以保护,避免碰撞变形。
环连接面法兰
优点:环连接面主要用在带颈对焊法兰和整体法兰上,密封性能好,安装要求一般,使用于高温高压工况中。
缺点:密封面的加工精度极高。
4.影响法兰密封的因素
法兰密封的泄露主要是密封面间的泄露。由垫片毛细管作用而发生渗漏的可能性很小。垫片靠外力压紧后,垫片本身产生的弹性变形和塑性变形,填满密封面上微小的凹凸不平的间隙,使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的压差时,即达到密封。但是受到外界条件影响时,密封受到破坏,从而产生泄露。影响密封的因素主要有以下几个方面:
(1)操作条件的影响。操作条件即是压力,温度,介质的物化性质。石油化工厂中,低压法兰较多,往往单纯的压力或者介质因素对法兰泄露的影响并不是主要的。只有和温度联合作用时,问题才显得严重。当温度反复变化时,密封失效的可能性更大。
(2)设计参数中垫片系数和压紧比的影响。我国目前选用两者参数是通过查表《钢制压力容器》,但是垫片系数和压紧比,即使是同一材料,两者系数也还跟垫片宽度,预紧压力,介质性能,法兰密封面宽度和粗糙度等因素有关,所以,两系数究竟取多少,目前尚没有权威性的规范可以选用。
(3)螺栓预紧力的影响。提高螺栓预紧力,可以增大垫片的密封性能,但过大的螺栓与精灵,会是垫片失去弹性,甚至把垫片压坏或者基础,不能保证其在工作状态下有足够的弹性。
(4)垫片性能的影响。垫片变形包括弹性变形和塑性变形。垫片材料是影响垫片性能的主要因素,因此垫片的好坏会影响到法兰的密封。
(5)法兰刚度的影响。法兰刚度不足会产生过大的翘曲变形,往往是导致密封失效的原因之一。
(6)密封面的影响。法兰密封面的形状和粗糙度应与垫片相配合。密封面的平直度和密封面与法兰轴线的垂直度是保证垫片均匀压紧的前提,因此在设计、安装时必须考虑管线热膨胀造成的推理或偏心力的影响。否则就会容易造成法兰密封不严,引起泄露。
5.法兰的泄露
法兰的泄漏一般有两种途径:  
第1种是垫片本身的渗透作用。
第2种是垫片与法兰密封面间隙的泄漏。
由于新型密封材料的不断出现,第一种泄漏已基本能解决。日常发生的绝大多数都是第二种泄漏。在某一特定操作条件下,法兰连接所能达到的泄漏率低于某一特定的指标泄漏率;或在规定的泄漏条件下,法兰连接能够承受特定的操作条件,满足这个指标泄漏率或特定操作条件的法兰连接即视为不泄漏,或紧密的,反之则视为会泄漏,或者说是不紧密的。
法兰及螺栓的影响法兰在实际工况中受力状况很复杂,螺栓、垫片、内压都直接对法兰产生作用力,这些力可能会导致法兰的不规则变形。这些作用力从强度方面讲是没有问题的,但变形可能会导致法兰泄漏。因此,在法兰设计时不仅要满足强度要求,还要满足法兰不泄漏所要求的最小变形,即按刚度理论进行设计。
众所周知,拧紧螺栓能提高密封效果,减少泄漏率,但因受法兰和螺栓自身的强度和刚度限制,这种方法到达一定程度后无效。螺栓安装程序不当也会产生泄漏,正确的螺栓上紧顺序(十字交叉等距对称)对保证法兰连接点的密封和缩短上紧操作时间是极为重要的。
6.法兰密封垫片
提高密封效果,减少泄漏最有效的现有手段还是提高元件———垫片的性能。
法兰垫片一般分为金属垫片和非金属垫片。
非金属垫片用石棉、橡胶、合成树脂等非金属制成的垫片。
非金属包覆垫片外包一层合成树脂等的非金属垫片。
半金属垫片用金属和非金属材料制成的垫片, 如缠绕式垫片、金属包覆垫片。
a. 缠绕式垫片由V形或W形断面的金属带夹非金属带,螺旋缠绕而成的垫片。
1) 内环是设置在缠绕式垫片内圈的金属环。
2) 外环是设置在缠绕式垫片外圈的金属环。
b.金属包覆
金属垫片用钢、铝、铜、镍或蒙乃尔合金等金属制成的垫片。
金属包覆垫片特别适合热交换器,压力容器等高温高压密封部位。它有效地防止垫片的散架,介质的侵蚀,同时也提高了耐压。
各类垫片适用温度及介质条件
最后需要重点强调的是:不建议重复使用垫片。
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