1、墊片密封件性能

    墊片借助于螺栓的預(yù)緊載荷通過(guò)法蘭實(shí)施壓緊,使其產(chǎn)生彈性塑性變形,填充一對(duì)法蘭密封面之間的幾何間隙,切斷或阻止流體泄漏。墊片密封件性能的選擇對(duì)實(shí)現(xiàn)密封的效果影響很大。墊片的比壓力y和墊片系數(shù)m 是反映墊片性能的兩個(gè)重要參數(shù),其數(shù)值與墊片的種類和材質(zhì)有關(guān)。y值、m值越大,則表明墊片達(dá)到密封時(shí)需要的螺栓載荷越大。

墊片的應(yīng)依據(jù)對(duì)其密封性能諸因素的評(píng)價(jià),如有y，m及管系的操作壓力、操作溫度、工作介質(zhì)、法蘭密封面的形式等。墊片的類型,對(duì)于高溫、高壓條件,多采用金屬墊片；常壓、中、低壓、中溫條件,多采用非金屬墊片；對(duì)于介于兩者之間的條件,多采用半金屬墊片；對(duì)于溫度、壓力波動(dòng)頻繁的條件,則宜回彈性好的自緊式墊片。墊片的材料,應(yīng)滿足良好的彈性復(fù)原性,適當(dāng)?shù)娜彳浶?、不污染密封介質(zhì),不腐蝕密封表面,且耐工作介質(zhì)的腐蝕,材質(zhì)不因低溫而硬化脆斷,也不因高溫而軟化塑流,應(yīng)具有應(yīng)力松馳較小的現(xiàn)象。墊片的厚度,在低、中壓的條件下,宜薄墊片,但在工作壓力較高的情況下, 則厚墊片。墊片的寬度,從承受螺栓壓緊力分析,墊片寬度越窄越易夾緊,但其寬度的下限通常為大于5mm,對(duì)金屬墊片,為了不產(chǎn)生過(guò)大的螺栓應(yīng)力,取小寬度是一個(gè)重要原則。非金屬墊片一般情況下不得重復(fù)使用,石棉橡膠墊片的使用壽命按1.5~ 2a控制。

2、栓的預(yù)緊力

    足夠的螺栓預(yù)緊力,滿足墊片y的要求是實(shí)現(xiàn)可靠密封的一個(gè)重要因素。螺栓預(yù)緊力的控制:在管道法蘭、墊片、螺栓、螺母裝配過(guò)程中,螺栓的壓緊力不可能全部轉(zhuǎn)化為墊片的應(yīng)力,盡管在螺栓的緊固過(guò)程中注意到按對(duì)角線成對(duì)進(jìn)行緊固,并做到對(duì)稱、均勻、逐漸緊固,達(dá)到松緊適度,但事實(shí)上在操作過(guò)程中不可能保持一致,真正做到這一點(diǎn)非常困難,有諸因素影響螺栓預(yù)緊力。如擰緊的工具和方法,操作人員及控制的精確度,螺栓與墊片的蠕變松馳、溫度變化等導(dǎo)致螺栓力相對(duì)分散.以上這些影響因素的分析主要圍繞法蘭、螺栓、墊片是一個(gè)整體系統(tǒng)來(lái)分析的。事實(shí)上影響泄漏的因素還很多。例如介質(zhì)的易腐蝕, 滲透性就對(duì)墊片的材料選擇,法蘭剛度的選擇以及螺栓緊固能力的設(shè)計(jì)帶有諸多要求?？傊o密封的使用應(yīng)該做到:(1)正確使用墊片密封件；(2)合適的法蘭連接形式；(3)正確緊固件和適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力,碳鋼螺栓的強(qiáng)度大于同型號(hào)不銹鋼螺栓。

    墊片性能的好壞,如回彈性能、耐高溫性能等,都直接影響到靜密封系統(tǒng)的密封性能,提高墊片的綜合性能才能有效提高密封系統(tǒng)的密封可靠性。合適的螺栓預(yù)緊力是實(shí)現(xiàn)可靠密封的重要因素。螺栓預(yù)緊力較小,無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的密封,預(yù)緊力過(guò)大則可能導(dǎo)致墊片壓潰使墊片喪失回彈性能。在螺栓力的作用下,剛度較差的法蘭會(huì)產(chǎn)生較大變形,引起密封面的較大偏轉(zhuǎn),進(jìn)而導(dǎo)致泄漏。法蘭密封面的形式和表面粗糙度的選擇也很重要, 如基本型墊片適用于與榫槽型密封面的法蘭相配。帶內(nèi)加強(qiáng)環(huán)的墊片適用于與凹凸型密封面的法蘭相配;帶內(nèi)、外加強(qiáng)環(huán)的墊片適用于與凸面型密封面的法蘭相配;帶外加強(qiáng)環(huán)的墊片也可用于與凸面型密封面的法蘭相配。管道的支承主要是滿足承重、限位和防振。管道在工藝運(yùn)行過(guò)程中,發(fā)生位移、彎曲及脫離支架造成靜密封失效的情況時(shí)有發(fā)生。法蘭連接的同軸度、平行度也是影響靜密封效果的重要因素, 其同軸度、平行度越差,造成靜密封失效的可能性就越大。操作條件,如壓力、溫度和介質(zhì)性質(zhì),是影響靜密封緊密性的重要因素。環(huán)境腐蝕包括水腐蝕、大氣腐蝕和土壤腐蝕,對(duì)于緊固件而言主要是工業(yè)大氣腐蝕。污染物的變化、濕度與溫度的變化,均決定著工業(yè)大氣的腐蝕強(qiáng)度,對(duì)大多數(shù)金屬材料來(lái)說(shuō),二氧化硫、硫化氫和氯將加速腐蝕過(guò)程。設(shè)備檢驗(yàn)的重點(diǎn)主要是:重要生產(chǎn)裝置或設(shè)備的進(jìn)、出口法蘭連接處。處于生產(chǎn)流程要害部位的管段及工作條件荷載較大、介質(zhì)溫度較高且易燃、易爆、有毒、承受交變載荷的管段,壓縮機(jī)、泵的進(jìn)出口部位。補(bǔ)償器、三通、彎頭(彎管)、大小頭及支管的連接處。曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)影響管道運(yùn)行的部位等。

二、新型接觸式靜密封件

    近年來(lái),在密封件制造行業(yè)中領(lǐng)先的俄羅斯及其他國(guó)家的某些公司研制和生產(chǎn)了一些新型結(jié)構(gòu)的接觸密封件,改進(jìn)了產(chǎn)品的特性并獲得了專利權(quán)?？尚督雍霞芊庵?用得最廣泛的靜密封件就是平型墊片密封件,由非金屬材料加工而成,可用法蘭、管接頭、環(huán)箍及用于各種溫度和壓力介質(zhì)的其他連接件的密封。這種墊片在使用過(guò)程中,物理機(jī)械性能不得發(fā)生變化,并且具有必要的彈性撓性 ,以補(bǔ)償在工作條件變化時(shí)連接件出現(xiàn)的位移和變形。在設(shè)計(jì)墊片和法蘭連接件時(shí),應(yīng)盡量減少法蘭的軸向壓縮應(yīng)力,所以墊片的寬度應(yīng)比法蘭寬度窄些,而所用的材料應(yīng)比法蘭材料軟些。通常,密封墊片應(yīng)采用易變形的材料(橡膠板、石棉橡膠板、氟塑料、紙板、石棉和皮革等)以及復(fù)合材料(石棉與橡膠、軟木與石棉、紙與環(huán)氧樹(shù)脂,軟金屬與彈性體等)。選擇的墊片材料的技術(shù)性能應(yīng)符合所密封的工作介質(zhì)的要求。

    橡膠被廣泛地用于制造可卸式連接件的靜密封件,因?yàn)?當(dāng)形狀變化引起變形和位移時(shí),它具有很好的彈性和較小的硬度。良好的彈性可以確保連接件在較低的工作負(fù)荷下,不致于發(fā)生滲透,硫化膠的體積變形也很小。硫化膠制成的密封件可在各種氣體和液體介質(zhì)中使用,使用壓力高達(dá)50MPa,使用溫度可從-60℃到 200℃。硫化膠密封件的缺點(diǎn)是其應(yīng)力隨時(shí)間而發(fā)生變化(即應(yīng)力松弛現(xiàn)象 )。這種表現(xiàn)可以是物理松弛作用,也可以是化學(xué)松弛作用,前者是由于硫化膠大分子中鏈段的位移和鏈的振動(dòng)斷裂所致,后者則是因硫化膠與氧的作用(老化)所引起的。松弛速率與溫度、密封件的壓縮程度、介質(zhì)的性質(zhì),硫化膠的種類有關(guān)。有些液體介質(zhì)會(huì)引起硫化膠的溶脹,使密封件的體積增大,體積變化的程度與其所密封的介質(zhì)和硫化膠的種類有關(guān)。石棉橡膠板是由石棉、橡膠和填料混合物經(jīng)硫化加工而成 (有些可不用硫化 ) ,石棉橡膠板可用作水槽、 石油產(chǎn)品、 貯運(yùn)槽、 貯氧槽的密封墊片。目前生產(chǎn)的石棉橡膠膠板的厚度有0.4、0.6、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0mm等多種規(guī)格。

   石棉是一種纖維結(jié)構(gòu)的礦物質(zhì) ,用其制成的墊片可用于高溫條件下介質(zhì)的密封件。石棉纖維在高達(dá)400℃條件下仍能保持本身的初始強(qiáng)度。在更高的溫度下 ,由于結(jié)晶水的損失 ,纖維因磨蝕而變成粉末。如果溫度達(dá) 700℃,這一過(guò)程將會(huì)瞬間發(fā)生。所以,石棉材料最高使用溫度可以達(dá) 470℃(最佳使用溫度為 260℃)。石棉幾乎可與任何材料混合起來(lái)使用。石棉可加工成石棉墊、石棉橡膠板 ,密封填料,增強(qiáng)帶等等。由紙板制作的墊片可用于法蘭和其他連接件的密封,生產(chǎn)的紙板有兩種型號(hào): A型為浸漬橡膠的紙板,厚度為0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1.0、1 .5mm。Б型為非浸漬橡膠的紙板,厚度為0.3、0.5、0.8、1.0、1.25、1.5、1.75、2. 0、2.25、2.5mm。厚度在0.8mm以下(含0.8 mm)的紙板可加工成板材或者卷材,大于0.8mm的只能做板材。

3密封材料和元件研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)  非石棉密封復(fù)合材料的進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)目前雖然已經(jīng)成功研制開(kāi)發(fā)了多種非石棉纖維橡膠墊片,某些產(chǎn)品的性能已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)石棉橡膠板,但普遍存在適用溫度范圍較窄、制造成本較高、抗蠕變松弛和老化性能較差等問(wèn)題,進(jìn)一步研究的重點(diǎn)之一在于基體材料及增強(qiáng)纖維的選擇。由于單純的有機(jī)或無(wú)機(jī)纖維均不能取得很好的效果,混雜纖維仍是首選,這樣可利用各種纖維的優(yōu)點(diǎn)而摒棄其缺點(diǎn)。選擇的非石棉增強(qiáng)纖維應(yīng)具有較好的耐高溫性能,足夠的單絲強(qiáng)度和韌性,容易進(jìn)行表面處理,與橡膠 (或其他樹(shù)脂) 粘結(jié)力高,較高的耐腐蝕和耐溶劑能力,還應(yīng)具有很好的性能價(jià)格比。制備中宜采用短纖維以提高材料小變形下的彈性模量和抗破壞能力 , 降低蠕變速度、應(yīng)力松弛速度和壓縮變形的累積速度。由于短纖維的存在能抑制裂紋的擴(kuò)展,從而可改善材料的撕裂強(qiáng)度和沖擊韌性,同時(shí)也使材料的致密性、耐溶脹性、耐溫性、耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性得到提高。增強(qiáng)纖維之間、纖維與基體之間在理化性能和組織結(jié)構(gòu)等方面存在較大的差別，其潤(rùn)濕性一般都不太理想,因此提高纖維與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度,是改善非石棉纖維橡膠墊片性能的重要途徑,這是進(jìn)一步研究的另一個(gè)重點(diǎn)。此外,有必要對(duì)復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系、蠕變和松弛特性、基本密封性能以及最小預(yù)緊比壓和密封系數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究,以便于密封材料的篩選和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

    適合特殊場(chǎng)合使用的密封材料和結(jié)構(gòu)研究在一些超高壓快開(kāi)結(jié)構(gòu),如 CO2超臨界萃取裝置中,螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)并不適用,現(xiàn)有密封材料和元件的使用效果亦不理想；在高真空、超高壓的工況條件下,如果使用金屬墊片,將使連接結(jié)構(gòu)十分龐大,對(duì)密封面狀態(tài)的要求亦將導(dǎo)致制造和維護(hù)成本急劇增加；溫度波動(dòng)劇烈的場(chǎng)合對(duì)密封材料和結(jié)構(gòu)的要求更高,單一材料的密封元件很難適應(yīng)這種環(huán)境。南京工業(yè)大學(xué)流體密封與測(cè)控技術(shù)研究室已成功開(kāi)發(fā)出多種適用于特殊工況的密封元件。如圓柱彈簧外覆薄金屬的特種彈性金屬墊片既可用于高真空,又可用于超高壓條件,已在核工業(yè)和航空航天工業(yè)部門得到應(yīng)用；對(duì)C形環(huán)密封墊片進(jìn)行改進(jìn) , 由金屬與適宜的非金屬?gòu)?fù)合制成的密封元件可適用于超高壓快開(kāi)裝置中。適用于溫度波動(dòng)劇烈場(chǎng)合的密封元件的研制是目前密封領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。  納米材料在靜密封領(lǐng)域的應(yīng)用。納米材料是近年來(lái)科學(xué)上的一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn) , 已經(jīng)成為當(dāng)今許多學(xué)科研究的熱點(diǎn)。通常材料尺寸的減小,不會(huì)引起材料性質(zhì)的變化 , 但當(dāng)材料尺寸小至納米級(jí)時(shí),其某些理化性質(zhì)將發(fā)生突變,呈現(xiàn)與原來(lái)物質(zhì)差異甚大的特性。利用納米材料表面嚴(yán)重的配位不足,具有極強(qiáng)活性的特點(diǎn),可蠕變性能和抗老化性能。為了改善硅橡膠性能,可用納米SiO2部分取代普通 TiO2,以提高其強(qiáng)度、彈性和耐磨性。納米材料還可制成一些高分子材料,這些高分子材料可作為新型橡膠材料的補(bǔ)強(qiáng)填料。將納米氧化鋁添加到氧化鋁陶瓷中,可以增加其韌性和延展性,降低其脆性,制成高品質(zhì)陶瓷纖維。以納米改性橡膠為基體、以納米改性纖維為增強(qiáng)纖維,有望制成新型高性能密封材料和元件。

    密封元件的性能直接影響連接結(jié)構(gòu)的緊密性。現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)飛速發(fā)展,使過(guò)程工業(yè)裝備日趨高參數(shù)、大型化,新的工藝不斷涌現(xiàn),一些傳統(tǒng)的密封材料和結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足對(duì)系統(tǒng)和裝備日趨嚴(yán)格的緊密性要求。因而開(kāi)發(fā)新型密封材料和結(jié)構(gòu)始終是密封技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

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