静密封新技术及应用

张麦秋 董卫国 何鹏飞

(湖南化工职业技术学院,湖南株洲 412004)

静密封新技术及应用

张麦秋 董卫国 何鹏飞

(湖南化工职业技术学院,湖南株洲 412004)

静密封管理是化工生产设备管理的重要内容。提高垫片密封的可靠性,要加强密封机理、密封垫片新材料的研究,探索科学的密封设计方法,积极采用密封预紧新方法、新工艺,提高密封的密封能力。

静密封;密封设计;垫片;预紧

0 引 言

过去,企业主要把看得见的“跑、冒、滴、漏”作为密封管理的主要内容。随着环境保护要求的提高,以人为本理念的提升,行业高危性的增加以及科学技术的发展,企业对装置的密封性、工作可靠性和寿命要求愈来愈严格,对肉眼不能发觉的很小的泄漏(即“易挥发物的逸出”Fugitive Emission)也提出了定量要求,并采取某些泄漏方法进行检测。

静密封在密封管理占有主要的地位。在石油化工装置中,静密封的应用十分广泛。据统计,一个年产30万t乙烯的五套主要装置、六套配套装置和七个辅助车间的静密封点多达123万多个。目前,对静密封的要求仍然是减少泄漏,提高可靠性,延长使用周期,减少停车损失。

据统计,静密封故障处理中,调整和更换垫片占49.2%,调整紧固螺栓占40.3%,更换法兰和螺栓的占10.5%。所以,静密封中垫密封研究的重点还是密封设计、垫片及预紧。

1 密封设计

自1974年以来,静密封研究的主要成果来自垫片性能的深入研究,特别是垫片高温性能的研究,无论在理论上还是实践上都认识到,高温或热循环、及腐蚀环境的作用,垫片、螺栓及法兰发生蠕变和松弛、蜕变等对密封性能的影响要显著得多。从1982年启动的垫片高温性能研究来看:希望建立温度-应力-时间的数学模型,探索在高温下螺栓连接的密封机理、确定引起高温泄漏的诸多因素及它们之间的关系、提出一种能减少法兰高温泄漏的设计方法。其中,国际上最新的、较为典型的密封设计方法有两种。

一是以弹性分析为基础的方法(强度设计准则),如Waters法。被中国、美国、英国、日本等国的压力容器设计规范所采纳。该法是选定垫片类型后,通过推荐的垫片特性参数最小预紧密封比压y和垫片系数m,求出在预紧状态和工作状态下、常温和操作温度下所需要的螺栓,同时,在预紧和操作两种状态下作用于法兰时,法兰不产生屈服和蠕变,由法兰中的弹性应力保证法兰强度和连接接头的密封要求。但该方法的垫片设计系数中许多数据都是经验数据,新产品或新材料的设计数据要通过实验确定。

二是欧盟标准协会制定的法兰计算标准(验证强度和密封两个准则)。标准规定了圆型螺栓-垫片-法兰接头的计算方法,计算中考虑整个法兰-螺栓-垫片系统的特性,计算参数包括介质、法兰、螺栓和垫片等静态和动态的影响因子。密封性能的计算基于载荷-变形关系的弹性分析,强度计算基于极限(塑性)分析,其目的是保证结构完整性和控制接头泄漏。该设计方法一是更加符合实际,二是影响因子太多,计算复杂,其中,最大的问题依然是垫片系数的确定。

2 垫片选择

垫片借助预紧载荷使其产生弹性塑性变形,填充密封面之间的几何间隙,切断或阻止流体泄漏。垫片的设计方式、性能选择、材料选择、结构选择等对实现密封的效果影响很大。

2.1 垫片性能

垫片的比压力y和垫片系数m是反映垫片性能的两个重要参数,其数值与垫片的种类和材质有关。对于密封装置而言,静密封结构是一个非线性静不定系统,螺栓预紧力不可能全部转化为垫片应力,在操作阶段垫片应力更是变化的。

预紧后,垫片相应产生一定的预紧变形量。当密封结构内部介质压力上升,密封面出现卸载,直到进入工作状态,内压力迫使密封面有一定的分离。此时垫片上的压缩应力随之降低,垫片的压缩变形量相应地减小,实际上相当于垫片增厚了,从而补偿了密封面的分离,并且保持在密封面上有足够的残余压紧应力,就能保证工作状态下维持密封。垫片压紧后卸载时的回弹量愈大,同时残余的压紧应力也愈大,则垫片在工作状态下的密封性能愈好。

垫片在温度较高的工作条件下,要考虑垫片的强度问题和温度作用下的承受能力,如高温下强度下降、回弹率降低、有机材料填充剂的软化及分解等。对于高温非石棉垫片可采用模拟燃烧筛选实验(FIRS)、高温时效拉伸/筛选实验(ATRS和 HATR)、热态密封实验(HOTT,EHOT和AHOT)、时效松弛泄漏实验(ARLA)、模拟燃烧密封性实验(FITT)来筛选和评定垫片材料的长期力学性能与密封性能。

2.2 垫片材料

垫片材料应有良好的机械性能和回弹量性,满足压力、温度等工况条件,耐工作介质的腐蚀,不腐蚀密封表面,且不污染密封介质,如工业发达国家因石棉橡胶垫片有至癌物已不允许使用。另外,垫片在压缩状态下长期运行,一般情况下会同时产生蠕变和松弛,使用时要充分考虑垫片蠕变松弛行为的影响,如石棉橡胶垫片(我国至今尚未禁用)200℃的松弛是常温的3～5倍。在常温使用时就会发生明显的蠕变松弛的材料,长期使用时将发生泄漏失效。

2.3 垫片类型

垫片选用的影响因素很多,主要依据温度、压力及其波动频率等,选择金属垫片、非金属垫片、半金属垫片或自紧式垫片。依据压力选择垫片的厚度,如中低压情况下选用薄垫片、压力较高时选用厚垫片。对于金属垫片,为了不产生过大的螺栓应力,尽量选取小宽度垫片,但不应小于5mm。真空、低温工况下垫片的选择还应注意其适应性。在一般情况下,非金属垫片、半金属垫片不允许重复使用。

3 密封预紧

为满足垫片比压力[y]的要求,静密封必须有足够的预紧力。影响预紧的因素很多,除垫片性能外,密封构件本身的因素及装配是否科学合理是实现可靠密封的重要因素。

3.1 密封构件

垫密封的密封预紧力是由螺栓提供的。工艺条件不同,螺栓选用不同,一般情况选用商品级螺栓螺母即可,重要场合选用高强度专用级螺栓螺母,特殊场合如高温、高压或剧烈循环场合应选用高强度全螺纹螺柱,如 35CrMoA、25CrMoVA、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2等材料制造的螺柱。

密封法兰的强度及刚性在静密封中显得非常重要,法兰的刚度不足所引起的任何变形都将直接影响垫片的压紧应力,从而引起泄漏。影响法兰刚度的因素主要有法兰材料的弹性模量、结构形式及截面尺寸。要根据密封要求选择能防止偏转和波浪形的翘曲的法兰,尽量不使用活套法兰,以减少维护工作量。

3.2 密封装配

静密封结构是一对法兰、螺栓、垫片等零件组成的非线性静不定系统,要使密封达到长期可靠,装配时应保障法兰的螺栓预紧力均匀一致、比压力满足工艺要求。

首先要选择合适的拧紧工具和控制方法控制螺栓预紧力分散性。装配时拧紧工具和控制方法的选择非常重要,近年来,新的拧紧工具、程序及控制方法不断出现(见表1)。其中,利用应变仪螺母控制法、超声波控制螺栓伸长等装置与方法,螺栓预紧力的分散性最小可控制在±1%以内。

表1 螺栓拧紧方法及预紧力的分散性

其次要严格执行规定进行螺栓的热(冷)紧。由于密封装置是在常温下安装的,运行时温度的变化将影响螺栓的预紧力,所以,高温或低温工作的密封件应在试运行时,按规定进行热(冷)紧固(见表2)。

表2 密封的热(冷)紧固温度/℃

应注意的是,热紧螺栓时根据设计压力确定确定最大介质内压,冷紧时应在卸压后进行,热(冷)紧固均应在保持工作温度2 h后进行。别外要特别注意的是,在高温或低温工艺条件下间断生产的装置,每一次开工生产都要按照规定进行热(冷)紧固,以防泄漏。

4 结 语

静密封失效是多方面因素造成的。提高垫片密封的可靠性,首先是加强密封机理的研究,探索密封泄漏诸多因素之间的因果关系,选择科学的设计方法进行密封设计;其次是加快密封垫片新材料的研究,以适应苛刻工况条件的需要;三是要积极采用密封预紧新方法、新工艺,保障密封预紧力的均匀性,提高密封的密封能力;四是要提高员工素质,保证工艺操作的稳定性,提高密封寿命。

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

张麦秋(1963-),男,湖南宁乡人,湖南化工职业技术学院机械工程系副教授,主要研究方向:密封技术。电话:13517336089,E-mail:tozmq@126.com。