一种新型法兰连接垫片设计

焦金阳， 毛正义， 高国华

（中国石油大学（华东），山东青岛266580）

一种新型法兰连接垫片设计

焦金阳， 毛正义， 高国华

（中国石油大学（华东），山东青岛266580）

垫片是法兰连接接口的重要密封元件，在螺栓预紧力的作用下对法兰密封面施加压紧力，由垫片填塞住法兰面凹凸不平的微观几何间隙来实现密封。文中对现有的垫片进行改进，采用一种金属波齿骨架与O型圈结合，石墨填充辅助密封的垫片结构。法兰接口的螺栓拉紧后，内侧O型圈变形量可达到40%以上，外圈橡胶圈变形接近30%，垫片能达到良好的密封效果，此时法兰接口的主要密封环节是由垫片内侧的橡胶圈在起作用。当橡胶圈的变形量达到使波齿骨架变形时，金属波齿骨架、O型圈和石墨材料三者共同起密封作用。

法兰密封；垫片；金属波齿骨架；O型圈

0 引言

法兰接口通常由两片法兰、螺栓、螺母、垫片组成。由于现代生活的快速发展和绿色生活的要求，对垫片的密封性能要求也越来越高。目前市场上有两种比较典型的密封形式，即O型圈密封与金属波齿垫片密封。虽然两者均具有很多密封优点，但也有在密封过程中的不足之处。为了能有更好的密封垫片，有必要对现有的垫片做出创新和改进，以满足人们在生产过程中的各种需要。

本文针对这两种密封形式进行简要分析，并提出了所设计的一种新型法兰密封垫片。

1 O型圈密封

O型圈密封是一种挤压型密封，其密封示意图如图1所示。装配后［1］O型圈在径向有一定的压缩，依靠压缩变形在耦合面上产生一定的接触应力而起到密封作用。且O型圈既可用于静密封，又可用于动密封，但当压力较高时，O型圈可能被挤变形，从而导致损坏，无良好的密封效果。

图1 O型圈密封示意图

2 金属波齿骨架密封

波齿复合垫片是以金属材料为骨架，其密封示意图如图2所示。在其密封表面上加工出多道同心圆沟槽（金属波齿环），以金属波齿环为基体，其密封面贴以柔性石墨材料而构成的组合式垫片。由于特殊构造的金属波齿环具有一定的回弹性能，柔性石墨作为密封面又具有良好的密封性能，故波齿复合垫片在石化法兰密封中得到广泛的应用。但目前波齿复合垫片的生产大多依靠经验，垫片的质量也参差不齐［2－3］。根据GB/T4338-1995《金属材料 高温拉伸试验》［4］，以及进行热应力分析［5］，可以发现垫片在高温、螺栓预紧力、内压的共同作用下，若超过了材料的屈服极限，则会发生损坏及断裂。

图2 金属波齿骨架密封示意图

3 新型法兰密封垫片

笔者设计了一种新型法兰密封垫片，本设计针对金属波齿垫片以及O型圈的缺点与不足，做出改进与创新，设计的新型垫片结构如图3所示。两个橡胶O型圈都采用耐高温高压耐腐蚀的橡胶材料，椭圆金属外圈采用耐高压高温的具有高强度和一定弹性变形的金属材料，金属骨架可采用1Cr13、0Cr18Ni9等材料［6］，在O型圈和波齿骨架之外填充石墨。

图3 新型垫片断面结构

使用时，安装法兰装置后上紧螺栓，首先在预紧力的作用最内圈的橡胶圈先被压缩变形，产生第一层密封。然后随着负载的变化，第二个橡胶圈也产生变形量。两个橡胶圈的变形量最高可达40%以上，已经足以达到良好的密封效果。此时法兰接口的主要密封环节是由垫片内的O型橡胶圈在起作用。如果负载继续增加，波齿骨架产生变形，再次加强密封，而且波齿骨架以及两个O型橡胶圈都有回弹性，能够随着负载的变化自动调节压缩量，从而产生最佳的密封效果。当橡胶圈受管道内介质的压力将向外侧变形位移时，波齿骨架产生相应的变形，有效地控制住内侧O型圈的位移，且对密封效果起到辅助作用。

4 结论

本文对法兰密封原理进行了分析，在总结O型圈密封和金属波齿骨架密封形式的基础之上，提出了一种新型的密封垫片结构。即改进了以往的垫片结构，把石墨、O型圈和金属波齿骨架三者组合使用、互相配合来弥补其单独密封时的不足，从而达到更好的密封效果。但是本文提出的改进垫片结构还存在一定缺陷，比如有时需要设计一定的O型圈的沟槽和各结构之间的配合，因此，尚需进一步优化改进，相信随着研究密封垫片的人越来越多，各种新型密封垫片也将层出不穷。

［1］ 齐晓杰.汽车液压与气压传动［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［2］ 尚庆军，周先军.波齿复合垫片结构参数研究［J］.压力容器，2003，20（7）：13-15.

［3］ 周先军，仇性启.波齿复合垫片压缩回弹性能［J］.石油化工设备，2003，32（7）：12-14.

［4］ GB/T4338-1995金属材料高温拉伸试验［S］.北京：中国标准出版社，1996.

［5］ 郑津洋.过程设备设计［M］.北京:化学工业出版社，1991.

［6］ 朱张校，姚可夫.工程材料［M］.北京:清华大学出版社，2011.

（编辑立 明）

A New Design of Flange Gasket

JIAO Jinyang,MAO Zhengyi,GAO Guohua
（China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

Gasket is an important sealing element in connection of flange interface,the bolt preloads clamping force on the flange sealing surface,the micro-geometry gap between the uneven surface of the flange are filled by gasket to achieve the sealing.A corrugated metal stents are used in conjunction with O-ring,graphite-filled auxiliary-seal gasket structure is used to improve the existing gasket.After tightening the bolt flange interface，the inside O-ring deformation can reach more than 40%,the lateral O-ring deformation is close to 30%,the gasket can achieve a good seal,then part of the main seal flange interface is a rubber ring gasket inside at work.When the deformation of O-ring causes tooth deformation wave,corrugated metal skeleton,O-ring and graphite materials will the role of joint sealing.

flange seals;gaskets;corrugated metal skeleton;O-ring

TH 136

A

1002－2333（2014）05－0015－02

焦金阳（1992—），男，本科在读，专业方向为车辆工程。

2014-03-17

教育部2012年大学生创新创业训练项目（20121071）