低温法兰密封结构的密封性能特性研究

何俊宁

【摘要】密封结构在高压和真空以及液体的储存容器等多种设备中运用比较普遍，不管是在科学研究方面还是技术实现方面都十分重要，当前已经设计出一套相对完善的技术规范。可是低温系统中的密封结构和常温的系统相比较而言存在较大区别，由于所有材料会在低温环境下发生热胀冷缩和低温脆性等问题。因此对低温法兰密封结构的密封性能特性进行分析与研究有着深远意义。

【关键词】低温法兰；密封性；低温脆性

在密封结构的大量使用形势下，已经渐渐成形一套相对健全的技术规范。然而因为低温环境下常常会发生热胀冷缩等问题，许多结构材料有时还会和有关低温流体出现物理作用和化学反应。面对此种情形，许多密封结构和密封材料等有关因素在低温环境中的适用性必须进行重新审视，同时组织具有针对性的分析研究工作，从而制定一套科学、有效的技术规范，为低温系统的有关密封技术提供一定技术支持。

一、密封性能特性研究的重要性

在现代工业快速发展形势下，密封技术取得了一定的进步，其中密封结构的种类变得越来越多，而且运用的范围更为广泛。不管是哪种密封方式，该结构与工艺设计的关键要求就是把泄漏率控制于规定的范围之内[1]。对此，针对不同的密封结构完成准确的密封性能的有关测试，进而判断此中密封结构的性能。在密封性能的测试平台方面而言，一定要针对所有的泄漏率有关要求完成所有测试设备相关测试精度的设计，从而满足被检件的有关检漏标准要求。

二、影响密封结构泄露的主要因素

（一）被密封介质物性因素

利用相同的密封连接模式，在相同的工作环境下，其中气体的泄漏率要远远高于液体的泄漏率，而氧气的泄漏率也远远高于氮气的泄漏率。主要原因就是因为被密封介质相关物性的参数不一致导致的。而在被密封介质的有关物理性质中，在粘性方面的影响比较大。而粘度主要指流体内部的磨擦力量度，其中粘度相对较大的介质具备的泄露阻力就比较大，自身的泄漏率就相对较小，反之泄漏率就相对较大。

（二）法兰表面的粗糙度因素

在一样的密封圈的预紧比压之下，法兰的表面粗糙度就会不一样，而且泄漏率也不相同。一般情况下，表面粗糙度直接影响着泄漏量，如果粗糙度相对较大，泄露量就越大。经过研磨之后的法兰密封面形成的密封效果比较好，主要因为相对粗糙的密封表面存在的凹凸不平状况比较容易填平，进而有效降低泄露[2]。对此，选择软金属的密封圈能够有效填平法兰表面存在的凹凸，进而在一定程度上降低泄露。

（三）密封圈压紧应力因素

密封圈中压紧应力直接影响着变形。而密封圈的变形不仅可以解决法兰表面存在的不平度问题，还可以有效降低泄露。可是一旦密封圈压紧力相对较大，就会造成密封圈损失回弹能力，难以有效补偿，而又在温度和压力的影响下导致法兰面的分离，甚至造成泄漏率明显增大。对此要想保持好密封性能，一定要使密封圈上的压紧应力始终保持在允许的范围之内。

三、低温法兰密封结构的密封性能分析研究

（一）检漏形式的选取

检漏主要利运用相应的方法，选择检测仪器或是其他方式对泄露物质进行检查。泄露检测形式有多种，由于特点的不同，一定要依据有关检测要求和检漏环境等选取适宜的检漏方式。而选取泄露检测手段是一定要注重下述因素： 不管选取哪种检漏方式，一定要深入了解其主要工作原理，这是建立密封性能的检测平台的前提。响应时间的长短直接影响着检漏的精度与灵敏度。通常情况下，延长检测时间可以提升灵敏度。可是因为检测的时间相对较长，而且在环境条件的变化下，会导致检测精度的减小。响应时间主要包含了检测设备自身的应答时间和准备的时间等[3]。在选择检漏方式过程中一定要充分考虑这一点。在泄露点的判断方面而言，部分检漏形式仅可以判断出系统是否出现泄漏，而有的检漏形式能够明确泄漏的具体位置，另外一些检漏形式能够明确泄漏率的大小。一定要依据检漏的有关需求建立各种检漏测试设备。在检漏方式一致性方面而言，无论是检测工作人员操作是否熟练，获取的检测结果大致相同，而其他检漏方式在外行与内行运用时，获取的检测结果会存在较大差异。因此，在某些情况下一定要利用获取相同结果的检测方式。

（二）集漏空腔增压法密封性能测试装置

把所有的被检部件或是被检位置进行密封从而组成一个相对密闭的侧漏空腔。因为漏孔所漏出示漏介质通常会积聚于侧漏的空腔内，进而造成空腔的内压力和温度发生变化。经过测量一系列变化，就能够计算出泄漏率。测试装置如图1所示。

图1 垫片密封性能测试装置示意图

（三）低温下金属密封性能测试实验设备

通常情况下，在液氮温度环境下对纯金属与法兰进行密封性能的测试实验。其中实验装置和仪器主要包含JK-ISO的高真空的抽气机组和S6-3的复合真空计等。其中密封性能的测试系统如图2所示。

图2 液氦密封試验系统简图

把夹装完好的试件放入到液氮杜瓦中，首先把管道完成抽真空，其次对真空机组进行关闭，开启检漏仪。如果法兰密封试件的密封存在泄露问题，那么液氮就会流入管道，然后转变成氮气，从而被检漏设备仪器检测到[4]。该方式能够有效检测出泄露率。

（四）温度测量系统

为了可以确保气腔与检漏腔所有位置能够达到液氮的温度，必须充分考虑在有关充气腔中上部和底部以及检漏腔的底部要分别设置温度计，唯有当三个位置的温度计收集温度可以实现液氮温度时，一定要完成液氮温度区域的密封性实验。

结束语

综上所述，在低温系统中，由于受到深低温和高真空以及高压等相对严峻工作环境的严重影响，在很大程度上加大了装置在设计和生产以及运行、维护等方面的工作难度。而在低温系统中，密封结构的密封效果是十分重要的性能指标。而且低温设备与绝热结构的关系十分密切，尤其是深低温系统通常选择真空绝热的形式，在此种情况下，密封在维持真空度方面的作用非常重要。除此之外，许多低温系统关系到低温液体，为了可以有效避免液体泄漏，一定要选择适宜低温环境下的密封结构。

参考文献

[1]左卫东，于溯源，刘俊杰，10MW高温气冷堆压力容器主法兰结构的有限元接触分析[J]，核动力工程，2011，22（3）： 226-231.

[2]刘磷，顾伯勤，李传文，垫片外援最大应力对螺栓法兰连接结构泄漏率影响[J]，机械设计与制造，2012， （5）： 196-198.

[3]张建可，徐玉渭，冀勇夫，崔强，康小录，高压低温密封试验研究——部分试验结果讨论及理论分析[J]，低温工程，2010，（95）：49-52.

[4]高兴军，赵恒华，大型通用有限元分析软件ANSYS简介[J]，辽宁石油化工大学学报，2011，24（3）： 94-96.