非石棉垫片密封可靠性研究

2018-09-27常绍亚沈金根张文成

大经贸 2018年6期

常绍亚沈金根张文成

【摘要】本文综述了非石棉密封垫片的密封原理及基本性能，对某制冷设备法兰连接泄漏故障进行分析，对非石棉密封垫片的选用提出一些建议。

【关键词】非石棉垫片密封性能

1 密封机理

密封是防止气体、液体或者固体的泄漏与组织外部颗粒、流体进入密闭空间或管道系统的功用。能起密封作用的零部件称为密封件。较为复杂的密封连接称之为密封结构或密封装置。密封失效可能是造成能源和材料资源的浪费、环境的污染，甚至设备的报废和人员的伤亡。流体密封是一个复杂而较难解决的问题，密封的可靠性不仅与所采用的密封材质和密封元件有关，而且与连接结构形式、介质特性、工况条件等诸多因素有关。

2 垫片密封失效分析

2.1垫片泄漏形式

垫片泄漏有两种形式，即界面泄漏和渗透泄漏。两连接件表面，从机械加工的微观纹理来看，存在粗糙度和变形的问题，它们与垫片之间总是存在泄漏通道，由此产生的流体泄漏称为界面泄漏；对非金属材质的一类垫片而言，从材料的微观结构来看，本身存在的微小缝隙或细微的毛细管，具有一定压力的流体自然容易通过它们渗漏出来，此称为渗透泄漏。

对于渗透泄漏，通过不同材料的复合或机械组合形成不渗透性结构，或者使用较大的夹紧力使材料更加密实，减少以至消除泄漏.

2.2垫片设计选型

垫片的密封特性曲线，垫片压紧放松到一定程度时候即出现泄漏，在密封特性曲线上反映这一点的是，也就是所垫片密封所需要的最小压紧应力为，对应于一定的内压，当预紧应力小于时，垫片不能做到有效的密封，所以是垫片密封与未密封的分界点，也称为“漏点”，是压紧程度的最低极限。如图1所示。

在开始出现泄漏时，垫片的有效压紧应力与内压之比为：m=σc/Pi，垫片系数m是设计、选择密封垫的重要参数，保证密封的必要条件是：有效压紧应力σg≥σc

3 失效典型案例分析

3.1事件描述

某制冷行业公司在生产多年制冷换热器后，突然出现非石棉垫片存在批量泄漏情况。

3.2失效分析步骤

（1）设计选型

经核实此制冷换热器的非石棉密封垫片设计选型符合要求，初始力矩值满足结构密封需求故可排除设计异常

（2）垫片本身材质缺陷

安排取得垫片的样件，主要通过宏观试验及微观试验进行复查。宏观试验主要通过耐火性试验、抗拉试验、回弹率测试等型式试验，未发现明显缺陷。微观试验通过高清晰度的光学显微镜观察，未发现明显分层等缺陷。即可排除因本身材质缺陷造成泄漏通道。

（3）过程装配工艺缺陷

（a）初步分析：该型垫片目前经计算初始力矩值220N.M，現场根据压缩复原曲线推断垫片厚度变化面压应该大于40MPa，满足气体密封紧固面压要求。而从周边厚度变化的程度推断，周边紧固面压可能仅为5～10Mpa，达不到密封要求，为此时泄漏的量较大。从垫片内部渗透出来的气泡较大，内部的空隙没有被充分的压缩，说明垫片被压缩的量很小，导致气体从垫片的内部泄漏出来。

（b）提升一定打紧力矩观察：由于提高了紧固扭矩，垫片的泄漏情况有所好转，但仍有各别部位发生细微的泄漏。拆下垫片进行厚度测试发现，本次安装的垫片，周围厚度变化率达到5%，根据压缩复原曲线推断垫片外围紧固面压在10～20MPa 左右，比第一次的面压状况有所提升，因此反映到垫片的泄漏状况也有所好转。因此这里可以大致推断，加大紧固扭矩，提升紧固面压，能够有效的改善泄漏状况，提高密封效果。

（c）观察表面面压分布情况；采用感压纸与垫片同时安装，按照220NM 的正常安装紧固扭矩进行紧固。最终取下垫片和感压纸，观察感压纸上的颜色变化。通过设备最终测算出垫片对应点所受到的面压情况，汇总观察分布.

A：代表的是对应相应的螺栓编号处，垫片内径侧各个点，如表1

B：代表的是对应相应的螺栓编号处，垫片外径测各个点，如表2

汇总受力数据如下：

从表中数据可明显看出部分区域面压值过小不满足密封要求，特别部分外侧点甚至存在0值情况，导致产生泄漏通道，最终产生泄漏。

（4）分析推断：

从上述的结果可以清楚的看到被紧固后所受到的面压不均匀。由于紧固各个螺栓所使用的气动工具相同，最终扭力扳手所施加的扭矩也相同。故综合可判定为螺母摩擦力大且不均匀，最终导致应力分布不均匀。

（5）整改措施：

方案 1：在不改变现在所有紧固件的条件下，通过尽量减少接触面改变垫片装配结构，这样可以通过减小接触面积的手段来提高面压，达到紧固面压确保密封；

方案2：选择配合度更好的螺栓螺母，确保螺栓螺母之间的摩擦损耗降低到最小的程度，最大的保证施加的扭矩可以均匀的作用到垫片上，确保密封面的面压充足和均匀。

方案3：规范现场力矩打紧作业，进行逐步打紧，并进行对称打紧作业，保证受力均匀。

总结