常温4MPa环境下垫片密封性能测试装置研究

付强 刘利强 张为

1. 吉林工程技术师范学院 吉林 长春 130052；2. 长春理工大学 吉林 长春 130022

引言

螺栓法兰接头因其结构简单，装配简便，可拆卸且能够在不同工况下同时保持结构的整体性和密封性等特点而受到了广泛的应用，但它也是造成爆炸、燃烧和原料及产品逸出的主要泄露的源头之一[1]。在石化产业中，高温高压容器及管道应用更加广泛，因此对法兰的密封性能要求较高，法兰接头的密封质量也将直接关系到了整个装置是否能够正常运行和投入生产[2]。

法兰接头的密封质量取决于密封垫片的性能，合格的垫片可以极大程度降低泄漏事故的发生概率[3]。随着人们对化工装置泄漏事故重视程度的增加，为了极大程度地避免对人身财产安全的损害以及大气环境的污染，出于对产品性能以及以上因素的考虑，越来越多的专家学者对垫片的密封性能要求越来越高[4-7]。对检测垫片密封性能的需求也与日俱增。因此，设计垫片密封性能测试装置是十分有必要的。

1 整体设计

4MPa承压法兰接头密封垫片性能测试装置的工作压力为4MPa，但是由于承压设备的设计压力应为工作压力的1.05~1.10倍，故取设计压力为4.4MPa。参照GB/T 12385-2008中方法B，选取常温4MPa环境下垫片密封性能测试试验参数。

①试验垫片规格：DN50；②试验介质：惰性气体；③介质最高压力：4MPa；④试验温度：常温；⑤螺栓规格：M16*100。

图1 4MPa承压法兰接头密封垫片性能测试装置实物

1.1 法兰选型

根据GB/T 12385-2008中方法B，以及HG/T 20592-2009的要求，在本装置中选用不易变形且密封性能较好的带颈对焊法兰。由于本装置用于对不同的密封垫片进行性能测试，所以无法根据不同垫片的性能而对密封面有更详尽的要求，因此选用加工以及结构都较为简单的突面。因此选用带颈对焊突面法兰。

由于工作压力为4MPa，即可确定公称压力为PN40。通过查询国家标准，在50℃、PN40的情况下，选用公称直径DN50的法兰，该法兰的工作压力为5MPa，大于本装置的设计压力以及工作压力。即确定承压法兰为带颈对焊突面法兰，该法兰为DN50-PN40 HG/T 20592-2009。由于其工作压力在1.6~6.3MPa之间，故为锻件。

1.2 供气管路系统

由于本装置的工作压力为4MPa，即承压管路为中压，所以选择经济性以及性能都较为良好的不锈钢无缝钢管。法兰连通管道为承压管路，为了增加其承压能力以及安全性能，选用较细管道，通过查询GB/T12771-2000，即外径为12.7mm，壁厚为1.5mm，内径为9.7mm的冷轧钢管道。

介质气源由高压气瓶提供，试验压力最高可达4MPa，试验介质采用惰性气体。

图2 密封垫片泄漏量法兰承压放气部分和充气部分

1.3 气源装置选择

本承压法兰接头密封垫片性能测试装置的气源装置主要选用高压气瓶。气体从高压气瓶中通过不锈钢管路系统输至法兰空腔以及标准容器和缓冲罐中。因此高压气瓶的容积十分重要。本装置中采用的流体介质为工业氮气。管道内的气体量可忽略不计。根据查询高压气瓶规格表，选用工作压力为15MPa，试验压力为22.5MPa的高压气瓶。由于法兰空腔的容积为0.1L，工作压力为4MPa，考虑到标准容器以及缓冲罐的容积，为了多次进行试验，故选用较大容积的高压气瓶，即外径为219mm，容积为40L，长度为1330mm，重量为50kg，设计壁厚为5.7mm的高压气瓶。

2 法兰及管路强度校核

压力容器内部受力点经常处于复杂状态，很少只受一个力，大部分时候为多力复合的受力状态，如二向应力或三向应力，因此应力强度具有多种类别。而本装置中主要受内压的部分为4MPa承压法兰接头密封垫片性能测试试验装置部分，即受4MPa的内压，该装置需要进行应力强度校核。

2.1 承压法兰强度校核

4MPa承压法兰接头密封垫片性能测试装置中主要通过测量气体泄漏量等数据来评定不同材料垫片的密封性能。由于本装置的工作环境为常温中压，在试验过程中气体在法兰空腔中存在，因此法兰为承受4MPa内压的承压法兰。因此有必要对该部分试验装置中承压法兰部分进行强度校核。

2.1.1 法兰设计力矩计算。通过查询，预紧状态的法兰力矩为：

2.1.2 法兰应力计算。

2.1.2.1 轴向应力应按式（3）所示计算：

通过查询GB/T 150-2011得K=1.32，T=1.79，Z=3.69，Y=7.14，U=7.85，将其代入上式中。

2.1.2.2 径向应力应按式（4）计算：

2.1.2.3 环向应力应按式（5）计算：

2.1.3 应力校核。应力校核应该符合以下规定：

2.1.3.4 组合应力：

综合以上计算结果得，承压法兰符合应力强度要求。

2.1.4 法兰刚度校核。对整体法兰和按整体法兰计算的任意法兰，刚度指数按式（6）计算：

式中：K1-刚度系数，取0.3

E-法兰材料的弹性模量，MPa；当法兰设计力矩Mo为预紧控制时，E取常温下的弹性模量，当法兰设计力矩为操作控制时，取设计温度下的弹性模量。

因此承压法兰满足刚度要求。

综上所述，承压法兰满足刚度以及应力强度要求，承压法兰合格。

2.2 管路强度校核

在4MPa承压法兰接头密封垫片性能测试装置中涉及了管路系统，由于管路与缓冲罐、标准容器以及法兰空腔整体相连接，所以在试验过程中也需承受相同的压力。即承压管路需要承受的最高工作压力为4MPa。

承受内压的管子，管壁上任意一点的应力状态可以用3个互相垂直的主应力来表示，它们分别是：沿管壁圆周切线方向的环应力，平行于管道轴线方向的轴向应力以及沿着管壁直径方向的径向应力，设P为管内介质压力，Dn为管子内径，S为管子壁厚。则三个主应力的平均应力表达式为：

根据最大剪应力强度理论，材料的破坏由最大剪应力引起，当量应力为最大主应力与最小主应力之差，故强度条件为：

将管壁的应力表达式代入上述强度条件中，得理论壁厚公式：

由于工程上，管子尺寸多由外径DW表示，因此又得一个理论壁厚公式：

已知试件材料为304不锈钢，即0Cr18Ni9，在工作温度下许用应力 ，根据公式（11），为使承压管路满足工作且不发生形变，应满足实际壁厚大于理论壁厚，即

即实际壁厚应大于2×10-4m，即0.2mm，而在第二章管路系统设计中可查得选用的管道外径为12.7mm，内径为9.7mm，即壁厚为1.5mm，大于0.2mm，故管路系统符合强度要求。

3 结束语

本文设计了一种常温4MPa环境下垫片密封性能测试装置。设计压力4.4MPa，温度为常温，流体介质为惰性气体。通过结构设计、强度校核的计算，确定了设备组成和结构。本装置可实现常温条件下0~4MPa环境下，垫片密封性能的测试，对研究不同压力、垫片结构等条件对垫片密封性能的影响具有重要意义。