球阀中法兰凹槽深度对垫片密封性能的影响

2023-12-28张鹏奇郝娇山李宏伟

流体机械 2023年11期

秦龙，张鹏奇，郝娇山，刘平，李宏伟，陈林

（1.重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400700；2.璧山高新区现代工业发展促进中心，重庆 402760）

0 引言

金属缠绕垫片是一种由一定宽度和截面形状的金属带和填充材料相间连续缠绕而成的密封垫片。由于其强度高、压缩回弹性能好，广泛应用于压力容器的螺栓、法兰连接系统。缠绕垫片根据结构可分为基本型、带内环型、带外环型和带内外环型4 种垫片。在球阀设计生产制造过程中，阀体中法兰一般选择基本型金属缠绕垫片和螺栓组成密封系统［1-2］。

球阀中法兰为非标法兰，因结构限制和实际工作环境相对复杂，缺乏可靠的设计标准，经常导致产品设计不合理，从而引起密封失效导致介质泄漏，带来严重的安全隐患［4-6］。因此，球阀中法兰连接系统的设计结构对垫片密封性能至关重要。

由于非标法兰没有固定的设计标准，因此在设计时往往需要根据实际工况，在满足强度和密封性的前提下对结构尺寸进行调整［7］。目前大多数研究仍停留在数值模拟分析或采用垫片综合性能试验机代替螺栓预紧力进行垫片密封试验，不能真正模拟密封系统［8-11］。本文采用螺栓预紧的方法进行垫片密封性能试验，模拟球阀中法兰垫片的实际使用工况，分析垫片压缩厚度对密封性能的影响，为球阀中法兰凹槽深度设计提供合理、可靠的理论依据，对完善球阀装配工艺，提高阀门一次装配合格率具有重要意义。

1 法兰、垫片、螺栓密封系统受力分析

法兰、螺栓、垫片系统中的核心问题是保证密封，整个工作过程可分为：未预紧工况、预紧工况和操作工况。球阀左右中法兰采用凹槽限位型式，包括垫片内外径限位和厚度限位。在未预紧工况下，螺栓、法兰、垫片之间无相互作用力；在预紧工况下，中法兰螺栓需要克服垫片支撑力和左右中法兰的相互作用支撑力，系统保持平衡状态；随着螺栓预紧力的增大，垫片轴向受力压缩，厚度下降，径向扩张，内径减小，外径增大。当螺栓预紧力将左右中法兰完全贴合时，继续增加螺栓预紧力，垫片的厚度和内外径不变，垫片受到的压力也不会变。图1（a）示出垫片在未预紧工况下，螺栓、法兰、垫片之间无相互作用力，垫片未被压缩变形。图1（b）示出垫片在预紧工况下，法兰、垫片、螺栓密封系统整体保持受力平衡，一方面左右中法兰受到螺栓预紧力，使左右中法兰贴合；另一方面受到左右中法兰间相互作用力和垫片的支撑力，使法兰密封面分开。图1（c）示出垫片在操作工况下，法兰、垫片、螺栓密封系统整体保持受力平衡，一方面左右中法兰受到螺栓预紧力，使左右中法兰贴合；另一方面受到左右中法兰间相互作用力、垫片的支撑力和中腔介质的轴向压力，使法兰分开［12］。

图1 在3 种不同工况下法兰、螺栓、垫片连接系统的受力分析Fig 1 Stress analysis of flange, bolt and gasket connection system under three different working conditions

1.1 螺栓预紧力矩计算

在预紧工况下，未通入介质，中法兰螺栓需要克服垫片支撑力和左右中法兰间相互作用力；在操作工况下，通入介质过程中，随着介质压强的增大，左右中法兰间相互作用力逐渐减小；当介质压强达某一强度值时，此时中法兰螺栓轴向力等于垫片支撑力与介质的内压力之和，左右中法兰之间的相互作用力为0，为接触且不受力状态；继续增大介质压强，因中法兰螺栓轴向力无法克服垫片支撑力和介质的内压力，螺栓被拉伸，左右中法兰分离，垫片回弹，垫片比压下降，达不到密封所需比压，发生泄漏。因此，随着介质压强的增大，要想保证法兰垫片密封效果，必须增大螺栓力矩［13-15］。

预紧工况：

操作工况：

垫片的密封比压：

单个螺栓力矩：

中法兰凹槽面积：

垫片压缩率：

式中，F垫为垫片受到的压力，N；F预为螺栓提供的预紧力，N；F法为左右中法兰限高台阶的支撑力，N；F介为中腔介质提供的轴向压力，N；q 为垫片受到的密封比压，MPa；S 为中法兰凹槽密封面面积，m2；T 为单个螺栓力矩，N·m；M螺为螺栓直径，mm；K 为螺母系数，取0.2；1.2 为安全系数；n 为中法兰螺栓数量；H1为垫片压缩最终厚度，mm；H为垫片初始厚度，mm。

1.2 螺栓预紧力矩计算

当左右中法兰在接触且不受力的状态时，其相互作用力最小为0；中法兰螺栓保证垫片密封只需要克服垫片支撑力和介质的内压力。参照GB/T 12385-2008《管法兰用垫片密封性能试验方法》，计算介质压强为1.1 倍的公称压力。当缠绕垫片所受应力刚好等于密封比压69.0 MPa 时，中法兰螺栓需要提供的轴向预紧力最小，进而拧紧螺栓所需的力矩也是最小的。根据螺栓预紧力矩计算方法，计算单个螺栓预紧力矩，计算结果见表1。

表1 单个螺栓预紧力矩计算结果Tab.1 Calculation result of pre-tightening moment for a single bolt

2 试验垫片和方法

2.1 试验垫片

试验选用杭州某垫片厂提供的基本型金属缠绕垫片，为非标定制件。选择DN25，DN80，DN150共3 个口径的球阀对应垫片进行密封性能试验，根据球阀中法兰凹槽设计尺寸，垫片厂家设计垫片尺寸，垫片结构示意见图2，垫片设计尺寸和实际尺寸见表2，实际尺寸满足设计要求。

表2 垫片设计尺寸和实际尺寸Tab.2 Gasket design size and actual size mm

图2 垫片结构示意Fig.2 Schematic diagram of gasket structure

根据试验要求，垫片厂家确定垫片的材料、结构、工艺参数，保证相同规格垫片参数一致，具体见表3，4。

表3 金属钢带基本参数Tab.3 Basic parameters of metal strip

表4 非金属材料基本参数Tab 4 Basic parameters of non-metallic materials

2.2 试验装置

试验是在垫片密封性能试验装置上进行，如图3 所示，试验装置由球阀中法兰、垫片、螺栓系统模拟工装、水箱、高压气瓶、力矩扳手等组成，可进行常温垫片密封性能检测和螺栓扭矩测量。通过工装内的中法兰限位凹槽及限位支撑环调整垫片压缩目标厚度。

图3 垫片密封性能试验装置Fig 3 Gasket sealing performance test device

2.3 试验方法及参数

试验前，将待测垫片在温度为110 ℃烘箱中干燥1 h，然后放入干燥器中冷却至室温，模拟工装法兰密封面和支撑环用丙酮清洗干净。根据厂家建议和生产经验，设计试验垫片压缩目标厚度，通过更换支撑环调节垫片压缩厚度［16］。试验设计参数见表5。

表5 垫片密封性能试验设计参数Tab.5 Design parameters for gasket sealing performance test

根据表1 中计算的单个螺栓预紧力矩，参照对角旋转法，采用力矩扳手依次拧紧中法兰螺栓，达到螺栓预紧力矩后保持15 min，此时左右中法兰完全贴合，垫片厚度达到压缩目标厚度，记录螺栓拧紧力矩。通入高压空气，试验压强分别为2.2，5.5，11.0 MPa，保压10 min，检测垫片的密封性能，记录泄漏气泡数量，计算每分钟气泡泄漏率。检测完成后，缓慢泄压，最后拆卸试验装置，按设计参数更换垫片、支撑环，依次进行试验。

3 试验结果与分析

每个试验压强进行3 次平行试验，泄漏率取平均值，排除数据偶然性造成的干扰。垫片初始厚度取3.5 mm，压缩最终厚度取中法兰凹槽深度尺寸，计算垫片的压缩量和压缩率。

3.1 不同口径垫片的密封性能

DN25 不同材料缠绕垫片的密封性能见表6，由表中可知，在压强为2.2，5.5 MPa 时，两种垫片压缩至2.4～2.8 mm 时的密封性能均良好，无泄漏。随着压强的增大，在压强为11.0 MPa 时，两种垫片压缩至2.8 mm 时，发生轻微泄漏，大约1 泡/min；压缩至2.4，2.6 mm 的两种垫片的密封性能良好，无泄漏，满足密封要求。

表6 DN25 不同材料缠绕垫片的密封性能Tab.6 Sealing performance of DN25 wound gaskets of different materials

DN80 不同材料缠绕垫片的密封性能见表7。由表7 可知，当压强为2.2 MPa 时，两种缠绕垫片的密封性能良好，无泄漏；随着压强的增大，当压强为5.5 MPa 时，压缩至2.6～2.2 mm 的四氟缠绕垫片没有发生泄漏，压缩至2.4～2.2 mm 的石墨缠绕垫片没有发生泄漏，而压缩至2.6 mm 的石墨缠绕垫片发生泄漏；在介质压强为11.0 MPa 时，压缩至2.6，2.2 mm 的四氟缠绕垫片和石墨缠绕垫片发生泄漏，而压缩至2.4 mm 的两种缠绕垫片均未发生泄漏。说明并非垫片压缩厚度越小，密封性能越好，可能是由于过度压缩，垫片结构被损坏导致密封性能下降。

表7 DN80 不同材料缠绕垫片的密封性能Tab.7 Sealing performance of DN80 wound gaskets of different materials

DN150 不同材料缠绕垫片的密封性能见表8。

表8 DN150 不同材料缠绕垫片的密封性能Tab.8 Sealing performance of DN150 wound gaskets of different materials

由表8 可以看出，DN150 垫片在压强为2.2 MPa时，两种缠绕垫片的密封性能优秀，可以达到零泄漏；随着压强的增大，当压强增大至5.5 MPa 时，压缩至2.4 mm 的两种缠绕垫片均发生微小泄漏，压缩至2.2，2.0 mm 的两种垫片均未发生泄漏；继续增大压强至11.0 MPa，压缩至2.4，2.2 mm 的两种垫片均发生泄漏，压缩至2.4 mm 的两种垫片泄漏率急剧增大，说明此时垫片比压远小于密封所需比压69.0 MPa，压缩至2.0 mm 的两种垫片均未发生泄漏。

根据表6～8 的试验结果，当球阀设计压强在2.0～10.0 MPa 时，建议3 个口径DN25，DN80，DN150 球阀中法兰凹槽深度依次设计为2.6，2.4，2.0 mm，对应垫片压缩率依次为26%，31%，43%，此时，既保证相同口径、不同压强球阀中法兰加工统一性，又能保证垫片的密封性能。对比表7，8两种材料缠绕垫片可知，在相同口径、垫片压缩厚度和介质压强下，四氟缠绕垫片的泄漏率小于石墨缠绕垫片，说明四氟缠绕垫片的密封性能优于石墨缠绕垫片。

3.2 不同口径垫片最佳密封厚度分析

图4 示出不同口径垫片的最佳密封厚度曲线。

图4 不同口径垫片的最佳密封厚度曲线Fig.4 Optimal sealing thickness curves of gaskets of different diameters

由图中可知，当压强为2.2 MPa 时，两种垫片3 个口径分别为DN25，DN80，DN150 时的最佳密封厚度依次为2.8，2.6，2.4 mm；当压强为5.5 MPa时，两种垫片3 个口径分别为DN25，DN80，DN150时的最佳密封厚度依次为2.8，2.4，2.2 mm；当压强为11.0 MPa 时，两种垫片3 个口径分别为DN25，DN80，DN150 时的最佳密封厚度依次为2.6，2.4，2.0 mm。从DN25 至DN150，随着球阀阀门口径的增大，两种垫片最佳密封厚度逐渐下降，根据曲线可预测DN25～DN150 范围内其余口径垫片的最佳密封厚度，可为中法兰凹槽深度设计提供理论依据。