法兰密封与垫片基础知识.ppt

法兰密封与垫片基础介绍 第一部分 法兰基础介绍第二部分 垫片基础介绍第三部分 密封和垫片泄露基本原理介绍第四部分 补充 第一部分 法兰基础介绍 1 1 法兰结构型式按法兰结构及其管子的连接方式分为 整体法兰 螺纹法兰 对焊法兰 平焊法兰 松套法兰与法兰盖等 1 2 法兰密封面型式和代号 GB T9112 2000 1 3 法兰分类及法兰类型代号 1 4 法兰标记 法兰标记由7部分组成 标准编号 法兰总高度 mm 法兰厚度 mm 公称压力 MPa 公称直径 mm 密封面型式代号 法兰名称及代号 例子 公称压力2 5MPa 公称直径1000mm的平面密封长颈对焊法兰 厚度78mm 总高度155mm的标记为 法兰 RF1000 2 5 78 155JB T4703 20000 第二部分 垫片的基础介绍 2 1 垫片的结构型式工业上使用的平垫片一般由密封元件及内 外加强环组成 密封元件或称垫片本体是阻止泄漏的关键部分 其常用的材料有非金属材料 如柔性石墨 聚四氟乙烯 纤维增强橡胶基复合板等 此外 密封元件材料也可以是刚性或柔性的金属 通常用于压力和温度较高的场合 对于非金属材料的密封元件 通常插入金属材料予以增强 同时也方便了如石墨等易破碎材料密封元件的制造加工 增强材料可以是金属薄板或丝网 金属薄板常常采用冲刺孔的方式以提高增强效果和增加弹性 并通过粘结剂和辊压将它们贴合在一起 密封元件也可以可设一表面层或抗粘结处理层来增加密封效果和防止法兰密封面粘结 外加强环或外环材料均为实体金属 其作用是 帮助密封元件安装时对中 防止密封元件过份压缩而破坏 防止垫片吹出和减少法兰转动等 外加强环不与密封介质接触 因此不要求耐介质腐蚀 故常常由碳钢材料制成 外加强环还可以与密封元件制成一体 例如金属齿形垫片 波齿复合垫片 内加强环或内环接触流体 其材料应能抵御密封介质的腐蚀 内加强环的作用是 防止密封元件与容器或管道法兰之间的空隙 以避免此空隙干扰流体的流动以及由此引起的流体对垫片的冲蚀 2 2 垫片种类 金属垫片 金属复合垫片 非金属软垫片 法兰用密封垫片 非金属软垫片 聚四氟乙烯垫片 聚四氟乙烯包覆垫片 橡胶垫片 石棉橡胶垫片 非石棉纤维橡胶垫片 金属缠绕式垫片 金属冲齿板柔性石墨复合垫片 金属波齿复合垫片 金属齿型复合垫片 金属包覆垫片 金属平垫片 金属波纹形垫片 金属齿形垫片 金属环形垫片 金属透镜垫片 八角形环垫 椭圆形环垫 RX型及BX型自紧密封环垫 一 非金属垫片 1 橡胶板用于密封的橡胶品种较多 一般有天然橡胶 丁腈橡胶 氯丁橡胶 异丁橡胶 丁苯橡胶 乙丙橡胶 硅橡胶 氟橡胶 制作垫片的橡胶板材用量较大的有天然橡胶 丁腈橡胶 氯丁橡胶三种 近几年 氟橡胶等特种橡胶也逐步推广使用 2 石棉橡胶垫片以石棉纤维 橡胶为主要原料再辅以橡胶配合剂和填充料 经过混合搅拌 热辊成型 硫化等工序制成 石棉橡胶垫片根据其配方 工艺性能及用途的不同 可分为普通石棉橡胶垫片和耐油石棉橡胶垫 根据使用的温度和压力不同又可以分为低压石棉橡胶垫片 中压石棉橡胶垫片和高压石棉橡胶垫片 主要应用在水 水蒸气 油类 溶剂 中等酸 碱的密封以及中 低压法兰连接的密封中 不过因为环境 安全性原因石棉材料已趋于淘汰 2 国产石棉橡胶板使用范围和性能 一 非金属垫片 3 聚四氟乙烯垫片聚四氟乙烯 PTFE 是合成树脂材料中的佼佼者 优良的耐腐蚀性能使他在绝大部分强腐蚀介质中可作为密封垫片 对于不允许物料有污染的医药 食品等行业尤为合适 是塑料中使用温度最高者 但是聚四氟乙烯材料受压后易冷流 受热后易蠕变 影响密封性能 通常加入部分玻璃纤维 石墨 二硫化钼 以提高抗蠕变和导热性能 4 聚四氟乙烯包履垫片聚四氟乙烯包履垫片是一种非金属复合型软垫片 一般由包封皮及嵌入物两部分组成 包封皮主要起抗腐蚀作用 通常由聚四氟乙烯材料制成 嵌入物 填料 为带或不带金属加强筋的非金属材料 通常由石棉橡胶板制成 聚四氟乙烯包履垫片主要适用于全平面型及突面型钢制管法兰连接 适用公称压力PN为0 6 5 0MPa 工作温度为0 150 的腐蚀介质或对清洁度有较高要求的介质 管法兰用聚四氟乙烯包履垫片按制造方式可分为三种型式 剖切型 V型 机加工型 L型 折包型 U型 密封 二 金属复合垫片 金属缠绕式垫片金属缠绕式垫片是由金属带和非金属带螺旋复合绕制而成的一种半金属平垫片 其特性是 压缩 回弹性能好 具有多道密封和一定的自紧功能 对于法兰压紧面的表面缺陷不太敏感 不粘接法兰密封面 容易对中 因而拆卸便捷 可部分消除压力 温度变化和机械振动的影响 能在高温 低压 高真空 冲击振动等循环交变的各种苛刻条件下 保持其优良的密封性能 金属缠绕垫片特别适用于负荷不均匀 接合力易松弛 温度与压力周期性变化 有冲击或震动的场合 缠绕垫片是阀门 泵 换热器 塔 人孔 手孔等法兰连接处理想的静密封原件缠绕式垫片按其结构不同可分为四种型式 基本型 带内环型 带外环型 带内外环型 二 金属复合垫片 垫片型式代号 GB T4622 1 2003 二 金属复合垫片 垫片材料代号 GB T4622 1 2003 标记 垫片尺寸标准编号 公称通径 垫片材料代号 定为环 金属带 填充带 内环 垫片型式代号 公称压力 数值按bar标记 标记示例垫片型式 带内环和外环型 外环材料为低碳钢 金属带材料为0Cr18Ni9 公称通径150mm 公称压力4 0MPa 40bar 垫片尺寸标准GB T4622 2 2003 其标记为 缠绕垫D1222 DN150 PN40GB T4622 2垫片型式 基本型 垫片材料 金属带材料为0Cr18Ni9 填充带材料为柔性石墨 公称通径150mm 公称压力4 0MPa 40bar 垫片尺寸标准GB T4622 2 2003 其标记为 缠绕垫A0220 DN150 PN40GB T4622 2 2 金属包履垫片金属包覆垫片是以非金属材料为芯材 切成所需形状 外面包以厚度为0 25 0 5mm的金属薄板组成的一种复合垫片 金属包覆垫片优点是强度大 不易碎 牢固结实 但回弹力有限 需要求法兰表面平坦及紧固力很高才能达到良好效果 适用于直径较大的压力容器 如换热器 反应器 泵 阀等 法兰的密封 按结构型式分为平面型 F型 及波纹型 C型 两种 压力容器法兰用金属包履垫片结构型式为平面型一种 我公司分为 单面包覆型 双重包覆型 波形包覆型 全包包覆型 2 金属包履垫片金属板材标准和代号 JB T4706 2000 3 金属冲齿板柔性石墨复合垫片 这种垫片又称柔性石墨金属增强复合垫片 它是由冲齿的金属齿板或冲孔金属芯板与柔性石墨粒子复合压成的一种密封垫片 它通常由柔性石墨复合增强板裁制而成 根据需要 柔性石墨金属增强复合垫片可制成带不锈钢或碳钢内包边或内外包边 根据使用需要可以加工成以下几种形式 1 基本型石墨复合垫片2 包内边石墨复合垫片3 包外边石墨复合垫片4 内外包边石墨复合垫片 石墨复合垫片包边形式即保持原有垫片的各项优异性能 又便于安装 拆卸 不易损坏 同时也可防止介质对垫片的侵蚀 提高了耐压 常用包边材料为304或316不锈钢 主要特点是 有良好的耐高 低温 耐腐蚀 耐辐射等性能 强度较高 能在高压工况下使用 所需预紧力比使用金属垫片或金属缠绕垫片小 由于柔性石墨具有可塑性和良好的充填性 使用这种垫片时对相配法兰密封面不需要进行精密加工 对法兰密封面上制有 水线 沟槽也能适应 相对来说比较经济 3 金属冲齿板柔性石墨复合垫片 4 金属波齿复合垫片 由柔性石墨做成的金属波齿复合垫片是在机械加工成波齿状的金属板两面覆上柔性石墨的一种复合垫片 这种垫片既有金属的强度 又有波纹弹性的特点 最高温度650 最高压力可达26MPa 是针对那些对垫片回弹要求较高的地方 波形垫片具有极好的热传导性 能满足高温 高压及易腐蚀的场合 尺寸任意 金属材质可选 波齿复合垫片基本属于线接触密封垫片 由波纹提供机械支撑 其回弹性能根据采用的形式 金属厚度 波纹间距及波纹高度来决定一般在波齿垫片二面粘贴石墨层 可用于不太平整的密封面 此产品在一般应用场合可再生使用 相当经济有效 可直接代替缠绕垫片及包覆型垫片使用 适用于高温高压场合如压力容器 换热器 阀门 管道等法兰联接的密封件柔性石墨金属波齿复合垫片按其结构不同分为三种型式 基本型 带定位换型 带隔条型 4 金属波齿复合垫片 金属骨架 柔性石墨 基本型 金属骨架 柔性石墨 定位环 带定位环型 金属骨架 柔性石墨 带隔条的金属骨架 带隔条型 4 金属波齿复合垫片垫片型式代号 GB T19066 1 2003 金属骨架材料代号 GB T19066 1 2003 标记示例垫片型式 带定位环型 金属骨架材料0Cr18Ni9 公称通径150mm 公称压力4 0MPa 40bar 垫片尺寸标准GB T19066 2 波齿垫B3 DN150 PN40GB T19066 2 三 金属垫片 1 金属平垫片金属平垫片由整体金属经机加工制成 用于压力容器 塔 槽 阀盖等部位的密封 主要有铝平垫 紫铜垫 不锈钢垫 2 金属齿形垫片金属齿形垫片是一种实体金属垫片 垫片的剖切面呈锯齿形 齿距t 1 5 2mm 齿高h 0 65 0 85mm 齿顶宽度C 0 2 0 3mm 在密封面上车削若干个同心圆 其齿数为7 16 视垫片的规格大小而定 金属齿形垫片的结构型式有基本型 带外环型 带内环型及带内外环型四种 比较常见的结构为基本型 由于金属齿形垫片密封表面接触区的V形筋形成许多具有压差的空间线接触 所以密封可靠 使用周期长 和一般金属垫片相比 这种垫片需要的压紧力较小 其缺点是在每次更换垫片时 都要对两法兰密封面进行加工 因而费时费力 另外 垫片使用后容易在法兰密封面上留下压痕 故一般用于较少拆卸的部位 金属齿形垫片适用的公称压力为1 6 25 0MPa 三 金属垫片 3 金属环形垫片金属环形垫片是用金属材料加工成截面为八角形或椭圆形的实体金属垫片 具有径向自紧密封作用 故金属环形垫片是靠与法兰梯槽的内外侧面 主要是外侧面 接触 并通过压紧而形成密封的 八角形环形垫与法兰槽相配 主要表现为面接触 同椭圆形环垫相比 虽然不易与法兰槽达到密合 但却能再次使用 并且因截面是直线构成 容易加工 椭圆形环垫与法兰槽是线接触 密封性较好 但加工精度要求高 因而增加了制造成本 同时椭圆形环垫不能重复使用 金属环垫适用的公称压力为2 0 42 0MPa 标记示例 环号为20 材料为0Cr19Ni9的八角形金属环垫片 其标记为 八角垫R20 0Cr19Ni9GB T9128环形垫片材料及适用温度 GB T9130 1988 4 垫片选用的基本原则 1 选用或订购垫片时应了解以下基本数据 a 相配法兰的密封面型式和尺寸 b 法兰及垫片的公称通径 c 法兰及垫片的公称压力 d 流体介质的温度 e 流体介质的性质 2 选用垫片时还应考虑以下因素 a 有良好的压缩及回弹性能 能适应温度和压力的波动 b 有良好的可塑性 能与法兰密封面很好的贴合 c 对有应力腐蚀开裂倾向的某些金属 如奥氏体不锈耐酸钢 法兰 应保证垫片材料不含引起各种腐蚀的超量杂质 如控制垫片氯离子含量以对法兰腐蚀 d 不污染介质 e 对密封高度毒性的化学品 要求垫片应具有更大的安全性 对于输送易燃液体的管道系统 要求垫片用于法兰上的最高使用压力和最高使用温度在限制范围内 f 低温时不易硬化 收缩量小 高温时不易软化 抗蠕变性能好 g 加工性能好 安装及压紧方便 h 不粘接法兰密封面 拆卸容易 5 标准垫片的选用参照表 1 标准垫片的选用参照表 2 标准垫片的选用参照表 3 标准垫片的选用参照表 4 标准垫片的选用参照表 5 标准垫片的选用参照表 6 泄露是机械设备常见的故障之一 造成泄漏的原因主要有两个方面 一是机械加工存在问题 机械产品的表面存在各种缺陷及形状 尺寸的偏差 因此 在机械零件连接处不可避免的会产生间隙 泄漏通道 二是密封两侧存在压力差 推动力 工作介质就会通过间隙而泄露 消除或减少任何一因素都可以阻止泄漏 第三部分 密封和垫片泄露基本原理介绍 密封的作用就是将结合面间的间隙封住 隔离或切断泄露通道 增加泄露通道的阻力 或者在通道中加设小型做功元件 对泄漏介质造成压力 与引起泄露的压差部分抵消或完全平衡 以阻止泄露 一般来讲 静密封可能达到 零泄漏 但对于动密封 由于接触密封的任何相对位移都会给接合表面上粗糙处泄漏介质创造条件 要达到零泄漏是特别困难的 第三部分 密封和垫片泄露基本原理介绍 可分为相对静止接合面间的静密封和相对运动接合面的动密封 静密封主要有垫片密封 胶密封和直接接触密封 根据工作压力 静密封又可分为中低压静密封和高压静密封 中低压静密封常用材质较软 垫片较宽的垫密封 高压静密封则用材料较硬 接触宽度很窄的金属垫片 动密封可以分为旋转密封和往复密封两种类型 按密封件与其作用相对运动的零部件是否接触 可以分为接触式密封和非接触式密封 一般说来 接触式密封的密封性好 但受摩擦磨损限制 适用于密封面线速度较低的场合 非接触式密封的密封性较差 适用于较高速度的场合 密封的分类 静密封定义 所谓静密封就是相对静止的两个部件之间的密封 没有往复 旋转或螺旋的交变载荷变化 我们常见的静密封基本上是法兰之间 阀门填料 泵体连接等之间的密封 静密封材料的选用 植物材质 矿物纤维 橡胶 塑料 金属等均可用作静密封材料 最常用的有橡胶 石棉 非石棉纤维 聚四氟乙烯 柔性石墨以及诸多种类的金属和合金 动密封材料的选用 定义动密封 就是两个相对运动的密封面之间的密封 从定义上看 动密封比静密封相对来说要复杂一些 实现起来也相对要难一些 动密封主要有往复密封和旋转密封 往复式动密封有成型填料密封 填料函密封和胀圈密封 动密封材料的选用 阀杆填料密封 阀杆填料密封由一个填料套 填料 压盖及紧固螺栓组成 密封填料置于杆套内 密封材料 主要密封材料为成型石墨 石墨盘根 编制石墨绳 成型四氟 可用于高 中 低压各种介质阀杆密封 1 填料套 2 密封填料 3 填料压盖 4 压盖螺栓 1 1 2 3 4 1 材料致密性好 不易泄漏介质 2 有适当的机械强度和硬度 3 压缩性和回弹性好 永久变形小 4 高温下不软化 不分解 低温下不硬化 不脆裂 5 抗腐蚀性能好 在酸 碱 油等介质中能长期工作 其体积和硬 HotTag 度变化小 且不粘附在金属表面上 6 摩擦系数小 耐磨性好 7 具有与密封面结合的柔软性 8 耐老化性好 经久耐用 9 加工制造方便 价格便宜 取材容易 密封材料的一般要求 常用密封材料有2大类 金属材料和非金属材料 一 非金属材料通常有 1 聚四氟乙烯 PTFE 6 尼龙 PA 2 氟橡胶 FKM 7 聚甲醛 POM 3 全氟橡胶 KALRER 8 石墨 GRA 3 丁腈橡胶 NBR 9 碳化硅陶瓷 SiC 4 聚氨酯橡胶 PU 10 石棉橡胶 5 硅橡胶 MVQ 常用密封材料的种类 常用密封材料有2大类 非金属材料和金属材料 二 金属密封材料通常有 1 碳钢 10 2 镍基硬质合金 304 304H 316H等 3 钴基硬质合金 YG6 YG8 4 铜 Cu 5 其它合金 Cr Mo钢 铸铁 45 等 常用密封材料的种类 按密封原理 即密封垫片受力情况 强制型密封 自紧式密封和半自紧式密封三类 强制型密封 完全靠外力 如螺栓 对垫片施加载荷 自紧式密封 主要利用介质的压力对垫片施加载荷 半自紧式密封 上述两种方法兼而有之 按操作压力 中 低压和高压密封 低压密封 P100MPa 垫片密封的分类 垫片密封的结构及原理 图2 1垫片密封的结构1 螺母 2 螺栓 3 垫片 4 法兰 垫片密封广泛应用在我们装置当中 不管动设备还是静设备上 都用到垫片密封 垫片密封的结构及原理 在两片法兰间放入垫片并拧紧螺栓后 法兰将垫片压紧 当通入介质后 泄露的途径有两条 一是通过垫片内部渗漏 称为渗透泄露 二是通过垫片与两法兰之间泄漏 称为界面泄露 界面泄露与法兰密封面的选择 加工精度 垫片的尺寸 材料性能 紧固方法和压缩程度等因素紧密相关 垫片泄漏的主要方式 两种方式 穿漏 界面泄漏 渗漏 P O 10 20 渗漏 80 90 界面泄漏 法兰密封泄漏原因 因素1 螺栓预紧力螺栓预紧力过大会导致垫片丧失回弹力 过小则不足以形成密封 所以螺旋我们应该尽量选用小直径 多数量 四的倍数 拧紧力大小合适 且对称拧紧的方法 因素2 垫片性能我们还要看我们所选的垫片是否具有良好的变形和回弹能力 能否合格的起到密封作用 且特殊环境中工作的还应具有耐腐蚀能力 抗高温蠕变能力等 61 因素3 法兰密封面形式还应该注意垫片是否和法兰密封面相匹配 法兰压紧面的形状和粗糙度都应该与垫片相匹配 否则也会导致泄露 因素4 法兰的刚度法兰在外力作用下应该具有足够的抵抗变形的能力 如果刚度不足受力后变形过大 会使垫片受力不均 易泄漏 我们可以通过加法兰厚度 减小螺栓力与垫片力作用点间距离 增大法兰盘外径 螺栓数量要足够等方法来提高其刚度 法兰受力 因素五 操作条件 压力高 介质泄漏的推动力大 温度高 介质的粘度低 渗透性强 容易泄漏 介质的腐蚀性能增强 法兰 螺栓及垫片易发生蠕变 垫片比压下降 非金属垫片易发生老化 丧失塑性 温度压力联合作用 并且反复波动 垫片容易发生 疲劳 失效 所以垫片的工作环境也要考虑到 64 四 补充 1日常检验 日常产品检验做些什么 A 原材料 或半成品 成品 的进货 入库 检验B 正常的工序 过程检验C 出厂检验 日常密封件产品检验中发现的一些共性问题A 原材料a 柔性石墨板材 硫含量超标 拉伸强度偏低 热失重过高 柔软性不佳 b 钢板 钢带 锻件 化学成分不符合 钢带厚度不匀称 锻件硬度超标和内部存在缺陷等 四 补充 1日常检验 日常密封件产品检验中发现的一些共性问题B 成品a 石墨复合板 垫片 压缩率偏大 b 缠绕式垫片 带内外环型垫片压缩率偏低 或压缩率达标回弹率不足 基本型垫片压缩率偏大 密封面表面质量问题 填充带突出不够 两面不对称 划伤 c 金属环垫 硬度超标 节径不达标 材料化学成分不达标 d 非金属平垫片 板材 石棉 无石棉面板压缩率偏大 偏软 PTFE RPTFE压缩率偏低 偏硬 e 波齿复合垫片 几乎所有普通产品压缩回弹性能都不达标 f 齿形垫片 焊缝后续处理不当 焊缝处齿形不完整 圆周方向厚度不匀 g 金属包覆垫片 密封性能很难达标 四 补充 机械行业相关标准介绍 1 A 测试方法标准1 JB T6370 1992 柔性石墨填料环物理机械性能试验方法 已有征求意见稿 2 JB T6371 2008 碳化纤维编织填料试验方法 3 JB T6620 2008 柔性石墨编织填料试验方法 4 JB T7758 1 2008 柔性石墨板氟含量测定方法 5 JB T7758 3 2008 柔性石墨板硫含量测定方法 6 JB T7758 4 2008 柔性石墨板氯含量测定方法 7 JB T7758 5 2008 柔性石墨板线膨胀系数测定方法 8 JB T7758 6 2008 柔性石墨肖氏硬度测试方法 9 JB T7758 7 2008 柔性石墨板应力松弛试验方法 10 JB T7760 2008 阀门密封填料试验规范 11 JB T9141 1 1999 柔性石墨板材密度测试方法 修订 12 JB T9141 2 1999 柔性石墨板材拉伸强度测试方法 修订 13 JB T9141 3 1999 柔性石墨板材压缩强度测试方法 修订 机械行业相关标准介绍 2 14 JB T9141 4 1999 柔性石墨板材压缩率