垫片的密封应力

螺栓法兰接头安全密封技术(4)垫片密封应力摘要：在法兰连接设计或选择中，垫片相对便宜，但对于保证连接密封性能和控制泄漏要求具有重要作用。泄漏原因容易集中在垫片上。当然，垫片本身也有原因，但是法兰连接系统的设计或选择上存在很多问题，最终揭示了密封应力通过垫片的减少。在法兰连接安装过程和以后的各种使用过程中，垫片密封应力的大小和变化受多种因素的影响。如果垫片的密封垫应力降至低于设计要求的基准值，则结果是凸缘连接的密封垫失败、泄漏。本文分析了垫片密封应力下降的影响因素及其原因，介绍了估算方法，并建议，为了减少这种影响，保持法兰接头的密封状态，初始安装螺栓载荷应足够大。同时，螺栓必须具有足够的强度以承受相应的拉伸载荷和可能的增加量。序言螺栓连接法兰接头的强度和密封性能对压力设备/装置和管道系统的正常安全运行至关重要。法兰连接强度的保证在包括锅炉、压力容器、压力管道在内的压力设备行业受到了长期的重视，当然，这也很重要，但在国内很少对密封性能进行保证或评价。螺栓垫片法兰连接的泄漏路径之一是垫片内部的渗透泄漏，另一个是通过垫片和法兰密封面之间的间隙的接口泄漏，接口泄漏最难处理。通常，可以为多个设计规范和垫片表面的密封容量选择不同的材料和类型垫片，以减少/控制泄漏。要控制法兰接头的泄漏，仅采取各种措施消除垫片和法兰密封面之间的间隙/泄漏通道是不够的。最重要的是，在安装阶段或各种使用过程中，如果螺栓/垫片具有蠕变松弛，或外部载荷/温度(例如介质压力)，则垫片和法兰密封面必须始终保持/保持足够的压缩应力。本文称之为“垫片密封应力”。因此，法兰接头的强度和密封必须提供足够的夹紧力和垫片密封应力，以便通过螺栓承受介质压力或各种外部载荷，为了获得有效密封和控制泄漏，必须确保垫片的密封应力在安装和以后的各种工作条件下保持在设计要求的基准值以上。在法兰连接设计选择中，垫片的成本相对较低，但垫片是保证连接密封性能和控制泄漏以满足设计要求的关键问题。螺栓连接法兰接头的强度和密封性能受多种因素的影响，因此，与法兰接头的泄漏难以消除/控制的领域相关的复杂机械和变形关系。为了确保安全使用并控制泄漏，必须正确设计垫片，确保质量，正确安装，并且在所有工作条件下法兰密封面和垫片接触面之间必须有足够的压缩应力。因此，垫片的密封垫应力(=完整螺栓负载力/垫片的压缩区域)是设计/选取凸缘接合密封垫的关键效能参数。1、垫片蠕变松弛非金属垫片，包括半金属垫片，经常使用填充物或盖子等多种弹性材料，如合成橡胶、PTFE等。这种材料的特点之一是具有与各种元素相关的不同程度的蠕变松弛特性，例如温度、时间、初始应力水平、密封材料厚度等。对于法兰接头，垫片的蠕变松弛问题经常出现。安装/预压符合密封设计要求的垫片时，垫片的蠕变松弛行为会导致垫片密封面的压缩应力减小/减小，并影响法兰接头的刚度。应力值低于阈值时，将发生连接的密封故障或泄漏。尤其是长期在高温下使用时，对垫片密封应力降低的影响更为明显(表1，缠绕垫片的室温和高温蠕变引起的缓解性能数据)。许多垫片在一定温度下使用，但垫片高温蠕变松弛性能的数据不多。应该说蠕变不仅是高温现象，还发生在低温下。但是由于低温度蠕变现象，几乎所有的垫片都在发生。材料和结构类型不同，蠕变松弛的程度也不同。表2是室温下多个垫片的蠕变松弛特性。表1室温和高温蠕变松弛垫片蠕变松弛速度，%室温650表2垫片蠕变松弛速度垫片室温蠕变松弛速度，%压缩石棉16-30压缩芳纶纤维18-25柔性石墨5纯PTFE10到55填充PFTE30垫片的蠕变松弛行为是影响螺栓法兰连接密封的主要原因之一。如果使用基于PTFE材料的垫片，则通常需要在安装法兰接头后24小时重新拧紧，以补偿垫片蠕变松弛导致的垫片压缩应力减少以及螺栓固定载荷减少。在非金属垫片中，由于安装后蠕变松弛，垫片的压缩应力大大降低，石墨材料垫片相对较小，但垫片的蠕变松弛程度与组合法兰密封表面结构(即垫片的变形是否有约束有关)。图1为氟橡胶(Viton)垫片产品的测量应力松弛曲线，图2为柔性石墨垫片的测量应力松弛曲线图3为使用柔性石墨板和石墨罩波纹板的长期蠕变松弛特性(实验)的改进，表明，一天后垫片的应力减少了约23% 59%。(a)有约束，垫片初始应力10500psi(b)无约束图1氟橡胶垫片应力松弛曲线(硬度75)图2柔性石墨垫片应力松弛(无约束)注：垫片a，强化柔性石墨板(316不锈钢板0.05mm，两侧石墨层厚度0.79mm)垫片b，带石墨盖的波纹(不锈钢波纹板0.76mm，两侧石墨层厚度0.79mm，节距3.2mm)垫片c，带石墨盖的波纹(不锈钢波纹板0.61mm，两侧石墨层厚度0.79mm，节距3.55mm)图3垫片蠕变松弛特性在EN1591法兰计算方法中，垫片蠕变松弛对使用工作条件时垫片压缩应力的影响用参数PQR表示。PQR是垫片密封面的残余压缩应力(使用条件)与初始压缩应力(安装状态)的比率，使用EN13555:2004的方法测量，是表示垫片短期松弛性能的测量参数(4小时，不考虑长期松弛的影响)。表3是en 1591-2: 2008中列出的PQR。表3 PQR温度，cPQR非石棉纤维增强柔性石墨(冲压板)包括内外环缠绕垫室温1.0至0.981.01.001750.9至0.82000.812500.9至0.773001.0至0.780.944001.04500.620.93上述数据是垫片测试一段时间后的结果。关于确定试验结果与实际使用有多大不同、垫片的蠕变松弛对垫片密封应力影响程度的工程实践方法，需要进一步研究。垫片的非线性应力-变形(粘弹性塑料)导致了一次负载和卸载，垫片的密封应力增加和减少，螺栓夹紧力返回到原来的水平，垫片的密封应力减少。在垫片设计或选择性计算中，考虑垫片的蠕变松弛对法兰接头密封性能的影响，通常可以设置更高的螺栓载荷、防松弛或新的高性能材料垫片、重新装配(热拧紧)等措施，以减少垫片蠕变松弛的影响。2、凸缘或螺栓的蠕变/松弛(1)温度凸缘或螺栓的蠕变松弛会影响垫片密封面上实际作用的螺栓载荷的大小。但是，螺栓和法兰蠕变松弛对垫片的影响相对较小。但是具体影响有多大，有多大，目前还没有既定的规范方法。法兰接头的计算还未考虑EN1591(EN13445-3附录g)中螺栓和法兰蠕变松弛对法兰接头密封性能的影响。原因可能是设计用于蠕变温度范围的螺栓选择的应用实例很少。图4显示了温度对螺栓材料应力松弛的影响。除非在室温下使用工作条件，否则凸缘和螺栓之间存在一定的温差，不同的热膨胀会导致法兰连接中的力/应变平衡发生变化，从而导致垫片密封应力发生变化。必要时，应获取特定的安全裕量或评估使用条件下的蠕变松弛量，以确定使用条件下垫片的实际压缩载荷。一般认为，凸缘和螺栓的膨胀系数类似的材料，正确安装的凸缘连接在260 下可以正常使用。实际使用经验也表明：静态或动态温度对法兰接头密封性能的影响与10%屈服强度的螺栓载荷减少大致相似。图4 B7/B16/B8M螺栓蠕变松弛曲线(2)螺栓的短期应力松弛螺栓的短期应力松弛实际上会降低垫片的密封面载荷。与温度引起的材料蠕变松弛行为不同，螺栓法兰连接在初始安装后，每个螺栓的预载/法兰连接夹紧力会有所减小。无论安装过程是什么程序、方法等，安装螺栓载荷导致蠕变超过材料屈服限制，主要是由于局部塑料变形，例如螺母压力面和凸缘背面之间、螺栓和螺母配合螺纹之间(螺母的第一个螺纹、螺纹配合面不相等)。因此，大多数螺栓的短期应力松弛在拧紧安装后几秒或几分钟发生，在随后的相当长的时间内保持在较低水平。请参阅图5。螺栓短期应力松弛的大小和程度难以计算预测，大多数情况下需要通过实验粗略确定。螺钉(1998)数据表明，由于螺栓的短期应力松弛，螺栓预紧载荷的损失约为2%-10%。通常可以多次拧紧，以减少垫片密封应力的影响。对于螺栓，除材料的蠕变松弛外，所有其他减少安装螺栓载荷的因素都会影响垫片密封应力的变化。通常建议选择适当的螺栓材料以消除/减少螺栓蠕变松弛的影响。图5法兰接头安装拧紧后螺栓的短期松弛图6法兰接头的角度变形3，凸缘角实际上，法兰在安装时在螺栓预载下偏转，如图6所示。如果垫片内径(图6中的b点)部分或全部卸载，垫片密封应力沿半径均匀分布，垫片外径(图6中的a点)上的应力高于内径上的应力。凸缘的角度变形与外部负载(例如外力、外部弯曲距离、温差等)一起存在媒体内部压力时，会进一步增大。同时，螺栓拧紧力降低。此外，也就是说，法兰接头安装紧固螺栓后，螺栓会发生一定的拉伸变形。在使用条件下，由于法兰附加挠曲的影响，螺栓伸长变形减小，拧紧载荷减小，垫片密封应力减小，导致法兰接头密封不理想。此外，可以在安装时应用高预紧力，以在不损坏使用中螺栓的情况下在实际工程应用中描述法兰连接。研究表明，法兰角变形过多会导致法兰接头密封失败，容易发生泄漏。垫片接触面的密封应力的这种变化使大小较小的凸缘接头比大小较大的凸缘接头大。图7显示了带缠绕垫的颈对接焊缝法兰连接的FEA计算结果。分析表明，大直径法兰连接由于大拐角变形，垫片密封面的应力分布更加不均匀。也就是说，随着法兰直径的增加，法兰角变形对法兰接头密封性能的影响增加。大法兰的刚度小于尺寸法兰的刚度，直径大的奥氏体不锈钢法兰(刚度小的情况下)变形量大，容易泄漏。在ASME BPV VIII-2附录2中，安装法兰时对拐角变形有限制(法兰刚度)。EN1591(EN13445-3附录g)包含安装和使用条件下法兰角的计算，但没有计算方法复杂或限制要求。图7:垫片密封应力的半径分布注：r0:垫片内径，0:垫片内径处的密封应力。4、介质内部压力，外部载荷法兰接头安装预压后，法兰、垫片和紧固件达到一个静态力/变形平衡状态。垫片的压缩负载FG=螺栓预载Fb，如图8(a)所示。设计或选择法兰连接时，通常仅考虑介质内部压力p的作用，并为法兰连接生成轴向力w=1/4 1080 d2p。如果将产生的垫片的压缩负载变更设定为 fg，并将每个螺栓的拉伸负载变更为 FB，则凸缘接合在新力/变形平衡后垫片的剩馀压缩负载为=FB- fg(卸载)。图8(b)如果将螺栓载荷的变化 FB与内压p产生的轴向载荷W/N的比率定义为载荷系数 g ( g= FB/(w/n)，则 g为正值，螺栓载荷增大， g为负值，表示螺栓载荷减小。实际使用条件条件下，除介质中的压力外，管道系统还可能具有外部载荷(外力、外部弯曲距离、温度、压力脉动等)的效果，并且倾向于分离法兰联接，从而导致垫片接触面实际压缩应力的减少以及螺栓拉伸载荷的增加或减少，从而影响法兰连接的密封性能因此，要补偿这些影响并保持法兰接头的密封状态，初始安装螺栓载荷必须足够大。同时，螺栓必须具有足够的强度以承受相应的拉伸载荷和可能的增加量。因此，如果存在介质内部压力或管道系统外部载荷等效果，安装法兰接头时形成的初始力/变形平衡状态将发生变化。也就是说，从安装到以后的每个使用条件条件，螺栓载荷和垫片密封面的实际压缩应力水平都不同，并且更改值的大小与安装时螺栓预载的大小有关(a)安装(b)使用图8法兰-垫片-螺栓连接力垫片密封应力的变化在法兰接头密封性能评价中占有重要地位。表示凸缘接头中每个元件之间力和变形关系及其变化的简化示意图称为凸缘接头负载平衡或密封图。法兰接头密封图经常应用于法兰接头的设计选择，直观地说明了在外部载荷作用下法兰接头的力平衡变化的概念，特别是在工作条件下评估垫片密封应力的概念。最简单的密封图由两条直线表示，一条表示螺栓力与螺栓拉伸变形的关系(线(c)，另一条表示压缩零部件的压缩力与压缩位移/变形的关系(线(b)。与点相对应的两条线的交点表示螺栓预载后的状态，点表示媒体内部压力和外部负载作用后的新力/变形平衡点。安装法兰连