过程装备密封技术课件

1、 过程装备密封技术讲稿 化工学院 王启立过程装备密封技术蔡仁良等 主编化学工业出版社 出版讲课教师： 王启立学时：32学分：20 本课程简介：一、课程的性质、任务：过程装备密封技术是作为过程装备与控制工程专业的选修课而开设的一门课程，其任务是研究工业部分的过程装备和机械设备的密封技术。二、教学目的：根据本课程教学大纲要求，本课程的教学目的是培养学生运用基本的理论知识来理解和掌握各种流体密封装置的原理、结构特点、设计方法和选用原则，了解密封控制的新技术。三、教材本教材由过程装备与控制工程专业教材编写委员会编写，由蔡仁良主编，化学工业出版社出版。四、内容本课程系统全面地介绍过程工业装置中流体静、动

2、密封的主要内容和最新进展。重点阐述密封的基本概念、流体密封理论、动、静密封技术以及泄漏检测技术。五、课程框架及学时安排：课程内容分为5章，32学时，内容框架及学时分布如下：1 概论（2学时）1.1 过程装备的密封问题1.2 泄露与逸出1.3 密封方式与分类1.4 摩擦磨损与密封2 流体在密封间隙中的流动（4学时）2.1 引言2.2 分子流（1学时）2.3 不可压缩流体的层流（2学时）2.4可压缩流体的薄膜流动（1学时）3 过程设备和管道的静密封（10学时）3.1垫片密封（6学时）3.2胶密封 （4学时）4 过程机械的动密封（10学时）4.1接触密封 （6学时）4.2非接触转轴密封（4学时）5

3、泄漏监测技术（6学时）5.1引言（1学时）5.2检测的方法和分类（1学时）5.3压力检测法（2学时）5.4真空检测法（2学时）六、考试及成绩评定考试为闭卷考试。成绩计算方法：平时成绩占20，期末考试卷面成绩占80。七、参考文献：1胡国祯等，化工密封技术，化学工业出版社，19902顾永泉，流体动密封，石油大学出版社，19903张向钊等，密封垫片与填料，机械工业出版社，19944顾永泉，机械端面密封，石油大学出版社，19945李继和，机械密封技术，化学工业出版社，19881 概论本章框架：1.1 过程装备的密封问题1.2 泄露与逸出1.3 密封方式与分类1.4 摩擦磨损与密封教学目标及基本要求：(

4、1)了解过程装备密封问题的重要性、特点及发生泄漏问题的主要原因；(2)了解过程装备密封的分类，摩擦与磨损的概念。教学形式：讲授学时安排：2学时重点难点：无教学内容：1.1 过程装备的密封问题一、过程装备的密封过程工程中，大部分过程是在相体和气相中并在一定的压力和温度下进行的，因此机器和设备本身以及它们之间的连接系统都存在一个流体（气体、液体或粉体）的密封（闭）问题，设备或机器内的工作流体可由内部向外部泄漏，或者外界的气体或其它物质进入负压设备或机器内部，这就是过程装备的密封问题。二、过程装备泄漏的危害密封不好将引起工作介质的跑、冒、滴、漏引起物质流失和能量损失、造成环境污染、生产不能正常进行、

5、危急人体健康及生命安全。三、过程装备密封的重要性密封装置的工作性能是评价机械产品品质的重要指标，是决定工厂安全、经济生产的重要因素。四、化学及石油工业中的密封特点（1）、广泛性：化工设备机器复杂、管路众多，密封点多。（2）、危害性：化工厂处理的多是易燃、易爆、有毒或腐蚀性产品，并且具有一定的温度和压力，如果发生事故，危害性大。五、过程装备发生泄露的主要原因（1）设计方面：如设备或机器连接部位包括密封件、连接件和辅助装置的 形式、结构或 材料选择不当引起泄漏失效。（2）制造安装方面：制造过程中存在渗透性缺陷，如焊接过程中的裂纹、气孔等缺陷。（3）使用方面：安装配合不当，化学介质对密封的腐蚀、摩擦

6、副端面的磨损，工作温度和压力的波动，机械振动或冲击，密封材料材料的高温退化或蠕变疲劳，误操作引起的泄漏。1.2 泄漏与溢出一、泄漏（Leak）：设备或机器内的工作流体通过机械设备的接合面存在的间隙由内部向外流出，或者外界的气体通过间隙进入负压设备或机器内部。二、密封度（Tightness）：用来评价密封的有效性，用被密封的流体在单位时间内通过接合面的体积或质量的泄漏量，即泄漏率（Leak rate）来表示，密封度是一个相对的概念。零泄漏，即泄漏量为零，理论上静密封可以做到零泄漏，但实际上很难做到。三、允许泄漏率：密封或密封装置应满足设计要求或生产所允许的泄漏率，单位为。不同情况的允许泄漏率根据

7、行业和装置具体情况而定。四、泄漏的分级与定义：泄漏级别定义0无泄漏迹象。1可目视或手感湿气、冒汗，但没有形成滴珠。2局部有滴珠出现。3沿整个垫片周围有滴珠形成。4形成滴珠且沿垫片以5min或更长的时间滴漏1滴。5以5min或更短的时间滴漏1滴。6形成流线状滴珠。五、溢出（Emission）在化工厂中，存在大量只凭听、看直觉不能发现的易挥发有机化合物从接头处溢出。因泄漏量比较小，通常用敏感的气体检测仪器测量溢出气体的体积浓度，一般以百万分率，即“ppm”表示。1.3 密封方式与分类一、分类1、静密封：没有相对运动或相对静止的接合面间的密封称为静密封。如：容器、管道的法兰接合面间的密封、阀体以及机

8、器机壳接合面的密封。静密封可分为三类：无垫密封、垫片密封、胶密封。2、动密封：彼此有相对运动的接合面间的密封称为动密封。如：泵、压缩机的螺旋杆、旋转轴或往复杆与机壳之间的密封。动密封主要分为两类：往复轴密封和旋转轴密封。往复轴密封包括填料密封、隔膜密封、唇型密封和活塞环密封；旋转轴密封包括接触密封和非接触密封。过程装备的密封分类见图教材P5图1-3所示。二、阻止流体在机器设备接合面发生泄漏的方法（1）接合表面的精密配合（2）接合的两表面中，加入容易变形的弹性或塑性元件，可以在一定压力下实现两表面与外加元件的之间的紧密配合。（3）利用流体动压或静压力、磁场等作用，在接合间隙处形成阻碍流体泄漏的阻

9、力。1.4摩擦磨损和密封一、摩擦:在动密封中，两个相对运动的接触表面，由于机械加工的结构，必然存在不均匀的接触表面，当接触表面作相对运动时，必然伴随摩擦，摩擦会导致摩擦副零件的生热和磨损，这就是引起泄漏和密封件损坏的主要原因。对动密封而言，摩擦、磨损和密封都与固体的表面性质和密封摩擦相对运动的摩擦状态有关。允许一定量的泄漏，是为了移走摩擦热，改善密封面润滑，减少摩擦副磨损。实验得到的密封准数和摩擦系数的关系如下： （1-1）式中，密封特性数，由密封型式决定；密封流体的动力粘度；端面的平均线速度； 端面宽度；端面总载荷；指数，与动密封型式有关，如旋转端面密封。二、磨损（1） 引起磨损的原因：磨损

10、是由摩擦引起的。（2） 磨损的危害：磨损降低密封性能，缩短机器的使用寿命。（3） 磨损是一个多阶段的过程，是时间的函数，磨损与密封寿命有直接关系。（4） 磨损的形式：粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损和微动磨损等。（5） 减磨和抗磨措施：应用减磨和耐磨措施；改变材料表面性能；采取冷、润滑、冲洗等辅助措施；设计合理非接触密封等。2 流体在密封间隙中的流动本章框架：2.1 引言2.2 分子流 2.2.1 长泄漏管道中的分子流 2.2.2小孔和泄漏管道中的分子流2.3 不可压缩流体的层流 2.3.1雷诺数和雷诺方程 2.3.2二维流动 2.3.3一维轴对称流动 2.3.4轴线倾斜时圆环隙中的流动

11、 2.3.5流道出口处有障碍时的剪切流动 2.3.6挤压引起的流动2.4可压缩流体的薄膜流动 2.4.1亚音速气体的流动2.4.2音速气体的流动2.1引言流体密封中,许多性能都取决于流体流过密封(面)间隙的流动状态和流动阻力。流体在狭窄间隙中的流动主要表现维分子流和粘性流,对气体介质来说,其流动特征可用克努森数来描述,即: （2-1） 式中, 泄漏通道当量半径,;气体分子的平均自由程,;流道的截面积,;流道的截面积,。当0.01时，气体分子的平均自由程大于泄漏通道的特征尺寸，流动阻力主要时气体分子与流道壁面之间的碰撞，气体分子的运动可认为是独立的，这种流动称为分子流。当0.011时，气体分子的

12、平均自由程与泄漏通道的特征尺寸有相同的数量级，流动特征与气体分子间的运动、气体分子与流道壁面之间的碰撞都有关系，气体传动处于过渡流区域，对流动的分析为半经验的。2.2 分子流教学目标及基本要求：(1)了解流体在狭窄空间的流动情况分类及判别；(2)掌握长泄漏通道、短泄漏通道及小孔泄漏中的分子流。教学形式：讲授学时安排：2学时重点难点：(1)长泄漏通道、短泄漏通道及小孔泄漏中的分子流。教学内容：2.2.1 长泄漏管道中的分子流对于长度为、流道横截面积为、流道横截面周长为的任意横截面形状的泄漏通道，当其长度与横截面当量半径之比时，流过该流道的流率为：（22）式中，流道长度，；、流道入口和出口处的压力

13、，；流率，；气体分子的平均速度，；可由下式计算：(2-3)式中 通用气体常数； 气体温度，K；气体分子质量，；将(2-3)代入(2-2)得到： (2-4)对于一个半径为r的均匀横截面的长管有：(2-5)将(2-5)代入(2-4)得到气体流过均匀圆管横截面长管的分子流流率为： (2-6)对于一个边长分别为a和b的矩形截面的长管： (2-7)代入(2-4)有气体流过均匀矩形横截面长管的分子流流率为：(2-8)对于一个长、短半径分别为a和b均匀椭圆截面的长管： (2-9)代入(2-4)有气体流过均匀椭圆形横截面长管的分子流流率为：(2-10)例题21见教材P10，此处略。2.2.2小孔和泄漏管道中的

14、分子流考虑一个等温容器，其中有压力为的低压气体，容器上有一个穿透小孔，容器中的气体通过该小孔流入压力为的一相邻容器中。由于分子流状态下气体的压力较低，可看作理想气体，因而其流率可用下式计算： （2-11）对于半径为r的圆孔，流道截面积为，则上式成为： （2-12）比较式（2-12）和（2-6）可以看出，流过圆孔和长管的流率比为： （2-13）当时，流过圆孔的流率是流过圆管的流率的37.5倍。由此可以得到下面的结论：对于短圆管，即，由长圆管计算得到的流率偏小，由圆孔计算得到的流率偏大，即上述（2-12）和（2-6）不适合用于短圆管的流率计算的。短圆管的流率计算通常采用下面的近似公式： （2-14

15、）2.3 不可压缩流体的层流教学目标及基本要求：(1)掌握雷诺数的计算及流动状态的判断；(2)掌握二维流动、一维轴对成流动、圆环隙流动、剪切流动及挤压流动的流率计算及压力分布计算。教学形式：讲授学时安排：2学时重点难点：二维流动、一维轴对成流动、圆环隙流动、剪切流动及挤压流动的流率计算及压力分布计算。教学内容：2.3.1雷诺数和雷诺方程密封接头的性能取决于密封间隙中流体的流动阻力，密封间隙里的流动主要表现为分子流和粘性流。当粘性流在流体中占主要地位时，流动表现为层流，如果流速很大而流体的粘性很小，局部截面上与主流不平行的流动不会减弱，并且会突然转变成紊流。从层流转变到紊流的现象和判定准则是雷诺

16、数。1、 雷诺数和流动状态密度为、动力粘度为的流体以平均速度流过一特征尺寸为的流道，其雷诺数为： （2-14）式中，雷诺数；流体密度，；流体动力粘度，；流体平均速度，；流体的运动粘度，。上式也可以写成，这表明，雷诺数为流体运动的惯性力和粘性力之比。小表明流体中粘性力的作用较大，能够消弱与消除引起流体质点发生乱运动的扰动，使流体保持平静的层流状态；大表明流体中粘性力相对惯性力较小，惯性力容易使流体质点发生乱运动，使流体呈现紊乱状态，由层流转变为紊流时的临界雷诺数用表示。流体从层流转变为紊流除了取决于雷诺数外，还取决于流动中存在的扰动。扰动小时，容易被流体的粘性所削弱，流动易处于层流状态；扰动大时

17、，则不容易被流体的粘性所削弱，流动易处于紊流状态。但当时，扰动总会被削弱。对于高度为的密封间隙来说，其雷诺数可定义为：（2-15）由经验可知，当超过临界值：20004000时，密封间隙的流动将转变为紊流，如果密封面较为粗糙，特别是当密封面开槽时，在雷诺数小于5001000时，密封间隙的流动也会很快转变为紊流；如果密封间隙很小，尤其当间隙小于10时，通常情况下都将是层流。2、 压力梯度、速度分布和雷诺方程从流体力学的角度研究密封，必须解决两个问题：流体在密封间隙中的压力分布，由此可计算出液膜的承载能力；流体经过密封间隙的流率，即泄漏率。层流状态下，流体在密封间隙中的流动可以通过雷诺方程来描述。图

18、21表示一个高度为的间隙密封，间隙上下固体表面分别以速度U1,V1,W1和U2,V2,W2运动。在流体中取一个微小的单元体，其局部速度为u,v,w。间隙高度h(x,y)沿着y方向是改变的，它和密封间隙在x和z方向上的尺寸相比小得多，假定整个过程的粘度为常数。考虑到作用在（dx,dy,dz）上的粘性力及其压力引起的平衡。在x和y方向上的压力梯度分别为和，由粘性力产生的局部剪切力分别为和。如图22所示，作用在微元体上的力在x方向上平衡为：由此得到x方向上局部压力梯度与剪切力的关系为： （2-17）同样，在x方向上有：（2-18）由于密封间隙在y方向的尺寸很小，因此假设在间隙高度h上压力不变，故。对

19、于粘性流体，由于其粘附作用，下列边界条件成立：y=0,u=U1,w=W1; y=h,u=Y2,w=W2;在方程（2-17）和（2-18）中，分别对流动速度u和w进行积分，并应用上面的边界条件，则可得到密封间隙中流体的速度分布：（2-19）（2-20）式中，、流体在x方向和z方向的流动速度，；间隙高度，；压力，；、下固体表面上在x和z方向上的运动速度，；、上固体表面上在x和z方向上的运动速度，。2.3.2二维流动不可压缩流体必须满足如下连续性条件，如图23所示。（2-21）如图24所示，在密封间隙取一个微元体，则（2-21）可写成如下形式： （2-22）当y=h时，a0，u=Y2,w=W2，上式

20、进行积分并整理对于任意密封间隙高度，用解析的方法求解上述偏微分方程通常十分困难。对于特定的问题，方程可以进行简化。例如：密封表面时刚性的，且以速度U1=U沿着x轴方向运动，此时V1=0,W1=0；另一个刚性密封表面静止不动，即U2=0,V2=0,W2=0。这样，雷诺方程可简化为：式（2-28）广泛应用于动密封和轴承间隙中的流动分析。2.3.3一维轴对称流动（1） 圆管中的流动一维轴对称流动是工程中常见的流动形式，如流体通过圆形管道的流动、阀门阀杆与填料之间形成间隙中的流动、活塞式压缩机活塞环与气缸壁间隙中的气体的流动、法兰和垫片间环形间隙中的流体的流动等。如图25（a）所示，粘度为的流体在一直

21、径不变的水平圆管内沿x方向作稳定的层流运动，x轴为圆管中心线，管道入口处的压力为，管道出口处的压力为，管道长度为L，半径为R，现在分析圆管中流体的速度分布并计算流过圆管的速率。采用与2.3.1.2节相同方法，考虑作用在微元体上的力在x方向上的平衡。如图25（b）所示，取一个与圆管同轴线，半径为r的微圆环流体，x方向上局部压力梯度与剪切力的关系为：上式可简化为： 由于压力只是x的函数，而流动关于x轴是对称的，故u仅仅是r的函数。因而，上式称为微分方程：（2-29）且等式两端都等于常数时才成立。积分上式得到：（2-30）现由边界条件确定积分常数C。当rR时，u=0，则,代入上式得到：（2-31）式

22、中为沿单位管长的压力变化，则可得到管内层流的速度分布函数：（2-32）由上式可见，管内的速度沿半径方向按抛物线规律分布，其最大流速在管子轴心处，其值为：（2-33）由（2-32）可计算出流过管子的体积流率：（2-34）管内的平均流速为：（2-35）比较（2-35）和（2-33）可以看出，管内的平均流速等于管子中心流速的一半。（2） 平行圆板的流动两个静止的平行圆板之间有一个高度为h的环状间隙，由于压力差（）的作用，流体通过间隙由半径为r1处流至外半径为r2处，如图26所示，流动为稳定的层流流动。由于上下表面是静止的，故U1=U2=0,由公式（2-19）可直接得到流速分布：（2-36）可见流速沿

23、间隙高度h为抛物线分布。流体通过环状间隙的流率为：（2-37）（3） 圆环间隙的流动作往复运动的轴与密封件之间的间隙可以看作轴对称的环形间隙，如图27所示。因为环隙高度沿整个圆周方向是固定不变的，则。因此，方程式（2-28）中各变量仅与x有关。 （2-38）将上式积分，得到：假定h*为处的环隙高度，则由上式可得到，这样就可以得到关联局部压力梯度、环隙高度h、壁面运动速度U,流体粘度的一维雷诺方程：（2-39）设Q为体积流率，b为环隙的周向长度，则：代入（2-39）得到：（2-40）上式中的第一项为压力差对总流的贡献，称为压力流；第二项是由于运动表面引起的剪切流对总流的贡献。由压力引起的流动速度

24、沿环隙高度h呈抛物线分布，剪切流引起的流动速度呈线性分布，如图27所示。下面讨论几种特殊形式的泄漏率方程，假定密封是刚性的。（1）同轴圆形环隙中的流动如图28表示一个同轴圆筒之间的环形间隙，间隙高度为h0，间隙宽度,间隙在流动方向的长度为L,间隙出口压力为p2，进口压力为p1，内圆筒的运动速度为U。压力梯度为：（2-41）代入（2-40）求得体积流率为：（2-42）如两个边界都是静止的，则体积流率为：（2-43）式中，边界禁止时同轴圆形间隙中的体积流率，； 间隙宽度，m；h0间隙高度，m；D圆管直径，m；压力差，。（2）轴线平行的不同轴圆形环隙汇总的流动在这种情况下，间隙沿轴线不变而圆周方向时

25、不断改变的，如果孔的轴线和轴的轴线的径向距离为e，而平均间隙为h0=0.5(D-d),则相对偏心率为，相应的体积流率为：（2-44）式中，轴线平行的不同轴圆形环隙中的体积流率，；相对偏心率。式中的Q0可由公式（2-43）计算。2.3.4轴线倾斜时圆环隙中的流动在这种情况下流动是二维的（x方向和z方向上的分量均存在），方程（2-28）无法直接积分。当轴的倾斜度增大时，流率减小，在倾斜度最大时，如图所示，其体积流率Qt近似等于同轴圆形环隙中流率Q0的一半。Qt0.5Q 0 （2-45）从公式（2-44）、（2-45）可以看出，轴和孔的轴线是否平行对流动的影响很大，从轴线完全倾斜到完全平行，其流率增

26、加约5倍，因此，在应用方程（2-43）时要特别注意环形间隙是否同轴。2.3.5流道出口处有障碍时的剪切流动如图211，有一个环状间隙h0，一端压力为p1,另一端由一个接触式密封件密封。假设环状间隙h0 为10um数量级，而接触式密封的间隙为1um数量级，轴以速度U向密封件方向作轴向运动。由于剪切力效应，流体向密封件方向运动，但由于密封件的阻碍，流体无法通过。此时流道中的总流量Q0。由（2-40）可得到间隙中的压力梯度为：,可见，压力沿间隙线性增加，在密封件处达到最大值ps。在整个间隙长度L上对上式积分得到：（2-46）式中，ps 拖拽压力，。上式表明，剪切流动引起间隙中流体压力增加，其幅度对间

27、隙高度h0 比较敏感。2.3.6挤压引起的流动考虑两个刚性壁面在y方向相互接近时壁面间隙中流体的流动情况，如图212所示，此时，方程（2-27）可简化为：对于两个平行的刚性壁面，其相互接近速度保持恒定的简单情况，有： （2-48）根据对称性，当x0时，因此C=0，积分上式得到压力随时间的分布函数： （2-49）可以看出间隙中的压力是与间隙高度h的三次方成反比。2.4可压缩流体的薄膜流动教学目标及基本要求：(1)掌握亚音速气体流动的流率及压力分布计算；(2)掌握音速气体流动的流率计算。教学形式：讲授学时安排：1学时重点难点：二维流动、一维轴对成流动、圆环隙流动、剪切流动及挤压流动的流率计算及压力

28、分布计算。教学内容：浮环密封和迷宫密封主要用于气体或蒸汽等压缩流体的轴的密封。气体或蒸汽的流动是可压缩的，在流动过程中存在压力能和热能的交换，引起流体温度的变化，从而改变压力的分布，进而导致流率的改变。当气体以亚音速流过一个狭窄的缝隙时，有时可以假定其温度是保持不变的，即流动是等温的。主要因为：（1）认为轴的材料是良好的导热体，密封间隙很小，气体流过整个密封间隙有充分的时间进行热交换，可认为气体的温度和轴的表面温度相同；（2）气体流动中产生的摩擦热近似地补偿了由于气体膨胀造成的热量损失。2.4.1亚音速气体的流动流过一个直径为D,长度为L，高度为h的环形间隙，当轴处于静止状态时，根据式（2-4

29、0）可得到一维层流状态下流体的质量流率：（2-50）对理想流体，有：,因此（2-51）当温度不变时，质量流率为：（2-52）引入压力比和压差，则：（2-53）式中、进出口气体密度，；此时气体的压力降为：（2-54）对于流道出口处气体流速为亚音速的紊流流动，其质量流率可用下面的经验公式来估算：（2-55）2.4.2音速气体的流动如果压力p1逐渐增加，当它达到临界压力比时，在出口处气体将达到音速，这里为质量热容比，如空气的，如果出口处达到音速后压力p1继续上升，那么质量流量将会继续增加，但气体仍以音速流处密封间隙。出口压力pe将随进口压力增加而增加，以保持临界压力比为一恒定值。临界压力比的大小主要

30、由流体的摩擦特性决定的，间隙的流动阻力越大，越小，实际上是与雷诺数Re的函数。层流时气体流过圆环形间隙的临界压力可以按如下公式计算。气体在圆环形间隙出口处的质量流率、流速和密度之间有如下关系：（2-57）气体在间隙出口处的速度为：（2-58）当出口处速度u2等于当地音速us时，压力比达到临界值，定义系数K为：（2-59）则临界压力比为：（2-60）对于1020um的间隙里的空气流动，其临界压力比约在0.10.2之间。对于圆环形间隙中的气体流动，当间隙高度较小时，其质量流率可以按照下面的公式来计算：（2-61）式中，表示流动系数。流动系数和压力比的关系曲线见教材P22，图214。压力比在临界压力

31、比范围内，流动系数可用如下公式计算：(2-62)式中，为流动阻力系数，根据层流和紊流按照下面两式计算：层流时 (2-63)紊流时 (2-64)3 过程设备和管道的静密封本章框架：3.1垫片密封3.1.1前沿3.1.2中低压设备和管道的垫片密封3.1.3高压设备的法兰连接3.2胶密封3.2.1带压注剂密封技术3.2.2带压粘接密封技术3.1垫片密封教学目标及基本要求：(1) 了解垫片的定义、垫片密封的泄漏形式及密封机理；(2) 了解法兰连接标准、垫片的力学性能和密封性能；(3) 了解高压设备密封结构的特点与选用；(4) 掌握中低压设备和管道的垫片密封的螺栓载荷计算；(5) 掌握典型高压设备密封结

32、构设计计算。教学形式：讲授学时安排：7学时重点难点：（1）垫片的力学性能和密封性能； （2）螺栓载荷计算；（3）典型高压容器密封设计计算。教学内容：3.1.1前言垫片密封时过程工业装置中压力容器、工艺设备、动力机器和连接管道等可拆连接处最主要的静密封型式。（1） 垫片的定义垫片是一种夹持在两个独立的连接件之间的材料或材料的组合，其作用是在预定的使用寿命内，保持两个连接件间的密封。如图31所示的垫片密封的法兰连接。图示垫片密封一般由连接件（如法兰）、垫片和紧固件（如螺栓、螺母等）等组成。（2） 垫片密封的泄漏方式 界面泄漏：两连接表面，即密封面存在粗糙度和变形，与垫片之间存在泄漏通道，由此产生的

33、流体泄漏称为界面泄漏，约占总泄漏量的8090。渗透泄漏：对非金属材质垫片，材料的微观结构存在微小缝隙或细微毛细管，具有一定压力的流体容易通过它们渗漏出来，称为渗透泄漏，占总泄漏量的1020。 吹出泄漏：夹紧垫片的总载荷较少到几乎等于作用在接头端部的流体静压力，导致了密封面的分离。这时若增加流体压力，由可能在沿垫片径向作用的流体压力会将垫片撕裂，引起密封流体的大量泄漏，称为吹出泄漏，属于事故泄漏。（3） 密封机理a 初始密封即垫片用于对两个连接件密封面产生初始装配密封和保持工作密封。产生初始密封的基本要求是压缩垫片，使其与密封面间产生足够的压力，称为预紧力，以防止介质通过材料本身的渗透，同时保证

34、垫片对连接件有足够的顺应性，在受压缩后的弹性变形能构填塞密封面的变形和表面粗糙度，以堵塞界面泄漏的通道。 以螺栓为例，垫片应力取决于螺栓的数量、拧紧螺栓的转矩、螺栓系统的恶魔擦状况和垫片的压缩面积，即：M=KFd （31）或F=M/Kd (32)式中， M转矩，； d螺栓的名义直径，m； K系数，一般取0.160.2； F紧固力，N；垫片预紧应力，；N螺栓数目；垫片压缩面积，。b、工作密封当初始垫片应力加在垫片上之后，它必须在装置的设计寿命内保持足够的应力，以维持允许的密封度。工作垫片应力可用下式计算： (33)式中，工作垫片应力，；p密封介质压力，；应力衰减系数，1； B介质静压力作用面积，

35、。教材图33的曲线表示上述两个过程中垫片的应力与变形的关系。图中和分别对应预紧至时的压缩量和工作时下的弹回量。3.1.2中低压设备和管道的垫片密封一、法兰连接设计的一般考虑 法兰连接是过程装备中低压设备、管道和阀门中应用最广泛的可拆连接。设计法兰的密封系统要满足下面要求。完整性整个结构的机械或热应力必须在材料允许范围内；密封性垫片应力必须使整个接头的泄漏率在允许范围内。上述条件须满足下列载荷条件： 初始拧紧螺栓时的装配或预紧载荷； 1.25或1.5倍设计压力的腋芽实验载荷； 正常操作载荷（例如压力和温度载荷）。根据应用场合，还必须考虑到： 其它外载荷，如轴向或弯曲载荷； 螺栓预紧力的不确定性；

36、 瞬时热冲击，如骤然加热或冷却； 因循环载荷引起的疲劳； 腐蚀将减小材料的有效厚度； 蠕变，包括法兰、螺栓和垫片的蠕变，所有都将减少垫片应力。二、法兰连接标准 法兰是通用的机械零件，对常用的法兰已经标准化。（1） 法兰类型按用途分为容器法兰和管道法兰；按密封面宽窄分为款面法兰和窄面法兰；按制造材料分为金属法兰和非金属法兰；根据形式分为圆形、矩形、椭圆形；按与容器或管道的连接方式分为焊接法兰和非焊接法兰。按照国际标准化将法兰分为11类，如下表：典型法兰结构如图34所示。（2） 法兰密封面型式法兰密封面的型式与大小和垫片的型式、使用场合和工作条件有关。根据相关标准，将法兰密封面分为9种，按着垫片外

37、周边是否受到约束，分为约束、半约束、无约束和自紧式类型，如表32，常用的几种结构间图35所示。无约束指紧固螺栓时，垫片在法兰密封面间可自由向内或向外移动。半约束的凹凸密封面形式，使垫片免于遭受吹出的危险。有约束的环连接面适用于压力、温度有波动，对介质密封性要求较高的场合。自紧式的密封面，主要用于金属或弹性体O形环的密封，依靠工作时的压力挤压O形环变形达到密封目的。（3） 法兰密封面的表面性质 法兰密封面的表面形貌或表面积织构对法兰接头的密封有效性影响最大。表面形貌包括表面粗糙度和表面波纹度，其中表面粗糙度时表面形貌的最重要特征。常用表面轮廓的算术平均值评定表面粗糙度，管法兰密封面粗糙度的要求见

38、教材表33。（4） 法兰的标准和选用原则法兰标准分为容器法兰标准与管道法兰标准。a .容器法兰标准我国的国家容器法兰标准为JB-4700-4707-1992压力容器法兰，给出了甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰等三种法兰的分类、技术条件、结构等。b .管道法兰标准国外管道法兰标准有两类，欧洲和美洲体系，欧洲体系的公称压力以pN标示，美洲体系以Class标示。下表是两体系的负载对应关系。同样，标准种的直径尺寸有DN和NPS两种，前者称为公称通径，后者称为名义管子直径，两者的对应关系如下：国内管法兰的标准比较多，主要有：国家标准钢制管法兰、化工标准钢制管法兰、垫片、紧固件、石化标准、机械标准

39、等，其中化工标准包含了上述的欧洲和美洲体系的内容。c 标准法兰的选用 选择根据：容器或管道的公称直径、公称压力、工作温度、介质性质以及法兰材料。三、垫片（1）垫片的一般结构垫片的一般结构如图37所示。件b是密封元件，其作用是阻止泄漏。其常用的结构材料为非金属材料，也可以是刚性或柔性金属，通常用于压力较高的场合。对非金属密封元件，可以插入金属材料e来增强。密封元件可以增加一表面层d或抗粘结处理层f来增加密封效果和防止与密封面粘结，密封垫片的应力也取决于此表面层。外环c有如下几个作用：a 帮助密封元件对中；b 防止密封元件过分压缩；c 防止垫片吹出和减少法兰转动等。外环材料一般为实心金属。内环a有

40、如下作用：a 防止无内环的密封元件因沿垫片内圈的刚性不足发生向内屈曲；b 填补密封件与管道或容器内孔之间的空隙，避免此空隙干扰流体的流动和由此引起流体对垫片的冲蚀。因内环接触流体，所有其材料一般是耐腐蚀的。（2）垫片的基本类型a 非金属绝大多数垫片或者是非金属垫片，或者是金属与非金属组合垫片，因此，非金属材料是垫片的最基本的构成材料。非金属垫片的分类如下： 按组成垫片的基本组分可分为七类：植物类；动物类；矿物类；橡胶类；合成树脂类；石磨质；短纤维增强弹性体。 按目前工业上常用的垫片板材品种分类：橡胶垫片（弹性体板）；石棉橡胶垫片；无石棉橡胶垫片；聚四氟乙烯垫片；聚四氟乙烯包覆垫片；柔性石磨垫片

41、。常用的非金属软垫片及使用范围见表34。a、 非金属垫片非金属垫片的优点众多，其主要缺点是强度不高、回弹性差、不适合高压、高温场合，结合金属的特点，形成将两者组合结构的垫片，即半金属垫片。常用的半金属垫片如表35所示。b、 金属垫片对于高温、高压及载荷循环等苛刻条件下，金属材料仍是密封垫片的首选材料。常见的金属垫片及使用条件见教材P34表37。（3）垫片的重要性能 选择和设计螺栓法兰连接需要表征垫片力学行为和密封行为的若干特征性能，下面对这两种性能进行介绍。a、垫片的力学性能对垫片试样进行压缩或拉伸试验，得到试样的载荷变形曲线，曲线的形状特征表征着垫片的力学行为，如压缩率、回弹率、压缩强度和拉

42、伸强度等。通过其它的试验如蠕变松弛试验、吹出试验等，可以获得蠕变松弛率、pT，吹出抗力等力学性能。载荷变形行为：垫片的载荷变形关系用垫片应力与该应力垫片变形来表示，如教材图33。通过图33可以看出垫片应力与垫片变形有如下关系。 垫片通常不完全是弹性的，与不是单一的弹性响应关系，呈非线性，图中表现出的滞回曲线的特征，即存在残余变形。 不同材质和类型垫片的与具有不同的对应关系。 与的关系受温度影响。压缩性和回弹性：压缩性指初始压缩后垫片厚度的改变量，表征了垫片刚性的大小，压缩率用公式34表示。回弹性指当压缩载荷卸除后，垫片厚度的回复量，回弹率用公式35表示。 （34） （35）式中，压缩率，； R

43、回弹率，；垫片的原始厚度，mm；垫片在规定载荷下的厚度，mm；垫片在虎伏载荷下的厚度，mm。说明： 不同材料和结构形式的压缩率和回弹率都不相同，并且受到温度、厚度和垫片应力的影响。 垫片写在回复曲线的斜率越大，垫片的弹性补偿能力越强，应力损失越小。拉伸强度：垫片主要受到压缩作用，但是必须具备基本的拉伸强度。如表38所示。具有拉伸强度是垫片发生吹出时不会发生拉伸撕裂的需要。压缩强度：压缩强度表示压溃垫片的极限载荷，与工作温度和垫片厚度有关。一般说来，工作温度越高、厚度越大，压缩强度越低。不同构造材料和形式的垫片压缩强度不一样。吹出抗力：垫片吹出的原因：垫片与法兰密封面间的摩擦力抵抗不住密封介质的

44、径向压力。从图310可以得到如下的约束关系。蠕变松弛行为：应力松弛：当施加螺栓载荷时，垫片的厚度由于应力作用减薄，但运行一端时间后，垫片厚度将继续较小，垫片上的应力也将减少，这就是应力松弛。垫片的应力松弛使应力松弛和蠕变两个主要因素的联合作用。蠕变：恒应力下应变的改变，它以初始载荷下垫片厚度的百分率表示。松弛：恒应变下应力的改变，它以初始载荷下应变变化的百分率表示。对螺栓-垫片-法兰载荷系统，垫片蠕变不发生在恒应力下，垫片厚度的改变引起螺栓伸长，同时改变了垫片应力，把这种垫片与螺栓的相互作用称为垫片的蠕变松弛。表示垫片蠕变松弛性能的两种方法：一是按照螺栓伸长改变量表示垫片应力的变化，以蠕变松弛

45、率表示；二是直接测量蠕变前后垫片应力变化，以应力松弛率比表示，两者以如下公式表示。 （37）装配时螺栓有效长度内的初始伸长量，mm；垫片蠕变后螺栓初始伸长量的变化量，mm； （38）式中，初始压缩的垫片应力，Mpa； 蠕变后残留的垫片应力，Mpa。pT 垫片材料有最高使用温度和最高使用压力，一般不能在最高温度和最高压力下同时使用，因此常用pT表示材料最大使用压力和最高使用温度的匹配关系，如表38列出了部分垫片材料的pT值。b 垫片的高温力学性能高温对垫片有不利影响：使垫片力学性能发生劣化，大多数橡胶粘结石棉或非石棉纤维材料遇到高温会发生分解、粉化或永久变形，最高使用压力随温度增加而降低；高温增

46、加了垫片的蠕变松弛；高温改变了垫片的热膨胀或收缩性能，从而改变其应力，影响密封性能。c 垫片的密封性能通过试验测试垫片在常温或高温下的泄漏率来表征介质通过垫片本身和垫片与密封面间的密封性能。如图312所示。除了装配垫片应力外，影响垫片密封性能的主要音速还有介质性质、压力、法兰密封面的粗糙度等。法兰密封面的粗糙度对金属垫片的影响较大。可以用称为紧密性参数Tp与垫片应力关联起来，如图313所示，Tp综合了试验介质压力和泄漏率的关系，该图包含了密封压力、泄漏率、试验介质和垫片应力等诸多因素对垫片密封性能的影响。（4）垫片应力在设计垫片中要注意几个应力概念。a 最小装配垫片应力，即垫片应力的下限值：当

47、密封流体压力为0时，垫片应力的作用是使垫片材料发生弹性变形，以堵塞上下密封面几何形状偏差形成的泄漏通道，这时垫片应力为室温下的最小垫片应力，称为屈服系数或最小设计预警应力，但在实际上不可能在0压力下测量该值，在标准 测试方法中，取0.14bar作为该0压力。实际应用中，一般取一下限垫片应力值，即在此垫片应力以上，垫片载荷压缩曲线呈线性关系，在实际应用，装配垫片应力一定要超过该值。b 最大装配垫片应力，即垫片应力上限值。目的（1）保证垫片工作在允许泄漏率内，因为某些垫片在很高应力下，当应力发生改变时，对泄漏十分敏感；（2）防止过渡压缩垫片引起机械损坏。c 设计装配应力：（39）式中，达到额定泄漏

48、率时所需要的垫片应力；因流体压力作用使垫片应力下降的数量，是确定流体轴向力的面积， 是垫片密封部分的面积。因此，为了避免在室温装配条件下垫片发生机械损坏，要求：在高温条件下，要求：d 垫片应力的松弛作用在垫片上的应力，随时间的推移，都将有不同程度上的降低，即发生蠕变松弛。垫片的蠕变松弛会引起应力下降，在设计阶段需要考虑追加可能损失掉的这部分应力，式39变成：（310）为蠕变松弛引起的垫片应力的减少，与材料和温度有关系。e 热膨胀和热滞后引起的垫片应力下降垫片、法兰和螺栓之间热膨胀的顺从性对垫片尤其是金属垫片的应力有重要影响。如果变形不一致，将会引起较大的径向横剪力；如果膨胀或冷却不协调，则会引

49、起较大的应力波动，发生瞬时泄漏。f 实际螺栓载荷的不确定性 在螺栓拧紧过程中，有较多因素影响螺栓载荷，而且又要使装配垫片应力满足在最低装配应力和最高装配应力之间。解决不确定性的办法是采用能精确控制螺栓转矩的工具。（5）垫片材料的选择选择垫片材料要考虑以下因素。a 易发挥有机物的逸出要求，必须满足对健康和环保的要求。b 介质，垫片应在过程中不受密封介质的影响，尤其是化学腐蚀性、氧化性和渗透性。c 温度，垫片在最高或最低的工作温度下有合理的使用寿命。d 压力，垫片必须能承受最大的工作压力。e 法兰密封面粗糙度，不同材料对法兰粗糙度的要求见教材表310。f 其它考虑因素，包括循环载荷、振动、磨损、污

50、染物质、法兰腐蚀、安全性及经济性。(6)垫片尺寸选择的一般原则a 尽可能选择薄的垫片垫片的厚度要求与其形式、材料、直径、密封面的加工状况和密封介质有关。对非金属板状垫片，抵抗松弛能力随厚度增加而减弱，薄垫片与密封介质接触的面积少，沿垫片本体的渗透减少。非金属板状垫片厚度选择参考表311。b 尽可能选择较窄的垫片在同样载荷下，垫片宽度越窄，垫片应力越高，密封压力越高，但应不倍压裂或吹出，一般板状垫片可根据公称直径和公称压力选取，如图317所示。c不要让垫片的内径深入管道内，也没有必要过分增加垫片的外径，前者导致管内流体介质冲刷垫片，可能损害垫片；后者可能因受环境腐蚀，损害垫片。四、螺栓载荷的计算

51、法兰连接的接头主要取决于其装备应力和工作应力是否满足要求，法兰连接计算的最主要任务是：a 决策应力水平：装配或预紧螺栓载荷；b 应力分析：任何状态下，法兰连接的各个零件的应力必须在材料的允许范围内；c 紧密性：法兰连接达到规定的泄漏率或密封度要求。传统的计算螺栓载荷的方法是理论假设、简化计算及工程经验，目前有比较精确的应力解析或数值计算方法。（1）中国压力容器规范的方法计算螺栓载荷步骤：a 确定操作工况下需要的最小螺栓载荷 ； b 确定预紧垫片需要的最小螺栓载荷； c 由和确定需要的最小螺栓面积，即： （311）、为螺栓材料在室温和操作温度下的需用应力。d 由需要的最小螺栓面积和实际螺栓面积决

52、定设计预紧载荷： （314）e 决定设计操作载荷 （314）（2）Whalen的简化方法简化：给予垫片最小预紧力和密封介质端部流体静压力，不考虑表面粗糙度。a 计算预警螺栓的总载荷 （315）式中，螺栓总载荷，N； 垫片最小预紧力，Mpa； 垫片接触面积，D和d分别是垫片的外直径和内直径。b 计算端部流体静压力 （316）式中，流体端部静压力，N；介质压力，Mpa；介质内力作用面积，通常可取垫片的平均直径，；K安全系数，见表313。（3）螺栓装配转矩的确定方法目前常用的是使用转矩控制螺栓装配，但是螺栓的转矩和加在垫片上的夹紧力之间的关系比较复杂。研究表明大约有76个变量影响两者之间的关系，以至

53、螺栓的预紧载荷存在很大的分散性和不确定性，见表314。研究表明作用在螺栓上的转矩只有10至15转换为螺栓的伸长或夹紧力，其余都消耗在螺母与支撑面及螺纹之间的摩擦上。在紧固一组螺栓时，必须考虑道螺栓之间的弹性交互作用，通常的解决方法是按照规定的次序逐次交叉上紧，可以缩小各螺栓之间载荷或伸长的不均衡；另外一种方法是同时拧紧所有的螺栓。五、垫片密封设计新方法上述设计方法已经沿用了50多年，下面介绍一种改进方法：PVRC法。PVRC法和原来的方法比较，在法兰应力分析和评定方法上基本保持不变，增加了如下一些新内容：a 使用接头密封度作为设计准则；b 采用基于泄漏率的垫片常数和相应的计算方法确定螺栓预紧载荷；c 对法兰港对提出要求；d 考虑作用在螺栓法兰连接上的外力和外力矩；e 修改螺栓设计面积和螺栓操作载荷的定义；f 考虑如多程管壳式换热器中隔板上的垫片载荷对螺栓载荷的影响。（1）紧密性参数PVRC对常用垫片进行试验和研