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1、1,第 二 章 垫 片 密 封Gasket Seals,2,Main Content,垫片密封的泄露方式 垫片密封的结构和分类 垫片的种类 垫片密封的特征参数垫片的主要性能垫片密封的选用,3,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。垫片必须能够密封结合面，并对密封介质不惨透和不被腐蚀，能经受温度和压力等的作用。,4,垫 片,5,垫片密封,垫片密封是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。它们所处的工况条件十分复杂，包含的流体介质范围相当广泛，防止液体或气体通过这些接头处泄
2、漏出来，是工厂面对的最重要也是最困难的任务。虽然法兰接头与泵轴、阀杆、搅拌器轴等密封相比，其泄漏量不及它们大，但法兰接头的数量则比它们多得多，因此它们成为过程装备泄漏的主要来源。,6,垫片密封的泄露方式,界面泄漏 渗透泄漏 吹出泄漏,1）界面2）渗透3）吹出,7,垫片密封的分类,按密封垫片受力情况，可分为：强制式密封：完全靠外力(如螺栓)对垫片施加载荷实 现。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者，则称为半自紧式密封。按操作压力，中低压密封、高压密封和超高压密封。低压密封 P1.568MPa中低压密封 0.098P9.8MPa(绝压)高压密封 9.8
3、P98MPa超高压密封 P98MPa,8,垫片密封的结构,典型的垫片密封结构一般由连接元件（如法兰）、垫片和紧固件（螺栓、螺母）组成，不同的连接元件组成各种不同的密封结构。,9,垫片密封的特征参数,为了正确地进行密封设计，必须保证表征密封垫性能的两个重要参数满足工作要求。这两个参数是最小有效压紧力设计值Y和垫片系数m。（1）最小压紧力Y（预紧比压）定义为预紧(无内压)时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件，此时垫片所必需的最小压紧载荷，因以单位接触面积上的压紧载荷计，故也称“最小压紧应力”，单位为MPa。Y值是密封垫的固有值，只与密封垫本身的材料、形状有关，而与介质的种类及内压的大小
4、无关。,10,垫片系数m 是指操作(有内压)时，达到紧密不漏，垫上所必须维持的比压与介质压力的比值。垫片系数m的大小反映了该垫片在实际工况下实现密封的难易程度。如图所示为垫片工作时的变形情况。首先，在外加压紧力F。的作用下，垫片的初压缩量为d0。设垫片的受压面积为Ag，则垫片所受的平均预紧压力为：,管内无内压(如图),11,若管道内压为pi 总压力为，方向与F0 相反。在此压力作用下，垫片被放松回弹，回弹量为d，垫片上的压紧应力减小为：,式中De认为压紧力的作用半径。,管内有内压(如图),12,通过试验，可以得出密封垫的密封特性曲线。压紧后的垫片放松到一定程度时即出现泄漏，在密封特性曲线上反映
5、这一点的是sc。也就是说垫片密封所需的最小压紧应力为sc。sc对应于一定的内压pic，当预压紧应力小于sc时，垫片不能做到有效的密封，所以sc是垫片密封与未密封的分界点，也称为“漏点”，是压紧程度的最低极限。,在开始发生泄漏时，垫片的有效压紧应力与内压之比 为：,m为垫片系数。它与垫片的种类、尺寸、形状、环境温度、压力以及法兰密封面的表面粗糙度等因素有关。,13,垫片系数m是设计、选择密封垫的重要参数，保证密封的必要条件是：,实际上，在设计垫片密封时，密封垫的最小压紧压应力Y和垫片系数m必须同时满足，即应符合下面条件：,其中：Ae有效承压面积Ag是垫片实际面积,这里Ae和Ag在使用条件下是给定
6、的，垫片系数m和Y值可以在密封垫产品样本中找到，因此利用该公式就能计算垫片的尺寸。,14,垫片工作应力：,15,垫片的主要性能,垫片的力学性能1）载荷-变形行为：作用在垫片上的垫片应力sg与该应力下垫片的变形dg表示,16,观察图示应力和变形曲线的形状sg和dg有如下的关系：垫片通常不完全是弹性的，sg和dg之间没有单一的弹性响应关系，而呈现非线性，在图中表现出滞回曲线的特征即存在残余变形。有时这种残余变形经过一段时间将会消失。因此，某些垫片在装配载荷和操作载荷下的压缩特性不尽相同。不同材质和类型垫片应力应变具有不同的对应关系.应力应变的关系受温度影响。,17,垫片的压缩性和回弹性,压缩性C：
7、指初始压缩后垫片厚度的改变量，表征了垫片刚性的大小。垫片的压缩性C为：,回弹性R：是指当压缩载荷卸除后，垫片厚度的回复量，它对操作时因介质压力或其他原因引起密封面的分离进行补偿，以保待接头的密封能力，比压缩性更具重要性。,18,垫片的拉伸强度压缩（溃）强度：如前所述，垫片应力越大，泄漏将越少。但是垫片应力太大时，垫片将会被压溃，也可能压缩时已经碎裂。因此若测试压缩垫片的全过程，总会有发生压溃的极限载荷，即为垫片的压缩强度。压缩强度也与工作温度和垫片厚度有关。,19,吹出抗力,20,垫片的高温力学行为,蠕变的定义,观察许多材料在拉伸载荷下的变形规律可以发现，在温度不变、载荷不变的条件下，试件的变
8、形也会随着时间的增长而缓慢增大，这一现象称为蠕变现象。,随着温度的升高，材料的弹性模量、屈服和拉伸强度有何变化？,21,蠕变变形的三个阶段,第一阶段：蠕变速率逐渐降低,第二阶段：蠕变速率近似为常数,第三阶段：蠕变速率剧增，并导致最后断裂,22,高温使垫片力学性能发生劣化，包括拉伸强度、回弹率（弹性模量）和承载能力等。最高使用压力随温度增加而降低；高温增加垫片的蠕变或松弛；热波动或热循环在接头中引起联合的垫片变形 棘轮和应力棘轮效应。如图所示。,23,垫片的选择,选择垫片时，首先考虑以下几个因素：流体性质：所接触的流体介质的物理化学性能，例如流体的酸碱性、放射性、渗透性、燃烧性、毒性等。流体压力
9、：流体介质的压力状态，正压还是负 压？具体的压力数值，以及是否有压力脉动动等。流体温度：流体介质的温度状况，是低温还是超低温，是常温、高温还是超高温？以及运行过程小是否有温度变化等。法兰类型：法兰形状、尺寸、密封面状况等。,24,同时要满足以下要求：(1)有良好的弹性和恢复性，能适应压力变化和温度波动；(2)有适当的柔软性，能与接触面很好地贴合；(3)不污染工艺介质；(4)有足够的韧性而不因压力和紧团力造成破坏；(5)低温时不硬化，收缩量小；高温时不软化，抗蠕变性能好(6)加工性能好，安装、压紧方便；(7)不粘结密封面、拆卸容易；(8)价格便宜，使用寿命长。,25,裂纹：裂纹是金属中最危险的缺
10、陷。也是各种材料焊接过程中时常遇到的问题。从密封的角度看，在外力作用下，裂纹的扩展导致被密封介质的泄露。裂纹按其所在的部位可分为纵向裂纹、横向裂纹、焊缝中心裂纹、根部裂纹，HAZ裂纹等，如图。,Root,Weld,HAZ,26,上述分类方法与结构完整性评定中裂纹的分类不同：后者分为表面裂纹、埋藏裂纹和穿透裂纹。,穿透裂纹 表面裂纹 穿透裂纹,27,断裂力学中的裂纹分类,张开型 滑移型 撕裂型,28,第 三 章 法 兰 密 封Flange Seals,29,Main Content,法兰的结构与种类法兰密封面形式法兰垫片的回弹性影响法兰密封的因素法兰密封应用实例,30,31,法兰类型,根据用途分
11、为：容器法兰和管道法兰 根据密封面宽窄分为：宽面法兰和窄面法兰 根据制造材料分为：金属法兰和非金属法兰 根据形状可分为：圆形、矩形、椭圆型 根据与容器或管道的连接方式：整体法兰、活套法兰和螺纹法兰,32,法兰的结构,整体法兰：法兰与役备或管道不可拆地固定在一起时，称为整体法兰。常见的整体法兰形式有平焊法兰和高颈法兰。,33,34,35,法兰的结构,高颈法兰（对焊法兰）,36,37,活套法兰,法兰的结构,38,39,法兰的结构,螺纹法兰,40,41,法兰密封面,平面形法兰密封面,密封面的主要尺寸是密封面宽度（D2-Dg）/2，一般使用压力容器法兰密封面宽在25-40mm，管法兰为10-15mm。
12、,42,法兰密封面,凹凸形法兰密封面,密封面可用于 DN800，PN6.4MPa场合，随着直径的增大，公称压力降低。凹凸形密封面的主要尺寸是凸面的直径D4与高度f1，凹面的直径D3与深度f2。这种密封面比平面形密纣面宽度约小1530；f1=f2;D4-D3=1 2mm.,43,法兰密封面,榫槽形法兰密封面,密封面的主要尺寸是榫的外径（或内径）、宽度和高度，槽的外径（或内径）、宽度和探度。在现行标准中，外径和高、探度都与凹凸密封面的尺寸相同。槽宽在1517mm；对于管法兰，槽宽在614mm，槽与榫的宽度差在13mm。,44,法兰密封面,锥形法兰密封面,锥形密封面结构通常用于高压管件密封，可用到1
13、00MPa，甚至压力更大的场合,45,法兰密封面,梯形槽法兰密封面,梯形槽密封面多用于操作条件比较苛刻的地方。如温度和压力联合作用而波动较大、介质渗透性大或渗漏有危险性的场合。适角于高压容器和高压管道，使用压力一般为7-70MPa。,46,法兰垫片的回弹性与特性参数,当设备和管道投入运转以后，由于介质压力作用和变化，使垫片上的压紧应力下降。为了保证密封，除了结构设计上给予充分考虑之外，垫片本身的补偿能力是十分重要的。依靠垫片的回弹能力进行补偿是最经济有效的途径。所以，与垫片的耐压、耐温、耐介质性能一样，其回弹性能的好坏将直接影响密封效果。,47,压缩-回弹曲线,48,影响法兰密封的因素,法兰密
14、封泄漏主要是密封面间泄漏。由垫片毛细管作用而发生渗漏的可能性很小。垫片靠外力压紧后，垫片本身产生弹性变形与塑性变形，填满密封面上微小的凹凸不平的间隙，使介质通过密封面的阻力大于密封两侧的压差时，即达到密封。但受到外界条件影响时，密封受到破坏，从而产生泄漏。影响密封的因素主要有以下几方面：,49,(1)操作条件的影响(2)设计参数m和y值的影响(3)螺栓预紧力的影响(4)垫片性能的影响(5)法兰刚度的影响(6)密封面的影响,50,法兰密封应用实例,例：如何保证梯形槽法兰的密封性能。梯形槽法兰以其良好的使用性能被广泛地使用在高压加氢装置上。高压加氢装置的工作介质通常多为易燃、易爆，且工作压力、温度
15、相对较高。梯形槽法兰对密封而的加工精度和密封面问的配合精度均要求较高，否则，就不能保证良好的密封效果。如何保证高压加氢装置梯形槽法兰的密封性能，杜绝或减少泄漏的出现。,51,梯形槽法兰的密封结构是通过垫圈与法兰梯形槽两侧密封面的紧密接触而起到密封作用(如图所示)。因此，其泄漏的途径也就是通过垫圈与两法兰密封面的接触不完整而产生的，属于界面泄漏。,52,梯形槽法兰密封结构产生泄漏的原因有很多。概括起来有四个方面：制造方面的原因；保管和安装方面的原因；操作方面的原因；设计方面的原因。具体原因如下；,53,（1）制造方面的原因,法兰和垫圈的加工精度未达到技术要求；法兰和垫圈的加工尺寸不符合技术要求，
16、特别是中径及角度偏差较大。法兰与垫圈的硬度相近或垫圈硬度高于法兰硬度，也会引起相应的密封泄漏。,54,（2）保管和安装方面的原因,法兰密封面不清洁，粘附各种杂物，安装前未进行很好的清理。法兰和垫圈的密封面出现锈蚀、碰伤、划痕，特别是径向贯穿性划痕等；即使在安装前进行了很好的处理，也难以达到使用要求。在同一法兰上混用不同的材质的螺栓。螺栓材质不同，其许用应力及热膨胀系数就不同，在使用过程中易引起泄漏。预紧螺栓时紧固顺序或紧固方法不当，造成法兰与垫圈压迫、压损引起泄漏；或紧固力矩不够，在高温高压下产生泄漏。由于管道组对、焊接等原因使管道法兰口存在较大的应力，内错口、偏口、张口等情况引起的泄漏。,5
17、5,（3）操作方面的原因,（4）设计方面的原因,在生产运转过程中，由于操作不稳定，致使压力、温度波动较大，超过了梯形槽法兰密封结构原有的密封承受能力；温度过高时，还会改变正常的连接和密封状态，从而产生泄漏。,产生泄漏的原因主要是由于支、吊架设计不合型造成设备管路振动，引起螺栓松动。,56,57,58,过程装备与控制工程专业,业务培养目标：本专业培养具备化学工程、机械工程、控制工程和管理工程等方面的知识，能在化工、石油、能源、轻工、环保、医药、食品、机械及劳动安全等部门从事工程设计、技术开发、生产技术、经营管理以及工程科学研究等方面工作的高级工程技术人才。,59,业务培养要求：本专业学生主要学习
18、化学、物理、物理化学、化工计算、工程热力学、化工原理、流体力学、粉体力学、工程力学、机械设计及计算机控制技术方面的基本理论和基本知识，受到工程设计、测控技能和工程科学研究的基本训练，掌握对化工单元设备及成套装备的优化设计、创新改造和新型化工装置技术开发研究的基本能力。,60,毕业生应获得以下几方面的知识和能力：1掌握化学工程、动力工程及工程热物理、机械工程、控制工程等学科的基本理论、基本知识；2掌握化工单元设备和成套装备的设计方法与控制技术；3具有对新装备、新技术进行开发研究与创新设计以及对化工装置项目进行成本评估与投资决策的初步能力；4熟悉国家关于化工装备设计、开发、研究、环境保护和安全防灾等方面的方针、政策和法规。5了解化工装备与控制工程的理论前沿，了解新装置、新技术、新工艺的发展动态；6掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有一定的科学研究和实际工作能力。,61,62,63,64,http:/,
