邱硯明，徐樹(shù)林，牟力波，劉艷鵬 ，焦剛毅

(1.哈電集團(tuán) 中央研究院，哈爾濱 黑龍江 150028；2.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司, 哈爾濱 黑龍江 150028)

0 概 況

本文以不銹鋼石墨纏繞墊為例，依據(jù)技術(shù)專(zhuān)著、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)闡述該纏繞墊的墊片系數(shù)的含義、有效寬度與實(shí)際密封寬度、墊片預(yù)緊壓應(yīng)力與操作時(shí)壓應(yīng)力 、墊片操作工況的剩余壓應(yīng)力的關(guān)系,墊片寬度的選擇以及使用中的注意事項(xiàng)等，給出此類(lèi)墊片應(yīng)用中的一些建議，供本專(zhuān)業(yè)參考。

1 墊片系數(shù)m、y [1]

m——在臨界泄漏時(shí)，墊片單位面積壓力的剩余值(墊片2倍有效寬度單位面積上的殘余壓應(yīng)力)與密封操作壓力Pw的比值,無(wú)量綱；

y——墊片預(yù)緊狀態(tài)下需要的有效密封寬度內(nèi)的最小壓應(yīng)力值，MPa。

2 墊片有效密封寬度b

墊片實(shí)際密封寬度和有效密封寬度不相同，墊片基本密封寬度b0是墊片密封接觸寬度的一半，這是這種墊片采用的密封面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定的，墊片的實(shí)際寬度至少是有效寬度b的2倍，詳見(jiàn)下面的表1，具體計(jì)算在GB 150-2011《壓力容器》第7.5.1.2中有明確的計(jì)算公式：

表1 墊片實(shí)際寬度(N)與有效寬度(b)的關(guān)系表

N——纏繞墊片密封接觸面寬度,mm；

b——墊片有效密封寬度，mm。

N/2≤6.4,b=N/2；

3 各工況下墊片壓應(yīng)力

以操作壓力Pw為20 MPa，DN300的法蘭密封,材料以?shī)W氏體不銹鋼石墨纏繞墊為例：

HG/T 20631-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(Class系列)》中的墊片尺寸D2=317.5,D3=368.3，D2、D3位置見(jiàn)圖1,墊片有效寬度b=9.02,墊片壓緊力中心圓直徑DG=350.27

預(yù)緊時(shí)墊片需要的最小壓緊力：

Fa=πDGby

=π×350.27×9.02×69

=684 575.53 N

DG——墊片壓緊力中心圓直徑，mm；

墊片承壓面積：

A=π(368.32-317.52)/4

=27 362.2 mm2

預(yù)緊時(shí)需要的墊片平均壓應(yīng)力：

σ0=Fa/A

=684 575.53 /27 362.2

=25.02 MPa

實(shí)際預(yù)緊時(shí)墊片需要的最小壓緊力(抵抗液體軸向力及墊片工況條件下的必須的密封殘余表面壓應(yīng)力)：

WP=0.25πDG^2Pw+2πDGbmPw

=0.25π×350.27^2×20+2π×350.27×9.02×3×20

=3 117 735.71 N

實(shí)際預(yù)緊時(shí)墊片的最小壓應(yīng)力：

σp0=Wp/A

=3 117 735.71 /27 362.2

=113.94 MPa

操作時(shí)墊片需要的最小壓緊力：

Fp=2πDGbmPw

=2π×350.27×9.02×3×20

=1 190 566.14 N

操作時(shí)墊片實(shí)際的最小壓應(yīng)力：

σp1=Fp/A

=1 190 566.14 /27 362.2

=43.51 MPa

墊片操作工況下實(shí)際的墊片系數(shù)(mp)值：

mp=σp1/Pw=43.51/20

=2.18

依據(jù)上面的計(jì)算方法，列出各壓力工況的相關(guān)數(shù)據(jù)，將統(tǒng)計(jì)列入下面的表2。

表2 DN300不銹鋼纏繞墊片各操作壓力下的墊片壓應(yīng)力值

如表2所述，預(yù)緊墊片的平均壓應(yīng)力到達(dá)69 MPa時(shí)，其操作壓力為12.11 MPa。墊片的預(yù)緊壓應(yīng)力是包含了抵抗液體軸向力與墊片在內(nèi)壓情況下需要的壓應(yīng)力的殘余值，因此墊片的預(yù)緊力大于預(yù)緊時(shí)墊片需要的最小壓緊力為πDGby 。

4 纏繞墊片試驗(yàn)數(shù)據(jù)

跟據(jù)GB/T 4622.3-2007《纏繞式墊片技術(shù)條件》及GB/T 14180-1993《纏繞式墊片試驗(yàn)方法》，DN80纏繞墊水介質(zhì)試驗(yàn)壓力為1.3×25=32.5 MPa, 蒸汽介質(zhì)壓力試驗(yàn)壓力為1.1×25=27.5 MPa,墊片的理論需要的預(yù)緊壓應(yīng)力為墊片有效寬度下的69 MPa,墊片實(shí)際的預(yù)緊壓力值要克服液體軸向力后還要保證密封必須的殘余壓應(yīng)力值，見(jiàn)表3。

表3 纏繞墊標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

DN80纏繞墊片,Φ120.7/Φ92.2,b=6.75,DG=107.19 mm。

下面以水介質(zhì)壓力試驗(yàn)為例。

理論上的墊片預(yù)緊時(shí)需要的最小壓緊力：

Fa=πDGby

=π107.19×6.75×69

=156 920.74 N

墊片承壓面積：

A=π(120.72-92.22)/4

=4 765.52 mm2

理論上的墊片預(yù)緊時(shí)需要的最小壓應(yīng)力：

σp0=Fa/A

=156 920.74/4 765.52

=y/2

=32.93 MPa

預(yù)緊時(shí)墊片實(shí)際的最小壓應(yīng)力：

σp1=(FD+Fp)/A

=(0.25πDG^2Pc+2πDGbmPc)/A

=(0.25×107.192×32.5+2×107.19×6.75×3×32.5)/4 765.52

=154.6 MPa

操作狀態(tài)下墊片的殘余最小壓應(yīng)力值：

σp=Fp/A

=443 471.66/4 765.52

=93.06 MPa

操作狀態(tài)下墊片實(shí)際的墊片系數(shù)m的值：

mp=σp/Pc

=93.06/32.5

=2.86

從DN80纏繞墊片的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知道，墊片最大的平均壓應(yīng)力不大于154.6 MPa.這個(gè)試驗(yàn)驗(yàn)證的是操作壓力25 MPa的纏繞墊片的密封性能.根據(jù)HG/T 20615-2009《鋼制管法蘭(Class系列)》，纏繞墊片的適應(yīng)的操作壓力是在454.5 ℃時(shí)能承壓17.2 MPa,常溫時(shí)能承壓42 MPa，且墊片公稱(chēng)壓力都有公稱(chēng)尺寸相對(duì)應(yīng)的限制. 因此，非標(biāo)纏繞墊片密封結(jié)構(gòu)可以參考這個(gè)試驗(yàn)的計(jì)算數(shù)值及HG/T 20615-2009《鋼制管法蘭(Class系列)》來(lái)選用適應(yīng)的操作壓力。

5 關(guān)于墊片在操作時(shí)需要的墊片最小壓應(yīng)力值

墊片系數(shù)由密封試驗(yàn)臨界泄漏狀態(tài)的墊片壓緊力除以有效墊片面積及密封壓力得出，而墊片系數(shù)m在原始測(cè)定時(shí)，對(duì)墊片面積取為2bπDG(認(rèn)為在操作時(shí)，起密封作用的面積是2倍墊片有效面積)，為此使墊片保持最小的密封壓緊力為(2b)πDGbmPw=2bπDGbmPc?？紤]有效寬度b的因素，墊片實(shí)際寬度是有效寬度的2～6倍，實(shí)際操作時(shí)墊片的平均壓應(yīng)力只是操作壓力的m/3～m倍。墊片寬度是12.8 mm及其以下的才是操作壓力的m倍，墊片寬度超過(guò)12.8 mm的其墊片壓力都在操作壓力的m倍以下，所以墊片的在操作時(shí)需要的墊片最小壓應(yīng)力值應(yīng)該是(m/3)Pw～m Pw, 因?yàn)榇死p繞墊片的m=3，因此墊片的在操作時(shí)需要的墊片最小壓應(yīng)力值應(yīng)該在 Pw～3 Pw之間。

6 需要的最小墊片寬度N

根據(jù)GB 150-89《鋼制壓力容器》,給出下面的計(jì)算公式

(1)

Ab——法蘭螺柱總面積，m2；

[σ]b——法蘭螺柱常溫下許用應(yīng)力，MPa.

由(1)式可知，墊片的承壓面積是：

A=πDGNmin2y

(2)

從上面的公式(2)可以看出，其要求對(duì)墊片表面的平均壓力不能超過(guò)纏繞墊片的2倍比壓力值，即2×69=138 MPa，但依據(jù)HG/T 20631-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(Class系列)》中的數(shù)據(jù)顯示纏繞墊能承受住239.27 MPa的面壓應(yīng)力值，仍能很好的實(shí)現(xiàn)密封功能，為此GB 150-1998取消了這個(gè)限制。

由墊片的初始預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力公式Fa=πDGby=πDG(Nmin/2)y=πDGNmin 0.5y可以推出墊片最低的平均壓應(yīng)力值不能低于0.5y,依據(jù)HG/T 20631-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(Class系列)》DN300纏繞墊數(shù)據(jù)239.27/69≈3.4即有下面的公式(3)成立：

(3)

設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)的墊片，要參考上述公式(3)來(lái)校核墊片的寬度，這一寬度是根據(jù)常溫狀態(tài)下墊片需要的寬度，目前沒(méi)有資料顯示考慮高溫工況而需要額外增加多少寬度的敘述。非標(biāo)墊片的設(shè)計(jì)同樣建議參考HG/T 20631-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(Class系列)》及HG/T 20610-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(PN系列)》中的有成功使用經(jīng)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)法蘭使用墊片的寬度值。

7 纏繞墊結(jié)構(gòu)尺寸

依據(jù)GB/T 4622.2-2008《纏繞式墊片 管法蘭用墊片尺寸》,纏繞墊的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1及表4。

圖1 纏繞墊結(jié)構(gòu)示意圖

D1——內(nèi)環(huán)內(nèi)徑，mm;

D2——密封元件內(nèi)徑，mm;

D3——密封元件外徑，mm;

D4——定位環(huán)外徑，mm;

T——密封元件厚度，mm;

T1——內(nèi)環(huán)/定位環(huán)厚度，mm。

ΔTmax——纏繞墊片的極限壓縮尺寸，mm；

ΔTpmax——纏繞墊片服役時(shí)的極限壓縮尺寸，mm。

如圖1和表4所示，纏繞墊操作時(shí)的極限壓縮量即表4 的ΔTpmax。

關(guān)于纏繞墊片的公稱(chēng)通徑，參考文獻(xiàn)GB/T 4622.2-2008《纏繞式墊片 管法蘭用墊片尺寸》中最大取DN3000， 結(jié)合公稱(chēng)等級(jí)建議參考HG/T 20631-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(Class系列)》及HG/T 20610-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(PN系列)》選取。

8 可采用限位結(jié)構(gòu)的情況

任何壓力等級(jí)都可以采用限位結(jié)構(gòu)，而低壓力工況不值得采用。當(dāng)連接法蘭時(shí)，螺栓預(yù)緊，在纏繞墊片平面上產(chǎn)生的平均面壓力超過(guò)了1.0y MPa時(shí)就可以采用限位結(jié)構(gòu)，本案推薦在纏繞墊片預(yù)緊平均壓應(yīng)力超過(guò)2.0y MPa時(shí)采用限位結(jié)構(gòu)，當(dāng)超過(guò)3.4y MPa時(shí)，一定要采用限位結(jié)構(gòu)。因?yàn)槌^(guò)此壓力數(shù)值目前沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，當(dāng)墊片壓力大到承載極限后會(huì)失去回彈性能，進(jìn)而失去密封功能。采用限位結(jié)構(gòu)液體的軸向力就不由墊片承擔(dān)而是由結(jié)構(gòu)限位臺(tái)階來(lái)承受這部分的壓力，這樣就減少了墊片的壓應(yīng)力。特別推薦的是當(dāng)遇到墊片的軸向力及彎矩力變動(dòng)很大的場(chǎng)合，這種工況的纏繞墊片采用限位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是比較合適的，最貼切的例子是塔器的設(shè)備法蘭，由于塔器風(fēng)載的因素會(huì)造成設(shè)備法蘭承受很大的彎矩力，而這種彎矩力又不確定方向，容易使纏繞墊密封失效。纏繞墊片限位結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 纏繞墊限位結(jié)構(gòu)示意圖

例如人孔類(lèi)的密封墊結(jié)構(gòu)，因沒(méi)有額外的附加載荷，盡管預(yù)緊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過(guò)了yMPa,但墊片的壓縮厚度沒(méi)有超過(guò)纏繞墊片服役時(shí)的極限壓縮尺寸ΔTpmax就可以不采用限位結(jié)構(gòu)。采用限位結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是預(yù)緊螺柱力用于抵抗液體軸向力的那部分力以及類(lèi)似風(fēng)載荷等的軸向彎矩由限位平面承擔(dān)，不用擔(dān)心過(guò)高的預(yù)緊力以及偏心的載荷引起的密封面的壓緊力不一致造成墊片過(guò)壓而失去密封性能,而纏繞墊片承載的壓力完全是滿足操作狀態(tài)下需要的最小墊片的壓力值2πDGbmPc。

9 墊片適應(yīng)的操作壓力

依據(jù)GB/T 4622.3-2007《纏繞式墊片 技術(shù)條件》和GB/T 12385-2008《管法蘭用墊片密封性能試驗(yàn)方法》，纏繞墊片加載預(yù)緊應(yīng)力是70±1，取低值為69 MPa，介質(zhì)軸向力由試驗(yàn)設(shè)備的螺栓承擔(dān)，令Fa=Fp,πDGby=2πDGbmPc=2πDGbmPw,則有下面的(4)式成立 。

(4)

Fa——預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，N;

Fp——操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，N。

(4)式中，當(dāng)法蘭的操作(計(jì)算)壓力等于11.5 MPa時(shí)，墊片有效寬度內(nèi)仍能工作在小于69 MPa的面壓力下，這個(gè)操作壓力值是此類(lèi)墊片非常適合的內(nèi)壓值.無(wú)論是墊片預(yù)緊還是操作狀態(tài)，墊片從理論上就能保證密封性能。實(shí)際操作時(shí)螺栓的預(yù)緊力是包含介質(zhì)內(nèi)壓的軸向力0.25πDG^2Pw的，而這部分壓在墊片上的力是短暫的，待設(shè)備運(yùn)行時(shí)就卸載掉了.依據(jù)GB/T 14180-1993《纏繞式墊片試驗(yàn)方法》的墊片試驗(yàn)，對(duì)于DN80的墊片其操作壓力可以達(dá)到25 MPa。

根據(jù)第5節(jié)的闡述，實(shí)際操作時(shí)墊片的平均壓應(yīng)力只是操作壓力的m/3～m倍，則有下面的(5)式成立。

(5)

(5)式說(shuō)明，采用限位結(jié)構(gòu)壓在墊片上的壓力完全是用于介質(zhì)的密封，液體的軸向力等其它的所有外力都由限位平面去承擔(dān)，那么密封采用比較寬的纏繞墊片就能夠勝任34.5 MPa的介質(zhì)的工作壓力的密封.又由于GB/T 14180-1993《纏繞式墊片試驗(yàn)方法》僅做到公稱(chēng)壓力是25 Mpa的纏繞墊的試驗(yàn)，試驗(yàn)的過(guò)載系數(shù)是1.3，因此試驗(yàn)實(shí)際加載內(nèi)壓值是1.3×25=32.5 MPa,此類(lèi)纏繞墊片的操作壓力不推薦超過(guò)25 MPa。關(guān)于操作壓力在11.5～25 MPa之間的，要結(jié)合墊片的結(jié)構(gòu)尺寸。當(dāng)墊片施加包含介質(zhì)軸向力的預(yù)緊力時(shí)，墊片的壓縮尺寸沒(méi)有達(dá)到墊片服役時(shí)的極限壓縮尺寸ΔTpmax的話，該墊片可以使用；當(dāng)實(shí)際操作預(yù)緊力時(shí)，還沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的預(yù)緊力時(shí)，纏繞墊片的厚度壓縮量就已經(jīng)超過(guò)了ΔTpmax，這說(shuō)明墊片的耐壓不足，需要更換墊片或者需要校核一下墊片的寬度值。HG/T 20631-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(Class系列)》中最大公稱(chēng)壓力達(dá)到42 MPa, HG/T 20610-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(PN系列)》中最大公稱(chēng)壓力達(dá)到16 MPa。 根據(jù)上述的闡述，此類(lèi)墊片操作壓力在11.5 MPa以下可以放心使用。

10 密封結(jié)構(gòu)選用纏繞墊時(shí)需要特別注意的事項(xiàng)

法蘭因與相連的管道或者殼體相焊接時(shí)，會(huì)因法蘭環(huán)抗彎剛度小而微微變形，這種很小的變形有可能影響密封。如圖3所示。

圖3 法蘭密封用不銹鋼纏繞墊結(jié)構(gòu)尺寸圖(單位：mm)

定性的觀察圖3，與筒節(jié)殼體的焊接，其焊接收縮力會(huì)造成沿法蘭環(huán)的順時(shí)針或者逆時(shí)針的彎矩，這個(gè)彎矩會(huì)引起法蘭環(huán)的偏轉(zhuǎn)，又因?yàn)榉ㄌm環(huán)材料不可能完全軸對(duì)稱(chēng)，使得焊接收縮引起的法蘭環(huán)偏轉(zhuǎn)因位置不同會(huì)有所不同，這會(huì)影響到密封面的平面度，也就會(huì)影響密封面的密封效果。本案法蘭環(huán)寬度是200，法蘭環(huán)高度是290，法蘭環(huán)內(nèi)邊緣距法蘭中心是700,本案認(rèn)為當(dāng)法蘭環(huán)內(nèi)邊緣距中心達(dá)其寬度的1.5倍，且法蘭環(huán)高度與寬度相當(dāng)時(shí)，法蘭環(huán)與殼體焊接時(shí)容易引起法蘭環(huán)的偏轉(zhuǎn)，本纏繞墊裝配壓縮量是1.2 mm,如果因密封面偏轉(zhuǎn)引起某處多壓縮0.1 mm，或者是某處又少壓縮0.1 mm，這會(huì)嚴(yán)重影響纏繞墊片的密封效果。因此，法蘭與筒節(jié)焊接后是否需要做消除焊接應(yīng)力的熱處理，是否需要焊接完成后再次加工密封面、是否需要熱處理后加工密封面。本案認(rèn)為，DN600及其以上的公稱(chēng)尺寸的法蘭密封面，設(shè)計(jì)、制作工藝部門(mén)要慎重考慮是否再次加工密封面，保證密封面的平面度要求，以能確保此類(lèi)墊片的密封效果。

11 小 結(jié)

(1)纏繞墊片的密封寬度，選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭就采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭提供的標(biāo)準(zhǔn)墊片，非標(biāo)準(zhǔn)法蘭參考標(biāo)準(zhǔn)法蘭及本文第6節(jié)中的計(jì)算式(3)來(lái)確定纏繞墊片的密封寬度；

(2)纏繞墊片預(yù)緊平均壓應(yīng)力超過(guò)了1.0y MPa時(shí)就可以采用限位結(jié)構(gòu)，本案推薦在纏繞墊片預(yù)緊平均壓應(yīng)力超過(guò)2.0y MPa時(shí)采用限位結(jié)構(gòu)，當(dāng)超過(guò)3.4 y MPa時(shí)，一定要采用限位結(jié)構(gòu)。還有類(lèi)似塔器設(shè)備法蘭(承受偏心載荷、風(fēng)載核和地震載荷)的工況場(chǎng)合也建議采用限位結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用限位結(jié)構(gòu)時(shí)，推薦預(yù)緊壓縮量為表4的ΔTpmax；

(3)盡管纏繞墊片的耐壓試驗(yàn)工況不低于25 MPa,耐熱操作工況不低于350 ℃，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力超過(guò)10 MPa(也要考慮操作溫度)，就不采用纏繞墊片了，而是采用金屬O型墊(空心或者實(shí)心)、橢圓型墊(空心或者實(shí)心)、八角墊或者透鏡墊;

(4)盡量采用內(nèi)外都有加強(qiáng)圈類(lèi)型的纏繞墊片，原因是纏繞金屬片的焊口在壓緊力作用下易分開(kāi)，從而喪失密封性能；

(5)尺寸超過(guò)DN600的纏繞墊密封面，當(dāng)焊接等有影響密封面剛度的情況下要考慮焊接(或者熱處理)完成后再加工密封面。