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管道法兰垫片高温性能及泄漏原因分析
添加:2015-11-13 10:45:53    游览:1684    来源:www.aosailuo.cn

  摘要:针对管道法兰连接中垫片的泄漏,通过研究垫片在高温状态下的力学性能和密封性能,分析了高温状态下密封失效的原因,并在此基础上提出了垫片在高温状态下密封性能的基本规律,对高温管道密封件的选择、管理及检修具有一定的借鉴价值。

  关键词:高温;泄漏;密封

  在热力系统中,管道、阀门等总是在高温高压的状态下运行,而其连接一般采用螺栓法兰连接,垫片是其中重要的密封元件,它的密封性能直接关系到系统的严密性,一旦系统严密性被破坏发生泄漏,必将造成严重的后果。因此,高温下螺栓法兰连接的严密性是目前工程实际亟待解决的问题。

  1.垫片高温性能及泄漏原因分析

  垫片在高温状态下的性能可由压缩回弹性能、蠕变性能、密封性能来表示。分别详述如下:

  1.1 压缩回弹性及其泄漏

  螺栓法兰连接的密封主要是通过垫片变形、增加流体泄漏阻力实现的。在预紧过程中,垫片良好的压缩性能是保证其表面与法兰面形成初始密封的基本条件;在操作工况下,由于介质压力、温度的影响,导致螺栓伸长和法兰变形,法兰密封面和垫片间产生相对分离的倾向,垫片上的压紧力减小,进而造成连接密封性能下降甚至产生泄漏,所以要求垫片具有较好回弹力以补偿密封面间的分离。可见垫片压缩回弹性能对高温工况下的法兰密封尤为重要。

  不同垫片材料的高温压缩回弹性能相差较大。理想的垫片材料应具有表面屈服性能好和整体回弹性能好的综合特性,采用复合材料改进垫片结构可达到上述要求,从而提高系统的密封性能。以石墨复合垫片为例,图1表示了在同一应力等级、不同温度下的压缩回弹曲线。

图1 同一等级、不同温度下的压缩回弹曲线

  由图1可见,同一应力等级下,温度越高压缩曲线越平坦,而回弹曲线越陡,这说明垫片加载和卸载弹性模量均与温度有关。随着温度的升高,垫片压缩量增大而回弹性能下降,蠕变加剧,垫片塑性变形量增加,故回弹率下降。这是导致高温连接泄漏的主要原因。

  1.2 蠕变性能及其泄漏

  无论常温或高温状态下,垫片在长时间应力作用下都会产生蠕变。垫片蠕变使其弹性变形部分消失,引起连接系统中各受力元件的应力松弛,从而导致连接系统密封失效。高温工况下这种情况更加严重。以石墨复合垫片为例,图2表示了在不同应力等级、不同温度下的蠕变曲线。

图2 不同应力等级、不同温度下的蠕变曲线

  由图2可见,温度、时间、应力是影响垫片蠕变性能的主要因素。温度越高,蠕变量越大。垫片应力越大,蠕变量也越大。但垫片温度对蠕变量的影响比垫片应力的影响大得多。

  1.3 密封性能及其泄漏

  垫片密封性能是一项综合性能指标,它受垫片材质、结构、温度、介质性质、加载卸载状态等多种因素影响。

  以石墨复合垫片为例,图3表示了在同一预紧力、不同温度下泄漏率与介质压力的关系曲线。由图可见,泄漏率随温度的升高而增大,随介质压力的增大而增大。

图3 同一预紧力、不同温度下泄漏率与介质的关系曲线

  以石墨复合垫片为例,图4表示了在同一温度下泄漏率与介质压力和垫片压紧应力的关系曲线,由图可见,在恒定温度下泄漏率随介质压力的增大而增大,随垫片应力的增大而减小。

图4 同一温度下泄漏率与介质压力和垫片压紧应力的关系曲线

  图4表明,泄漏率和介质压力基本成线性关系,具有粘性流体层流的一般特性;泄漏率和垫片残余压紧应力成负指数关系,残余压紧力越大,泄漏率越小;泄漏率随温度的升高而增大,两者成指数关系。

  2.结束语

  由以上分析可以得出:在同一预紧力等级下,垫片的压缩量随温度的升高而增大;垫片回弹性随温度的增高而下降。垫片无论在常温或高温状态下经长时间的应力作用都会发生蠕变。温度、时间、应力是影响垫片蠕变性能的主要因素。温度越高,蠕变量越大;垫片应力越大,蠕变率越大。但温度对蠕变量的影响较垫片应力大的多。泄漏率和介质压力基本成线性关系,具有粘性流体层流的一般特征,泄漏率随温度的升高而增大,随残余压紧力增大而减小。

  参考文献

  [1]时黎霞.《垫片高温性能研究及其连接系统的紧密性评定》,南京化工大学,1999

  [2]顾伯勤等.《垫片高温性能及其表示方法》.化工设备与管道.2001.4

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