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船舶管路系统连接垫片选型研究
添加:2015-11-19 9:38:40    游览:1716    来源:www.aosailuo.cn

  摘 要:针对现代船舶管路系统的特殊环境下的使用要求, 对各种流通介质的管系及其连接方式进行了分类, 通过不同密封材料和类型垫片的理论分析、对比试验及实船应用效果研究, 提出了现代船舶管路系统垫片合理选型推荐方案。

  关键词:船舶;管路;密封垫片

  1  概 述

  船舶泄漏及舱内汽、水、油、化学试剂及放射性产物泄漏不仅污染舱底环境, 加速对船体和船内构件的腐蚀, 而且会恶化舱室空气质量, 危及人身及设备安全;同时恶劣舱室环境也是造成一些高精密仪器仪表失效的重要因素, 成为船舶应急抢修的主要故障来源。船舶泄漏主要来源于管路系统连接的垫片密封失效, 垫片密封泄漏形式可分为以下三种:

  (1)界面泄漏

  结合面粗糙和变形, 密封垫片未压紧, 压紧结合面螺栓变形或伸长, 密封垫片塑性变形, 材料老化、龟裂、变质。统计占总泄漏量的80%~ 90%。

  (2)渗透泄漏

  纤维材料密封垫片结构组织疏松、致密性差, 纤维间存在微小缝隙, 介质在压力作用下从高压到低压渗透。统计占总泄漏量的10% ~20%。

  (3)破坏泄漏

  安装质量偏差造成。局部密封比压预紧力过大超过设计限度, 垫片失去回弹力;连接螺栓组预紧力不均匀、法兰中心线偏差、法兰张口等。统计占总泄漏量的1 %~ 5 %。

  现代船舶中有各种功能不同的管路系统, 它们根据船舶航行、性能、战斗、安全和船员生活要求分别进行设置并执行预定功能。船舶系统管路除焊接方式连接外, 大部分还是采用法兰和螺纹接头等连接方式, 这些连接件中的关键件为密封垫片。船舶设计和建造中, 正确合理地选用和使用垫片对于防治船舶“三漏”(漏水、漏油、漏气(汽))问题, 提高我国船舶的作战能力和生存能力, 可用性、在航率和全寿命期的军事经济效益具有很重要的意义。本文的主要目的就是针对不同要求和特点的船舶系统, 研究论证选取与其相匹配的密封垫片。

  2  系统及其连接方式分类

  船舶系统主要分类如下:(1)按工作介质分, 有油(包括液压油、燃油和润滑油)、水(海水和淡水)、气、蒸汽四种。(2)按工作压力分, 有高、中、低压三种, 高压16MPa 以上, 中压6 .4 ~ 16MPa , 低压6 .4MPa以下。(3)按工作温度分, 有高温(300 ℃以上)和低温(300 ℃以下)。(4)按其连接方式分为螺纹接头连接方式和法兰连接方式。

  螺纹接头连接方式的系统管路直径小于或等于32mm, 大于32mm 的管路系统宜采用法兰连接。10MPa 以下系统的螺纹接头采用CB*56 标准;10MPa以上系统的螺纹接头采用CB316 , CB822 标准;法兰连接一般按GB575 标准。

  3  常用垫片现状分析

  目前, 在管路系统中常用的垫片有石棉和芳纶橡胶垫、聚四氟乙烯垫、金属缠绕垫、紫铜垫等。对于橡胶类垫片, 基材以丁腈橡胶和硅橡胶为主, 机械性能受温度和海水介质影响较大, 本身易发生老化反应,使材料变脆, 主要使用的有石棉橡胶垫和芳纶橡胶垫, 各种垫片的使用特点分析如下:

  (1)石棉橡胶垫 石棉橡胶板是多孔疏松的材料, 其制作的垫片渗透率高, 而且其压缩后回弹较差,一般只能用在低压管路和对介质密封性要求不高的系统。石棉橡胶板耐火性差, 一旦船舶发生火灾, 采用棉橡胶垫片的接头很难保证密封, 因此, 国内外对石棉橡胶垫片的使用都有严格的限制, 如日本JPI7S-4《石油工业用石棉橡胶板标准》限定其使用压力在3 .0MPa 以下。因其会释放有毒气体, 已在潜艇上禁止使用。我们建议也不要在其他类型的船舶上使用。

  (2)芳纶橡胶垫 芳纶耐油橡胶垫片是多孔疏松的材料, 渗透率高, 压缩后回弹较差。因此, 一般只用在船舶低压(4 .0MPa 以下)和低温(300 ℃以下)的空气、海水和淡水, 燃油和滑油系统。

  (3)聚四氟乙烯垫片 与橡胶类垫片一样属热固性材料, 受温度影响, 但受海水介质影响不大。其制作的垫片耐酸碱, 适宜-80 ~ 260°C 温度环境。但纯聚四氟乙烯垫片存在着冷流现象, 即垫片在压力的作用下会发生蠕动变形而使密封失效。为了克服冷流问题, 在聚四氟乙烯中增加添料, 可以使垫片性能得到很大的改善。表1 是拟在某型船舶液压油系统中使用的四种聚四氟乙烯垫片的性能对照, 其中增强Ⅰ型、增强Ⅱ型为增加不同填料后得到的技术性能。

表1  各型聚四氟乙烯垫片性能对照
类型 性能指标
拉伸强度/MPa 断裂伸长率/% 体积密度/g·L-1 抗压强度/MPa 邵氏硬度/D 热变形量/% 长期使用条件
红色普通型 ≥18.0 ≥300 300~450 ≥0.54 50 7.0~8.0

≤150℃

0.6~2.5MPa

白色增强I型 ≥20.0 ≥220 350~480 ≥0.65 80 3.5~4.5

≥60℃

≥4MPa

灰色增强II型,螺纹接头用 ≥25.0 ≥180 500~650 ≥1.05 105 1.5~2.0

≥100℃

≥10MPa

灰色增强II型,法兰用 ≥23.0 ≥200 500~600 ≥0.80 90 1.8~2.3

≥80℃

≥5MPa

 

  (4)金属缠绕垫 金属缠绕垫是利用金属材料强度高、弹性好、防渗漏、耐高温的长处, 结合非金属材料组合缠绕垫密封应力相对较低、易变形、对连接件表面光洁度要求较低的特点组合而成的垫片。金属缠绕垫由0 .2mm 左右“ Ψ”或“V”形金属带(一般为不锈钢如316 , 相当于0Cr17Ni12Mo2)与非金属带(可为柔性石墨、聚四氟乙烯带)缠绕而成, 如图1 所示。

图1 金属缠绕垫片的典型结构

  非金属带一般要露头零点几mm , 以便在两侧表面形成一层零点几mm 后的非金属密封层。金属带的形状、厚度以及非金属带的厚度决定了缠绕垫的硬度, 也即在压紧力下的变形量。金属缠绕垫内外侧还可以带有金属内、外加强环。其作用有三个方面:(a)装配定位;(b)强度加固, 防止在预紧力的作用下压溃;(c)控制缠绕垫的压紧力。金属缠绕垫适合于船舶在中压系统(<6 .4MPa)中不同工作要求的海水、淡水、液压和中压空气等系统。管系采用何种金属缠绕垫片型式还有待进一步研究, 目前仍按照上述原则进行选型应用。

  (5)紫铜垫 采用T4 紫铜退火。为了保证密封, 表面加工有齿形。该垫片安装时需要较大的预紧力, 安装比较困难, 且垫片不能重复使用, 但密封性能很好, 密封压力可以达到25MPa 。

  4  对比试验和应用分析

  船舶管路系统垫片选用的主要原则如下:(1)满足系统设计压力、温度和介质要求;(2)不与法兰面和工作介质发生明显物理或化学相互作用;(3)满足放射性辐照要求;(4)标准化。

  有关垫片的泄漏率测量和环境试验(海水浸泡、加速老化以及辐照试验)应在产品设计和生产过程中进行。在船舶上应用之前, 为了进一步确定不同船舶系统中芳纶橡胶垫、聚四氟乙烯垫、金属缠绕垫、紫铜垫等垫片的密封效果, 我们建立了船用中低压空气系统、水系统和液压油系统试验台架, 分别对螺纹、法兰连接中的垫片密封进行了对比试验, 试验内容包括法兰垫片气压、水压静压试验, 螺纹接头气压静压试验,螺纹接头油压静压、振动试验, 尤其是对液压油系统中使用的聚四氟乙烯垫片(包括增强Ⅰ 型、Ⅱ型)等作了大量现场试验, 如图2 所示, 为最终选型及工艺参数(拧紧力矩)提供数据。

图2  法兰和螺纹接头公共试验台架原理简图

  通过试验, 确定某型船舶管路垫片按如下选取:

  (1)法兰

  ①管路压力P ≥3 .0MPa 时, 采用缠绕垫片;压力P <3 .0MPa 时, 采用聚四氟乙烯垫片。

  ②船舶蒸汽系统P ≥0 .6MPa 时, 采用柔性石墨缠绕垫片;P <0 .6MPa 时, 采用聚四氟乙烯垫片。

  ③ 机组高温排气及其疏水系统法兰采用柔性石墨高温高压金属缠绕垫片。

  (2)螺纹接头

  ① 对压缩空气系统, 中、低压系统采用聚四氟乙烯垫片, 高压系统必须采用紫铜金属垫片。

  ② 工作介质为油类的管路系统可采用增强Ⅰ 、Ⅱ型聚四氟乙烯垫片。如压力较高, 也可选用O 形橡胶密封圈密封。

  ③ 对于船舶蒸汽系统, 一般应采用柔性石墨缠绕垫片。

  由于金属缠绕垫片兼有金属和非金属二者优点,现已经成为中、低压(<6 .4MPa)领域使用最为普遍的管路法兰垫片品种。国外缠绕垫片生产的关键技术在于掌握在不同工况下的变形率控制, 因为压力越高, 法兰的螺栓截面积相对越大, 预紧力加大, 垫片的硬度也相应加大, 厚度增加。不同材料的组合适宜于不同的工作介质, 这在选型时要加以注意:柔性石墨金属缠绕垫片适用于温度低于200 ℃的蒸汽系统。当机组排气系统温度高于500 ℃时, 应采用柔性石墨高温高压金属缠绕垫片。

  5  结 语

  作为管路中法兰、螺栓和垫片三个受压元件之一, 其密封性能涉及的因素远比压力容器其它受压元件如筒体、封头复杂, 必须通过理论分析和大量试验找出金属和非金属材料垫片的不同应力—应变—松弛规律, 还需要投入大量的人力物力进行应用研究。通过上述理论分析和对比试验所确定的垫片选型原则, 对于船舶管路系统垫片选型设计具有很好的指导意义。

  参考文献:

  [1]  密封垫片标准汇编[ S] .全国管路附件标准化技术委员会, 中国标准化出版社, 1998 .

  [2]  应道宴.管法兰接头的密封性能.中国化工勘察设计协会.

  [3]  成大先.机械设计手册[ M] .北京, 化学工业出版社,1998 .

  [4]  Burgmann Mechanical Seals DesignMannual.

  [5]  刘后桂.密封技术[ M] .长沙:湖南科学技术出版社,1983 .

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