1 概 述
垫片的密封特性直接影响法兰连接的紧密性。同时在对连接点的泄漏性也起着至关重要的作用, 垫片本身的一些特性及其密封性对泄漏的影响也是需要重视和了解的。在文献GB 50-1998( 钢制压力容器》中所提到的两个特性参数: m 和 y 值,是考虑到垫片安装时材料必须压缩到将不规则的密封面填塞, 这时垫片上的应力称为最小预紧应力 y , 而在操作时施加一内压后, 流体静压产生的端部推力使密封面分离故又规定了一个系数 m ,定义为垫片上的残余压紧应力必须超过介质压力的倍率，而这两个系数仅与垫片和材料有关。
2 垫片特性分析
2..1 基本密封特性
将轴向压紧荷载W和介质压力P分为三级,在同一轴向压紧荷载 W 下变介质压力P, 分别测得泄漏率L。可以得出W一P一L的线性关系。介质沿垫片周边的泄漏 随介质压力P的增大而增大,随轴向压紧载荷 W 的增大而减小; 同时在相同轴向荷载和介质压力下, 气体的泄漏 率远大于液体,这与介质的粘度有关。因气体粘度小, 渗透性就相对更强。
2.2 垫片的压缩-回弹特性
由垫片压缩的回弹特性W省关系可以得到垫片加载线与卸载线均非直线, 且由于垫片在压缩过程中, 除弹性变形外还产生了部分塑性变形而使卸载时垫片的压缩变形量占值大于加载时的数值。另外, 在同样轴向荷载下, 垫片所吸收的变形能随垫片厚度 S 的增加而增加。垫片的加载变形特性是形成初始密封能力的重要条件。而一旦形成了初始密封面, 在介质压力作用下, 垫片的密封能力又主要取决于垫片的卸载特性, 即垫片的回弹能力。理想的密封垫片需要具备表面屈服性能好, 整体回弹性能好的综合特性。
2.3 垫片密封过程
在垫片加载过程中,泄漏率L随垫片压缩变形而变化, 大致可分为三部分: 在轴向压紧载荷 W ; 作用下, 此时垫片已产生了一定的压缩变形, 但泄漏仍然很严重, 基本没有密封力; 轴向载荷在Wk以上, 此时若继续增加压紧载荷, 但垫片的压缩变形增加甚微, 泄漏率几乎不变 ;在 W1一 Wk之 间, L随 W 和∮的增加而逐渐减小, 在卸载过程中, 垫片的压缩变形随压紧荷载的减小而减小, 相应的泄漏率随之而增大, 但在同一轴向荷载W 下, 卸载时的泄漏率L远小于加载时所对应的泄漏率L’ 值。当轴向荷载减小到W0时, 尽管垫片的弹性变形尚未完全消失, 仍具有一 定回弹力, 但L值已急剧增大, 以上的过程可以用假设的密封面模型来解释。
当加载初期配合面间首先接触的是表面突出部分相接触。配合表面大部分呈现自由状态, 间隙较大尚不能形成密封能力, 此时情况 相当于W1以下的情况。继续加载, 配合面间波峰、波谷相互穿插嵌合,逐渐减小直到配合面“贴合”, 泄漏通道随压紧增加而减小, 阻力加大, 泄漏率相应减小, 此状态相当于W1-Wk之间的状态。在此期间加大压紧载荷,可以有效控制泄漏, 为正常密封状态。而当加载到一定程度, 超过WK时, 接触面间微间隙已被堵死,配合面基本已经相互嵌合,泄漏主要是由表面缺陷和裂纹划痕等形成,靠压紧荷载已无法消除间隙 ,故L值不再发生变化。
在卸载过程中,密封面上由于相互嵌合而产生塑性变形, 不因卸载而恢复, 其回弹能力能够补偿由于介质压力所引起的压紧面间产生的间隙,就会有一定的密封能力, 因此在同一轴向载荷下,卸载时的泄漏率远小于加载时的泄漏率。当随压紧载荷减小到风时, 由于初始表面 的不平度, 密封面上应力分布并不均匀,部分弹性变形将随压紧荷载的减小而恢复, 于是一部分微间隙又重新出现而造成泄漏量重新增大,这就是W0以下的工况。
2.4 垫片的厚度效应
由 S一 L关系 可看出,在同样压紧载荷、同样介质压力作用下, 泄漏率随垫片的厚度的增加而减小并趋向一极小值。但是,并非垫片越厚, 密封性越好。因为垫片厚度不同, 建立初始密封的条件也不同; 材料的变形抗力较大。垫片越厚, 形成初始密封表面也就越困难, 故当垫片厚度达到一定数值后, 密封性能并无改善甚至于恶化。
2.5 垫片的宽度效应
垫片宽度N 在一定范围内, 其泄漏率随垫 片宽度的增加呈线性递减, 而当垫片宽度超过某一数值后, 泄漏率则基本不变。
L值随垫片宽度增加而线性递减。当宽度增加到一定程度后，“停滞区”范围不再变化而形成一定值使L值也趋于一定值不再变化。
3.小结
( l) 垫片的密封性能应当是在操作条件下,垫片密封所能达到的最小泄漏率, 或在规定的泄漏率指标下, 垫片密封所能承受的最高操作条件,如温度、压力来衡量。因此垫片的密封性能并不完全决定于垫片的材质, 尚与介质性质、操作压力、温度、垫片尺寸、预紧荷载、密封面的初始状态等一系列因素有关。另外, 在相同条件下泄漏率随垫片厚度增加而减小, 在一定宽度范围内, 泄漏率随垫片宽度的增加而减小。
( 2 ) 垫片的变形特性对垫片密封性能影响极大。垫片的初始密封条件,主要决定于垫片表面的塑性变形能力; 垫片在操作时的密封能力则 主要决定于垫片的整体回弹能力。
( 3 ) 垫片密封是在一定的预 紧荷载下, 通过垫片的弹塑性变形从而填满密封面间的微几何间隙来实现的。也就是通过垫片变形来减小介质流通截面,增加流体阻力从而减小流体介质的泄漏率, 这是垫片密封防止泄漏时的最基本原则。
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