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高温预紧碟簧的密封工作原理
添加:2019-5-14 14:40:42    游览:1431    来源:网络

  【摘要】描述了高温预紧碟簧的结构特点和预紧力补偿的原理,着重说明了高温预紧碟簧如何有效地解决高温设备及管道中的泄漏问题,并结合实例进一步说明了高温预紧碟簧代表了一种先进的浮动预紧和新型的高温密封技术。

  【关键词】高温预紧碟簧;预紧力;密封;泄漏;浮动预紧

  1、问题的提出

  在工业企业中,高温管道和设备无处不在,如石化厂的高温高压管道、高温加热器、换热器、反应器以及各类钢厂电炉、轧钢机等等。安装管道和设备往往是在常温常压下进行的,管道及设备上元件的连接大多都采用法兰连接方式,因此法兰、螺栓和密封件等就构成了连接系统。

  连接系统的密封是否可靠至关重要,往往在连接初期及试压阶段,系统是可靠密封的,一旦系统正式运行起来,随着温度及压力的上升、下降,经过多次循环后,连接系统逐渐出现泄漏,即使不停的多次拧紧固螺栓也无法解决泄漏问题,泄漏仍在继续加大直至停修,严重影响生产的正常运行。如果系统内密封的是有毒或易燃易爆介质,这种泄漏的后果更是不堪设想。频发的中毒、爆炸事件已让人们不寒而栗!研究表明,泄漏多发生在高温高压的管道和设备上,由密封垫片质量不良导致的泄漏只占一小部分,大部分是因为连接系统的连接副,如连接螺栓的预紧力松弛造成的。原因是管道或设备的温度和系统压力变化幅度越大,螺栓预紧力松弛的现象越多,系统泄漏也越严重。系统开机时温度升高,停机时温度下降,管道、法兰、螺栓之间的热胀冷缩速率不同,因而导致螺栓预紧力反复改变,当螺栓预紧力降到密封垫片所需的最小密封预紧力以下时,便出现了泄漏。

  为了避免泄漏,人们在尝试各种方法,如螺栓螺母间垫上弹簧垫圈等,希望能起到防松和补偿预紧力的作用,但实际起到的作用甚小,原因是高温系统的温度及压力变化幅度太大,尤其是温度,系统开停机一次,温度就有200℃~300℃甚至更高幅度的变化,管道、法兰、螺栓之间的较大的热胀冷缩差异量只能通过弹簧垫圈来补偿,而弹簧垫圈的补偿力却严重不够,不能提供给密封垫片足够的密封预紧压力,弹簧垫圈的行程和载荷的关系为抛物线关系,行程还未走到极限位置时,载荷力就到达了峰值,行程继续增加,载荷力反而减少,也就好比储存的能量突然下降,当储存的能量大小不及密封垫片所需的最小密封压力时,泄漏仍然会发生。

  2、高温预紧碟簧的结构

  随着密封技术和防泄漏技术的发展,一种名称为预紧碟簧的产品出现了,它采用了类似普通碟形弹簧的碟形结构,但又不同于碟形弹簧,如图1 所示。

高温预紧碟簧的结构

  它采用耐高温、高弹性模量的特殊的合金材料加工成厚度较厚,拱高较小的结构。如图1 所示,厚度t 要比相同直径大小的普通碟形弹簧厚很多,而h0 则比相同直径大小的普通蝶形弹簧的h0 小很多。因此能以很小的行程提供很大的轴向补偿力。这种结构的预紧碟簧行程和载荷关系为线性关系,载荷力随着行程位移的增加而增大,当行程达到最大时,载荷力也达到峰值,它能保证在有效的行程范围内提供适合密封垫片密封的压力。

  高温预紧碟簧由于它结构特点,较小的尺寸刚好满足法兰、螺栓、螺母间较小的安装空间,因此能非常合适且方便地使用在如图2 所示的螺栓和螺母之间的位置。可根据实际工况选择螺栓单侧或双侧使用。当单片预紧碟簧的有效行程不足以补偿各种因素如温度变化、压力变化或机械振动造成的松弛位移时,可采用在螺栓的双侧各使用一片预紧碟簧,这样,有效行程增加了一倍,能满足绝大多数情况下的补偿要求。如有特殊情况还可采用多片叠加组合使用的方式。

螺栓和螺母之间的位置

  3、高温预紧碟簧的工作原理及应用效果

  当螺栓螺母拧紧时,它吸收机械能转化为位能(势能)并发生轴向形变(轴向被压缩),当管道或设备由于温度变化、压力变化或机械振动导致螺栓的预紧力松弛时,它释放位能(势能)转化为机械能,对螺栓的预紧力进行补偿,使螺栓的预紧力始终保持在垫片密封所需要的预紧力范围内。对于高温的管道或设备,它的作用则更加明显。当不加高温预紧碟簧时,系统开机温度逐渐升高,连接法

  兰首先受热膨胀,使得法兰间的密封垫片被进一步压缩,但随着温度逐渐传导到螺栓上时,螺栓也开始膨胀,造成预紧力松弛的趋势,由于螺栓的膨胀量较大,这种预紧力松弛最终会使密封垫片上的比压小于垫片所需的最小密封比压,造成密封失效,尤其是当系统又从高温逐渐降温时,法兰比螺栓先降温先收缩,更是造成了密封垫片上的比压大大下降,泄漏更易发生。当在螺栓螺母间加上这种预紧碟簧后,就发生了改观,螺栓螺母拧紧时,高温预紧碟簧被压缩到一定程度并存储能量;当螺栓开始收缩或者载荷减小时,碟簧开始恢复原状,并将存储的弹性能量转化为力施加到法兰上,时刻保证了密封垫片的比压在有效的范围内。它对因温度变化造成的法兰及螺栓的膨胀收缩而产生的密封垫片预紧力松弛进行及时有力的补偿,有效地解决了法兰连接中的螺栓预紧力松弛问题,这就是所谓的浮动预紧。

  在系统压力变化幅度较大,系统振动较大及温度变化较大的场合都需要使用预紧碟簧来补偿这些因素造成的螺栓预紧力的松弛。经研究表明,尤其是系统温差超过100℃的工况,如不使用预紧碟簧,泄漏现象会频频发生。如何正确选择预紧碟簧也很重要,选择不当,无法起到有效地补偿效果。如市面上较多使用的是OTHELLO奥赛罗密封预紧碟簧,所使用的工况各有不同。OTHELLO奥赛罗密封预紧碟簧的使用温度在330℃以下,可使用在普通螺栓上也可使用在高强螺栓上,当使用在普通螺栓上,它能相应提供很高的补偿力,当使用在高强螺栓上,它只能相应提供中等的补偿力。而材质为特殊合金且厚度加厚的OTHELLO奥赛罗密封预紧碟簧则多使用在高强螺栓上,它能相应提供很高的补偿力,且最高使用温度能达到750℃,能适用于绝大多数高温高压的管道、换热器、反应器、电炉等法兰及阀门上。

  许多实例都充分证明了预紧碟簧在高温系统密封上的优良效果。在炼油装置,如加氢反应装置中的中压蒸汽管线,采用的是金属八角垫为密封垫片,管线通蒸汽和停止通蒸汽时能造成连接法兰有300℃左右的温差,管线的法兰连接处有多处发生严重的泄漏,即使多次对螺栓进行拧紧,也无法消除。当在法兰的螺栓螺母间安装上了OTHELLO奥赛罗密封预紧碟簧后,多次通停蒸汽都未发生任何泄漏,系统运行得非常稳定可靠。同样,预紧碟簧在催化装置的设备和管道法兰上,以及各类高温换热器的法兰上,

  因温度大幅变化而造成的螺栓预紧力松弛方面都起到了超强的补偿效果,避免了泄漏发生。它是一种新型的高温密封的核心方法,在高温系统中起着举足轻重的作用。预紧碟簧由于具有空间占用小、安装使用方便、预紧力补偿能力超强、安全可靠等优点,已逐渐被各类生产企业所采纳,目前已广泛用于电力、钢铁、化工、机械、矿山、石化等行业的设备法兰或管线法兰、阀门上。它代表了一种先进的浮动预紧和新型的高温密封技术。

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