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垫片的密封性、组装载荷应力、表面光洁度等性能的详解
添加:2018-4-3 15:46:39    游览:1162    来源:网络

  我们常常用填密片、垫料和垫片这类术语来称呼那种由可压缩的平板材料切出或制出的静密封件,而不称其为“密封件”。严格的定义是把术语“垫料”局限于描述板料,而当实际密封件切制出来时,称为填密片或垫片(闻义)。不过,其最终形态如进了诸如压边、金属镶片或其他加强件等复杂结构时,则更多地称其为垫片,而不叫填密片。

  基本的垫片材料包括从纸到固态金属。一般说,材料的选择要依据与有关工作介质的相容性和所要求的工作性能而定,更确切地说,除要考虑被密封流体的压力外,还要考虑其温度、压力和温度的变动以及有关的连接形式等。后者可能限制所用垫片的尺寸,也会根据嫘栓或法兰的最大许用应力而限制到压缩压力的大小。本文主要介绍垫片如何密封、垫片的组装载荷和组装应力、垫片的密封性与表面应力、垫片的表面光洁度、垫片应力及温度的影响。

  一、垫片如何密封

  一个垫片密封在连接状态下要承受因组装而产生的压缩应力。在工作条件下,此载荷可能在静压端面推力作用下而缓和,如图1所示。然而,垫片本身也受由内压力引起的侧载荷,它有将其从法兰间隙空间挤出的倾向。为了抵抗挤出作用,有效压缩压力(即减除静压端面推力的组装载荷)应该大于內压力,而且要维持这种状态。考虑到一般不可避免的垫片压缩应力的松弛现象,通常建议有效压缩压力至少要为内压力的2倍。而这又与材料有关。松弛作用低的材料更为可取,因为这种材料可以较低的初始压缩压力使用,或者在同样压力下保持较高的安全系数。

  二、垫片的组装载荷

  在密闭容器中,内压力在盖上产生推力;同样,在密闭的管道系统中,压力有使法兰分开的倾向。这种力被称做爆破推力或静压端面推力,以工作压力和垫片内孔面积的乘积来表示,与仅为了防止元件飞离而必须靠螺栓施加的载荷相等,面未计及当系统处于压力状态下,为实际维持垫片上的压缩面需要的附加螺栓载荷。

  垫片残余应力是在工作状态下垫片上所保持的应力,被定作内压力和一个叫做垫片系数的系数的函数。这个垫片系数是根据有关的流体和工作条件面得来的经验数宇,于是,垫片残余载荷就是产生残余应力所需要的实际载荷。这两种载荷之和就成为组装载荷,即

  组装载荷=爆破推力+垫片残余载荷

  三、组装应力

  一旦算出组装载荷,组装应力由下式求得:

  安装应力=组装载荷/垫片面积

  这种组装应力是由于螺栓在安装状态下所产生的载荷造成的,并且是下列参数的函数:

  1) 螺栓数目;

  2) 螺栓材料—碳钢、高强度钢等;

  3) 螺栓直径;

  4) 每个螺栓可负担的许用应力。

  为了在由有关设备和装置的结构与尺寸所规定的范围之内得到最合适的布置,应该查阅附有螺栓性质的表格。目的应该是使载荷沿垫片的整个面积均匀分布,不要在一些地方造成高载荷,而于螺栓之间的中部地方减低了应力,靠使用许多较小直径螺栓,而不用少数大直径螺栓的办法,可取得比较令人满意的布置。

  四、垫片的密封性与表面应力

  即使在很低的工作压力下,垫片也须压在法兰上,并具有一个确定的最小表面压力,以保证材料填入表面的凹凸不平之处,这种变形应力与垫片材料的性质和可压缩性(或变形性)有关。

  设计垫片还要考虑总的外加应力和温度对所用材料的影响。有时,压力常常会超出正常工作状态,这一点是不可忽视的。例如,在设备进行压力试验时,所用的压力可能为工作压力的两倍。同样,如果不用适当的膨胀装置加以补偿,管道的热膨胀产生的力能压坏垫片。

  作为超载受力的结果,所有材料都受到不同程度的损坏。如前面所指出的那样,它们丧失了强度和在去除外加应力后恢复的能力,很重要的一点是,垫片设计人员要晓得这些限制,以便在组装时避免垫片应力过高,或在工作条件下避免应力超出其能力。

  表1列出了优质压制石棉纤维的最大许用应力值。其他材料的性能,可以在比较的基础上加以评定。

表1 优质压制石棉纤维的最大许用表面压力
厚度 冷状态 300℃
mm in MPa 1b/in MPa 1b/in
0.5 0.02 200 28000 140 20000
0.75 1/32 160 23000 110 15000
1.0 0.04 140 20000 95 13000
1.5 1/16 110 15500 75 10500
2.0   90 13000 60 8500
3.0 1/8 60 8500 40 5500

 

  五、垫片的表面光洁度

  表面光洁度之所以重要,仅在于它决定着厚度和可压缩性,这是垫片材料在法兰间隙中起物理屏障作用所需要的。然而,这可能支配所采用的材料类型及垫片的最终性能。例如,一种能与较粗糙表而很好密合的弹性材料,在所需的工作压力下可能被挤出,或者与有关流体或使用温度不相适应,在上述情况下,为了改用一种具有高密封压力的较硬材料,很可能不得不采用吏高的光洁度。

  较薄的材料比较厚的同类材料能承受更大的压缩应力,这对垫片使用的大多数材料都是适用的。再有,当采用较薄材料时,金属面要有一个更高的表面光洁度。

  表2中列出了对各种标准板材在不同表面应力(工作压力下)和不同表面光洁度下,推荐采用的最小垫片厚度值。

表2 各种表面光洁度时的最小垫片厚度
工作压力状态下表面应力 铣削的,车削的等▽(160μm) 磨削的、车削的等▽▽(40μm) 磨削/车削的▽▽▽(160μm)
kg/cm² 1b/in² mm in mm in mm in
100 1400 5 2 1/4 1/8 1.5 1 1/16 0.04 0.5 0.02
200 2500 4 2 1/4 1/8 1 0.75 0.04 1/32 0.5 1/64
500 7000 3 1.5 1/8 1/16 0.75 0.75 1/32 1/32 0.3 1/64
750 10500 - - - - 0.75   1/32   0.3 1/64
1000 1400   1.5   1/16 0.5 0.5 0.02 0.02 0.3 0.008
1 0.04 0.5 0.02

  车削的法兰一般具有峰状的沟纹,这种沟纹实际上减小了垫片承受法兰载荷的面积。这增加了表面应力和垫片的压缩。在这种情况下,垫片厚度可减小到每栏右边示出的数值(假设法兰是刚性的和不变形的)。

  用于各种表面应力(工作压力)和表面光洁度,对中等表面应力值来说,采用邻近较厚度等级的材料。

  虽然就一切情况而论,为了免除垫片补填表面凹凸不平的必要,表面光洁度较高似乎是所希望的,但这可能造成多余的浪费。表而光洁度要求应与有关的工作条件和所用的垫片材料联系起来,而不靠一般性建议。还有一点考虑就是,表面光洁度过高,并非所希望的,因为会造成夹贴不紧,特别是在使用较硬的垫片材料时,易发生挤出现象。因此,当精加工的纹路与流体作用压力方向相切时,情况比较有利,有些权威人士甚至建议法兰表而要加工出“防滑”沟纹——这可以利用一种圆头刀来切制,对于厚度为 0.50mm(0.020in)以上的垫片,沟纹深度约为0.125mm(0.005in),对于较薄材料,约为上述深度的一半,另有一点很重要的就是,法兰面必须平行,并且要在压紧状态和液压静力端载荷作用下具有抵抗变形的足够刚性。工作载荷下的变形常常被称作法兰自旋,它相当影响垫片的工作条件。许多时候也与法兰结构有关,对于螺栓来说,应根据能使法兰载荷分布均匀的原则来选择其间距,不过,这可能不得不牺牲其他方面的一些实际需要。然而,在许多情况下,这种结构因素通过采用标准法兰面被固定下来。

  六、垫片应力

  从根本上说,一个垫片的额定压力,亦即在无挤出情况下,它所能耐受的内压力值,与材料所能耐受的压缩应力,再加上其抗蠕变和冷变形的能力有关。然而,通过提高材料硬度的方法是完全有可能阻止发生蠕变的,但另一方面,为了不必在非常高的法兰和螺栓载荷下取得密封效果,垫片还须足够柔软。因此,一种好的垫片材料,除了其他一些所期望的性质外,还必须能够保持高残余应力。

  七、温度影响

  温度对垫片性能会有明显的影响,因为当温度增髙时,一方面会降低材料的物理强度,另一方面会使垫片产生变形,以致使螺栓载荷(从而残余应力)发生变化。有关这一因素的试验,一般是基于一种简单试祥进行的,并且通常是通过测定温度变形曲线单独确定的。

  这类数据也得到一些特性曲线。就令人满意的垫片材料而言,相对说来,随着温度的增高,变形的增很小,这说明螺栓载荷的变化也很少。应该指出,在引起螺栓载荷减小的压缩载荷下,变形意味着厚度减小,从而也就减少了残余应力。例如,随温度增高面有较大变形的劣质垫片材料会表现出较大的松弛,实际上在中等的内压和高温下,就会发生压坏或挤出现象。

  温度变形曲线还表明材料可能变软或可塑的临界温度,在出现这种变化时,曲线会有一个明确的拐点。在达到拐点之前,性能可能一直是相当令人满意的,但这个拐点规定了作为垫片材料的最高使用温度。在其他一些情況下,当接近材料的最高使用温度时,变形量的降低可能是递减的,没有明显的急剧变化。

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