流体密封第三章过程装备和管道的静密封.ppt

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1、第三章第三章 过程装备和管道的静密封过程装备和管道的静密封 3.1垫片密封（垫片密封（Gasket seals）垫片密封垫片密封过程装备和管道可拆过程装备和管道可拆连接处主要的静密封连接处主要的静密封型式型式 可拆连接，方便可拆连接，方便年年产产250万万吨吨的的炼炼油油厂厂，垫垫片片密密封封有有20多万个多万个3.1.1 概述概述1231 1 垫片密封的组成垫片密封的组成垫片垫片(gasket)、法兰法兰(flange)、螺栓螺母螺栓螺母(blot,nut)垫片垫片是一种夹持在两个独立的连接件之间的材料或材料组合，其作用是在预定的使用寿命内，保持两个连接件间的密封。4垫片、螺栓、法兰连接系统

2、垫片、螺栓、法兰连接系统52 垫片密封的泄漏方式：垫片密封的泄漏方式：密封面泄漏密封面泄漏渗透泄漏渗透泄漏渗透泄漏渗透泄漏因材料本身特别是非金属材料的微观结构存在的微小缝隙或细微因材料本身特别是非金属材料的微观结构存在的微小缝隙或细微的毛细管而使压力流体发生的渗漏。的毛细管而使压力流体发生的渗漏。占总泄漏量的占总泄漏量的1020。密封面泄漏密封面泄漏两连接件表面两连接件表面(密封面密封面)因机加工的粗糙度和变形形成泄漏通道因机加工的粗糙度和变形形成泄漏通道而造成的流体泄漏。而造成的流体泄漏。占总泄漏量的占总泄漏量的8090。吹吹出出泄泄漏漏当当夹夹紧紧垫垫片片的的总总载载荷荷因因各各种种原原因

3、因减减少少到到几几乎乎等等于于作作用用在在接接头头端端部部的流体静压力，导致密封面的分离而引起的密封流体的大量泄放。的流体静压力，导致密封面的分离而引起的密封流体的大量泄放。属于事故性泄漏属于事故性泄漏6垫片作用机理：垫片作用机理：垫片作用机理：垫片作用机理：q弹塑性变形弹塑性变形填补密封面上的凹凸不平填补密封面上的凹凸不平压缩变形能力压缩变形能力压缩率压缩率q一定的刚性一定的刚性保持一定的形状和抵抗变形的能力保持一定的形状和抵抗变形的能力防止防止在系统的满载压缩应力下被挤出密封面或压溃在系统的满载压缩应力下被挤出密封面或压溃抗蠕变能抗蠕变能力蠕变松弛性能力蠕变松弛性能q受载补偿能力受载补偿能

4、力回弹能力回弹率回弹能力回弹率q总而言之，包括初始密封和工作密封总而言之，包括初始密封和工作密封73 密封机理密封机理法兰密封面粗糙法兰密封面粗糙不绝对平行不绝对平行密封面受力不均密封面受力不均预紧（安装时）预紧（安装时）：为什么加垫片？为什么加垫片？没有介质压力没有介质压力螺栓拧紧，法兰压力作用在垫片上螺栓拧紧，法兰压力作用在垫片上垫片变形，堵塞泄漏通道，实现垫片变形，堵塞泄漏通道，实现初始密封初始密封8螺栓力（单个）：螺栓力（单个）：F=gi Ag/N式中：式中：Ag垫片压缩面积；垫片压缩面积；N螺栓数目螺栓数目拧紧螺栓的转矩：拧紧螺栓的转矩：M=KFd 式中：式中：K系数；系数；d螺栓名

5、义直径螺栓名义直径垫片预紧应力垫片预紧应力（Gasket seating stress）或或初始垫片比压初始垫片比压（Initial gasket stress）或或初始装配应力初始装配应力（Initial seating stress）垫片上有足够的压力垫片上有足够的压力gi9工作时：工作时：设备内有压力设备内有压力螺栓伸长螺栓伸长垫片上的作用力减小，垫片回弹垫片上的作用力减小，垫片回弹但必须保证垫片有足够的工作应力，即但必须保证垫片有足够的工作应力，即密封不漏密封不漏工作垫片应力：工作垫片应力：式中：式中：p p密封介质压力；密封介质压力；B B介质静压力作用面积；介质静压力作用面积；应力

6、衰减系数。由于垫片材料在温度和应力作应力衰减系数。由于垫片材料在温度和应力作用下产生应力松弛所致用下产生应力松弛所致 10垫片应力与变形的关系垫片应力与变形的关系o 垫片预紧至垫片预紧至gi时的压缩量时的压缩量R 工作时工作时go下的下的回弹量回弹量理论上：理论上：垫片预紧力越大，垫片垫片预紧力越大，垫片中储存的弹性应变能也中储存的弹性应变能也越大，因而可用于补偿越大，因而可用于补偿分离或松弛的余地也就分离或松弛的余地也就越大，当然要以密封材越大，当然要以密封材料本身的最大弹性承载料本身的最大弹性承载能力为极限。能力为极限。11垫片密封工作原理的复杂性垫片密封工作原理的复杂性1 1）螺栓和螺母

7、的摩擦关系复杂）螺栓和螺母的摩擦关系复杂 依靠普通的拧紧工具，不可能精确控制和预测预紧力。依靠普通的拧紧工具，不可能精确控制和预测预紧力。2 2）各个零件的弹性制约）各个零件的弹性制约 垫垫片片像像弹弹簧簧（非非线线性性），螺螺栓栓像像拉拉簧簧，法法兰兰在在两两个个弹弹簧簧之间，其本身也像一个弹簧，并且还转动。之间，其本身也像一个弹簧，并且还转动。3 3）受力复杂）受力复杂 螺螺栓栓力力、垫垫片片反反力力、流流体体压压力力，甚甚至至有有温温度度、重重量量等等引引起的弯矩。起的弯矩。显然这是一个静不定问题，很难理论求解，靠大型显然这是一个静不定问题，很难理论求解，靠大型 有限元有限元分析软件求解

8、分析软件求解ANSYS（ANalysis SYStem）12(a)模型模型1(b)模型模型2有限元模型有限元模型13（a）M0垫片应力的分布云图垫片应力的分布云图14垫片应力的分布云图垫片应力的分布云图15各弯矩下垫片应力的分布云图各弯矩下垫片应力的分布云图16(a)M=0，P=017法兰应力分布云图法兰应力分布云图18螺栓受力云图螺栓受力云图19要求：完整性和密封性完整性和密封性 不不仅仅要要保保证证各各零零件件有有一一定定的的强强度度，使使之之在在工工作作条条件件下下长长期期使使用用不不破破坏坏，而而且且最最基基本本的的要要求求是是在在工工作作条条件件下下，垫垫片片密密封封系系统统有有足足

9、够够的的刚刚度度，控控制制泄泄漏漏率率在在允允许许多多范范围围内内，即达到即达到“密封不漏密封不漏”。无泄漏工厂：无泄漏工厂：不不能能达达标标的的泄泄漏漏点点占占总总密密封封点点的的万万分分之之五五（静静密密封封）以以下下或或千分之二（动密封）以下千分之二（动密封）以下完整性整个结构的机械或热应力必须在材料允许范围内完整性整个结构的机械或热应力必须在材料允许范围内完整性整个结构的机械或热应力必须在材料允许范围内完整性整个结构的机械或热应力必须在材料允许范围内密封性密封性密封性密封性垫片应力必须使整个接头的泄漏率在允许范围内垫片应力必须使整个接头的泄漏率在允许范围内垫片应力必须使整个接头的泄漏率

10、在允许范围内垫片应力必须使整个接头的泄漏率在允许范围内20垫片法兰设计 载载 荷荷 结结 构构 垫垫 片片 P、P、T、T 法兰、螺栓刚度法兰、螺栓刚度 垫片系数垫片系数 Fa Ma （类型、材料类型、材料）法兰计算法兰计算 应力分析应力分析 密封分析密封分析 许用应力许用应力 允许紧密允许紧密度度 装配应力装配应力213.1.2 中低压设备和管道的垫片密封中低压设备和管道的垫片密封 垫片密封垫片密封通常又称为通常又称为法兰连接或法兰接头法兰连接或法兰接头（Flange jionts），），国内外均有系列标准。国内外均有系列标准。低压：低压：低压：低压：0.10.11.6MPa1.6MPa；中

11、压：中压：中压：中压：1.61.610MPa10MPa；高压：高压：高压：高压：1010100MPa100MPa；超高压：大于超高压：大于超高压：大于超高压：大于100MPa100MPa1 法兰连接结构型式和标准法兰连接结构型式和标准 1）法兰密封面的型式）法兰密封面的型式 22(a)全全平平面面型型压紧面面（Flat face）：柔柔软材材料料垫片片，或或铸铸铁铁、搪搪瓷瓷、塑塑料料等等低压低压法兰场合。法兰场合。(b)突突出出平平面面型型压紧面面（Raised face）：p2.5MPa，加加三三、四四道道周周向向沟槽后，可以提高密封压力。简单但不易对中，螺栓力大。沟槽后，可以提高密封压力

12、。简单但不易对中，螺栓力大。(c)凹凹凸凸型型压紧面面（Malefemale face）：便便于于对对中中，垫垫片片不不易易被被挤挤出出和吹出，和吹出，p6.4MPa(d)榫榫槽槽型型压紧面面（Tonguegroove face）：垫垫片片窄窄，螺螺栓栓力力小小，安安装装简简单单，不不会会偏偏，且且少少受受冲冲刷刷和和腐腐蚀蚀。但但是是结结构构复复杂杂，更更换换垫垫片片困困难难（有有小小技技巧巧：安安装装时时在在密密封封垫垫上上涂涂石石墨墨），适适用用于于易易燃燃易易爆爆和和高高度度或或极度危害等重要极度危害等重要场合。合。(e)梯梯形形压紧面面（Trapezium face）：适适用用于于高

13、高温温，压力力较高高场合合，O形形圈、金属圈、金属垫圈圈 八角八角垫、椭圆垫23（a）全平面全平面（b）突面突面（c）凹凸面凹凸面（d）榫槽面榫槽面（e）环连接面（梯形槽）环连接面（梯形槽）24突出平面型突出平面型压紧面面25凹凸面法兰连接凹凸面法兰连接2627榫槽面法兰连接榫槽面法兰连接28榫槽型密封面榫槽型密封面29梯形槽密封面梯形槽密封面30金属与金属的接触（金属与金属的接触（金属与金属的接触（金属与金属的接触（Metal to metalMetal to metal）控制压缩垫片控制压缩垫片尽管存在垫片，尽管存在垫片，在螺栓预紧后，法兰发生金属与在螺栓预紧后，法兰发生金属与金属的接触金

14、属的接触主要特点：主要特点：将垫片压缩到预定的将垫片压缩到预定的厚度后，继续追加螺栓载荷直厚度后，继续追加螺栓载荷直到与法兰接触。到与法兰接触。优点：优点：a a 当存在介质应力和温度波动时，垫片上的密封载荷不发生当存在介质应力和温度波动时，垫片上的密封载荷不发生变化，以致接头保持在最佳的泄漏控制状态变化，以致接头保持在最佳的泄漏控制状态b b 同时螺栓不承受循环载荷，减少了发生疲劳或松脱的危险同时螺栓不承受循环载荷，减少了发生疲劳或松脱的危险c c 减少了法兰的转角减少了法兰的转角312 2）密封面应具备的表面性质：）密封面应具备的表面性质：）密封面应具备的表面性质：）密封面应具备的表面性质

15、：(b)法兰密封表面加工纹路：法兰密封表面加工纹路：同心圆同心圆线或螺旋线线或螺旋线前者更好，但不易做到，绝不允许有径向划痕。绝不允许有径向划痕。检修时一定要注意清理密封面残留物时不能有径向划痕。密密 封封 面面 类类 型型Ra/mminmax全全平面、突面、大凹凸面（车削）平面、突面、大凹凸面（车削）榫槽面、小凹凸面榫槽面、小凹凸面环连接面、环连接面、O形凹面和槽面形凹面和槽面3.20.80.412.53.21.6(a)有一定的粗糙度有一定的粗糙度管法兰密封面粗糙度的要求管法兰密封面粗糙度的要求323 3）法兰的类型）法兰的类型）法兰的类型）法兰的类型分类方法分类方法 l用途：用途：容器法兰

16、和管法兰；容器法兰和管法兰；l密封面宽窄：密封面宽窄：宽面法兰和窄面法兰；宽面法兰和窄面法兰；l材料：材料：金属和非金属，前者又分钢制、铸铁和有色金属；金属和非金属，前者又分钢制、铸铁和有色金属；l形状：形状：圆形、矩形和椭圆形；圆形、矩形和椭圆形；l制造：制造：整体法兰和焊接法兰整体法兰和焊接法兰 国际标准化组织颁布标准：国际标准化组织颁布标准：ISO70051：1992 “金属法兰金属法兰钢法兰钢法兰”，法兰类型，法兰类型11种。种。法兰的种类很多，主要用法兰的种类很多，主要用钢制圆形窄面法兰钢制圆形窄面法兰33(a)带（长）颈对焊法兰带（长）颈对焊法兰 (b)带颈平焊法兰带颈平焊法兰 (

17、c)带颈承插焊法兰带颈承插焊法兰 (d)板式平焊法兰板式平焊法兰(e)翻边环松套法兰翻边环松套法兰 (f)螺纹法兰螺纹法兰(g)平焊环松套法兰平焊环松套法兰 (h)法兰盖法兰盖 34松套法兰松套法兰35螺纹法兰螺纹法兰36搭接法兰搭接法兰37板式平焊法兰板式平焊法兰38板式法兰板式法兰394 4）法兰标准和选用原则）法兰标准和选用原则）法兰标准和选用原则）法兰标准和选用原则容器法兰和管道法兰两种容器法兰和管道法兰两种(1)容器法兰标准容器法兰标准压压 力力 容容 器器 法法 兰兰JB4700470792JB470092 压力容器法兰分类与技术条件压力容器法兰分类与技术条件适用范围适用范围：公称

18、压力：公称压力0.256.4MPa，工作温度工作温度-20450分类分类：甲型平焊法兰，乙型平焊法兰，长颈对焊法兰：甲型平焊法兰，乙型平焊法兰，长颈对焊法兰法兰、垫片、螺柱、螺母材料的匹配法兰、垫片、螺柱、螺母材料的匹配40容器法兰公称直径：容器法兰公称直径：容器法兰公称直径：容器法兰公称直径：指与法兰相配的筒体或封头的公称直径。指与法兰相配的筒体或封头的公称直径。指与法兰相配的筒体或封头的公称直径。指与法兰相配的筒体或封头的公称直径。压力容器的公压力容器的公称直径称直径DN：只只要要是是确确定定了了公公称称直直径径和和公公称称压压力力，法法兰兰的的尺尺寸寸就就确确定定了了，不不论何种材料。论

19、何种材料。公称压力公称压力pN：一定温度和材料的法兰的最高工作压力。一定温度和材料的法兰的最高工作压力。容器法兰的公称压力容器法兰的公称压力是以是以16Mn在在200时的最高操作压时的最高操作压力为依据制订的。力为依据制订的。材料和使用温度不同时，最大允许工作压力将降低或升高材料和使用温度不同时，最大允许工作压力将降低或升高 如如pN4.0的标准长颈法兰的标准长颈法兰用用16Mn，200以下时以下时pmax为为4.00MPa，400时时pmax为为3.08MPa；用用20钢，钢，200以下时以下时pmax为为2.90MPa，400时时pmax为为2.01MPa；15MnMo，200以下时以下时

20、pmax为为4.27MPa，400时时pmax为为4.00MPa。41法法兰兰分分类类及及系系列列参参数数42甲甲乙乙型型平平焊焊法法兰兰的的最最大大允允许许工工作作压压力力43甲甲乙乙型型平平焊焊法法兰兰的的最最大大允允许许工工作作压压力力44法法兰兰、垫垫片片、螺螺柱柱、螺螺母母材材料料匹匹配配表表45长颈对焊法兰的最大允许工作压力长颈对焊法兰的最大允许工作压力46长长颈颈对对焊焊法法兰兰的的最最大大允允许许工工作作压压力力47垫片垫片JB470492非金属软垫片非金属软垫片JB470692金属包覆垫片金属包覆垫片JB470592缠绕垫片缠绕垫片48双头螺柱JB470792等长双头螺柱等长

21、双头螺柱49(2)(2)管道法兰标准管道法兰标准管道法兰标准管道法兰标准l我国最早最早的化工生产中使用的管道法兰标准是：管道法兰标准是：HG5006502658，其它其它JB749059等等 l1988年颁布国家标准国家标准钢制管法兰钢制管法兰GB9112913188l1991年化工部年化工部颁布新标准HGJ447691钢制管法兰、钢制管法兰、垫片、紧固件垫片、紧固件，这一标准存在与58年标准及国家标准不配套的问题，所以1997年年重新修订HG205922063597。l石化标准石化标准SH3401340796注注意意：管管法法兰兰标标准准制制订订了了法法兰兰的的压压力力温温度度等等级级，也也规规定定了了不不同同公公称称压压力力下下法法兰兰的的最最大大允允许许工工作作压压力力，与与容容器器法法兰兰不不同同的的是是不不管管何何种种材材料料，其其最最大大允允许许工工作作压压力力均均小小于于公公称称压力。压力。50复习思考题1 垫片密封由哪些零件组成？2 为什么要在法兰之间装加垫片？3 简述垫片密封的工作机理。4 垫片压力与变形之间有什么关系？5 法兰密封面主要有哪些型式？各有什么特点？6 什么是容器法兰的公称直径和公称压力？它们是如何规定的？7 容器法兰的最大允许工作压力与公称压力有什么关系？举例说明。51