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法兰面密封出现泄漏的原因分析及对策
添加:2018-5-14 14:05:00    游览:3319    来源:网络

  【摘 要】 介绍了化工维修中密封垫的密封原理、泄漏现象、垫片的特性与使用条件、密封失效的原因及对策等,根据压力、温度、介质及密封面形式等选用合理的密封垫,可减少或避免泄漏的发生。

  【关键词】 密封垫;泄漏;失效;对策

  一、前言

  泄漏是化工生产中常见的现象,也是化工行业安全生产必须解决的问题。各种化工管道与设备一旦泄漏,轻则浪费,重则使整套装置、整个工厂陷于停产,有些泄漏对人及周围环境会造成危害。因此,人们在生产实践中千方百计地防止泄漏。化工管线输送流程中,法兰联接及密封是必须的,且量大面广。合理选择法兰密封形式及密封垫片材料,可以有效防止泄漏,同时使得法兰联接管线维修手段方便,价格低廉,坚固耐用,消耗少。

  二、密封垫的泄漏分析

  密封垫分为非金属密封垫、非金属与金属组合密封垫和金属密封垫三大类,其材料常见的有橡胶、皮革、石棉橡胶、聚四氟乙烯、石墨、马口铁、钢、铝及铜等。垫片按密封面形式分为FF型、 RF型、 MFM型和TG型,分别适用于全平面、突面、凹面/凸面和榫面/槽面法兰,如图1所示。

图1 凸面/凹面、突面法兰

  通常情况下,密封垫片的泄漏现象有四种形式:界面泄漏、渗透泄漏、扩散泄漏和破坏泄漏。结合多年的工程施工检修和制造工作经验,笔者认为密封失效的原因主要有以下几方面:压紧力分布不均匀、应力松弛、密封面表面粗糙度不合适及温度变化。

  1. 压紧力分布不均匀

  压紧力分布不均匀会造成密封垫产生间隙,从而形成泄漏。压紧力的不均匀是由多方面因素造成的。首先是人为因素,施工时不对称预紧螺栓,容易造成不均匀,这个因素可以在施工中消除;其次是法兰错位对压紧力有影响,理论上法兰压紧时,密封面是绝对平行的,实际上,管道中心线不可能绝对同心,因而拧紧螺栓时对法兰产生弯矩,使法兰受力不均匀,这种不匀称的联接,使密封面或多或少地发生变形,使密封压紧力减小,在运行载荷下,容易产生泄漏,解决对策是掌握法兰变形规律,均匀压紧力,并在密封垫上增涂密封胶,消除间隙,可以消除泄漏;第三,螺栓排列密度对压力分布影响也较明显,螺栓间距越小,压力越趋均匀。

  2. 应力松弛与扭矩损失

  应力松弛与扭矩损失也是造成泄漏的主要原因。螺栓在法兰上拧紧后,由于机构的振动、温度的升高或下降等因素的影响,工作过程中垫片将发生应力松弛现象,螺栓扭矩也随之逐渐下降,产生扭矩损失,导致泄漏。一般来说,螺栓长,残存的扭矩大,直径越小,对防止扭矩损失越有利,因此,用长而细的螺栓,是防止扭矩损失的一个有效办法。此外,温度变化越大,持续时间越长,扭矩损失越严重。把螺栓加热一定时间使其伸长,再保持给定的扭矩,对防止扭矩损失很有效。垫片越薄,扭矩损失越小。另外防止机器和管道本身强烈振动,以及排除邻近设备振动的影响、无谓的撞击密封面、不敲打紧固后的螺栓等,都可以防止扭矩损失。

  3. 密封面表面粗糙度

  密封面表面粗糙度应与密封面的形式相一致,如RF密封面形式,R a3.2~6.3μm, 表面粗糙度值过高会影响密封效果。必须使用更大的压紧力才能使其密封住。

  4. 温度变化

  温度的降低对密封效果也有较大影响。管线在常温下安装,管线升温时膨胀压紧;温度下降时,管线收缩。法兰联接处的泄漏经常发生在温度下降(冷却)过程,因为冷却时法兰和螺栓的冷却速度不一样,冷却后垫片的压紧力发生变化,出现应力松弛,加之管道的冷收缩,产生朝螺栓拉伸方向的力,此力会促使泄漏产生,所以在低温介质场合选择垫片时,应注意:①采用低温下有弹性的垫片。②垫片厚度应尽可能小,法兰间隙尽可能小。③采用高强度螺栓,减小应变。

  三、垫片的特性及选择

  基于上述泄漏现象和密封机理的分析,合理选择密封垫是解决法兰处泄漏的重要手段。根据化工生产的实际情况,选取几种常见的密封垫进行分析研究,推荐应用,如图2所示。

图2 几种常见的密封垫片

  1.石棉橡胶板

  石棉橡胶板是应用最为普遍的密封垫片材料,它是由重量比为60%~80%的石棉和10%~20%的橡胶作为主要成分,加入填充剂、硫化剂压制而成。使用温度一般在-40~300℃。温度再高就不推荐使用了,原因是温度增高,会影响到介质对石棉橡胶板的作用,特别是介质为橡胶溶剂和腐蚀性化学品时,温度的增高会加速橡胶膨胀和腐蚀。使用公称压力一般为0.25~2.5MPa。石棉橡胶板纤维之间存在微小间隙,在压力作用下易出现渗透泄漏,虽然可提高压紧力来克服,但过高的压紧力又会使垫片失去回弹性,造成密封失效。气体比液体更易泄漏,所以对真空和有毒介质密封时,不要选用石棉橡胶板,化工管路用垫片的厚度一般为2~4.5m m,薄垫片使用压力高但需密封力大,厚垫片回弹性优于薄垫片,比较容易密封,但厚度超过3mm,对泄漏率变化不大,且压力较高时易挤出。值得注意的是,石棉是一种致癌物质,人体长期接触不利于健康,石棉橡胶板在国外已禁止使用,国内目前处于限制使用阶段,建议谨慎使用。

  2. 聚四氟乙烯垫片

  聚四氟乙烯( PTFE)有“塑料之王”之称,组织致密。制造密封垫时,通常把其原料粉置于金属模中,以20~30MPa的高压压制成形,再于370~380℃熔化热处理,一般PTFE垫的屈服强度随温度上升而下降很快,易产生热塑性蠕变,随着时间的增加,密封面上的压紧力下降,产生“应力松弛”,所以常常在PTFE中加入各种填充剂(即改性聚四氟乙烯),以扩大温度范围(-200~200℃),压力也由常温下的1~2MPa上升至4MPa。纯聚四氟乙烯带在低压小口径管道上使用较普遍。另外PTFE包覆垫片外层是很薄的聚四氟乙烯,内层填以弹性和回弹较好的橡胶垫或石棉垫,这样既具有PTFE的耐化学物质性能,又具有橡胶或石棉垫良好的弹性和回弹性,并增强了抗蠕变能力,所以密封性能比纯聚四氟乙烯密封垫片要好。

  3. 柔性石墨复合垫片

  柔性石墨复合垫片是由冲齿的金属芯板与膨胀石墨粒子复合的板材制成的一种石墨增强垫片,具有优良的回弹性,密封性能较橡胶或石棉橡胶板好得多。同时它的耐高温性也较好,在500℃高温之下毫无蠕变发生,而在深冷之下特性也几乎毫无变化。一般推荐公称压力为1.0~6.3MPa,最高使用温度对于低碳钢和不锈钢芯板分别为450℃和650℃。

  4. 金属缠绕密封垫

  金属缠绕密封垫是把薄的金属带和薄的非金属带紧贴在一起,一层一层地缠绕所构成的圆环形密封垫。它兼有金属的优良回弹能力、耐热性和非金属材料的柔软性,并且有多道密封作用。一般推荐公称压力为1.0~60MPa,使用温度根据不同的软性填充材料,最高可达650℃(如填充材料为石墨)。

  5. 金属包覆垫

  金属包覆垫一般由金属材料(如不锈钢皮,镀锌、镀锡薄板等)作包覆层,石棉橡胶板作为填充材料制成。推荐压力为2.5~10.0MPa,温度不超过500℃。它有较好的耐热性和回弹能力,柔软性较缠绕垫片好,但对密封面的表面粗糙度要求较高,一般碳钢为R a=1.6~3.2μm,不锈钢为R a=0.8~1.6μm。综上所述,垫片的选取要考虑压力、温度、介质及密封面形式等因素,只要在实际工作中,针对不同的情况,选取合理的密封垫片,就一定能够避免或减少泄漏,从而保证工作的安全稳定运行。

  四、垫片选用实例

  ( 1)煤气压缩管道 工艺条件:压力4.4 MPa,温度210℃,介质CO气体。 CO气体易燃易爆,高度危险,且压力、温度均较高,法兰密封面可采用凹面/凸面形式,垫片可采用带内环金属缠绕垫,考虑介质中含有少量水分,缠绕部分材质为304+石墨,内环材质为304。

  ( 2)醋酐输送管道 工艺条件:压力0.4 MPa,温度50℃,介质醋酐。醋酐易燃易爆,中度危险,强腐蚀,法兰密封面可采用突面形式,垫片可采用改性聚四氟乙烯。

  ( 3)醋酐生产中反应物输送管道 工艺条件:压力4.0MPa,温度180℃,介质醋酸、醋酐、醋酸甲酯、催化剂等。介质易燃易爆,高度危险,强腐蚀,且压力、温度均较高,法兰密封面可采用突面形式,垫片可采用带内环和对中环型金属缠绕垫,缠绕部分材质为哈氏合金+石墨,内环材质为哈氏合金,对中环材质为304。

  五、结语

  法兰面密封是化工流程中管线常见的联接形式,法兰面出现泄漏也时有发生,其泄漏的形式与原因是多种多样的,解决法兰面泄漏的方法是正确选择垫片种类和法兰面形式,适当控制垫片的预紧力。

  参考文献

  [1] 《化工设备设计手册》编写组. 化工设备设计手册[M]. 上海:上海人民出版社, 1977.

  [2] 吴宗泽. 机械零件设计手册[M]. 北京:机械工业出版社, 2004.

  [3] 《机械设计手册》编委会. 机械设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1977.

  [4] 中华人民共和国工业和信息化部. 钢制管法兰、垫片、紧固件[M]. 北京:中国计划出版社, 2009.

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