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法蘭密封的相關知識


在石油化工裝置中,法蘭是管道、管件、閥門、儀表和設備等進行連接的最重要、最常見的形式之一。這種連接雖具有拆卸方便且不用動火等優點,但因由法蘭、螺栓、墊片三者協同實現密封,其中任一元件出現問題就會造成泄漏,不僅造成浪費,而且還會污染環境,甚至造成人員傷亡及財產損失。因此今天為大家詳細講解法蘭密封的相關知識。

1 .法蘭的密封

法蘭連接確切地說應該是螺栓、法蘭、墊片連接,其密封是靠三者的協同作用實現的,其中墊片是實現密封的核心部件。

2.法蘭的密封原理

通過螺栓的預緊力,使墊片和法蘭密封面之間產生足夠的壓力,以使墊片表面產生的變形足以填補法蘭密封面的微觀不平度,達到密封的目的。

為達到上述目的所作用到墊片上的最小單位壓緊力,稱為比壓力。當與法蘭連接的管道達到操作壓力時,因內壓的軸向力的作用導致兩片法蘭有分開的趨勢,而螺栓則有伸長的趨勢,作用在墊片上的壓緊力將減少。當作用在墊片有效截面上的壓緊力降至某一臨界值時,仍能保持密封,這時墊片上的剩余壓緊力即為墊片的有效緊固力。當墊片上壓緊力小于有效緊固力時法蘭就會發生泄漏,甚至將墊片吹跑,因此墊片的有效緊固力必須大于管道的操作壓力。兩片法蘭密封面之間的距離,在操作狀態要比初始狀態大,這時墊片與法蘭密封面的緊密性是靠墊片的回彈力來保證的。

可以這么說,在初始密封階段,墊片的表面塑性變形填補法蘭密封面的微觀不平度起決定性作用;而操作狀態下法蘭的密封,墊片內部的彈性回復起主導作用。

3.影響法蘭密封的因素

法蘭密封的泄露主要是密封面間的泄露。由墊片毛細管作用而發生滲漏的可能性很小。墊片靠外力壓緊后,墊片本身產生的彈性變形和塑性變形,填滿密封面上微小的凹凸不平的間隙,使介質通過密封面的阻力大于密封面兩側的壓差時,即達到密封。但是受到外界條件影響時,密封受到破壞,從而產生泄露。影響密封的因素主要有以下幾個方面:

(1)操作條件的影響。操作條件即是壓力,溫度,介質的物化性質。石油化工廠中,低壓法蘭較多,往往單純的壓力或者介質因素對法蘭泄露的影響并不是主要的。只有和溫度聯合作用時,問題才顯得嚴重。當溫度反復變化時,密封失效的可能性更大。

(2)設計參數中墊片系數和壓緊比的影響。我國目前選用兩者參數是通過查表《鋼制壓力容器》,但是墊片系數和壓緊比,即使是同一材料,兩者系數也還跟墊片寬度,預緊壓力,介質性能,法蘭密封面寬度和粗糙度等因素有關,所以,兩系數究竟取多少,目前尚沒有權威性的規范可以選用。

(3)螺栓預緊力的影響。提高螺栓預緊力,可以增大墊片的密封性能,但過大的螺栓與精靈,會是墊片失去彈性,甚至把墊片壓壞或者基礎,不能保證其在工作狀態下有足夠的彈性。

(4)墊片性能的影響。墊片變形包括彈性變形和塑性變形。墊片材料是影響墊片性能的主要因素,因此墊片的好壞會影響到法蘭的密封。

(5)法蘭剛度的影響。法蘭剛度不足會產生過大的翹曲變形,往往是導致密封失效的原因之一。

(6)密封面的影響。法蘭密封面的形狀和粗糙度應與墊片相配合。密封面的平直度和密封面與法蘭軸線的垂直度是保證墊片均勻壓緊的前提,因此在設計、安裝時必須考慮管線熱膨脹造成的推理或偏心力的影響。否則就會容易造成法蘭密封不嚴,引起泄露。

4.法蘭的泄露

法蘭的泄漏一般有兩種途徑:第1種是墊片本身的滲透作用。第2種是墊片與法蘭密封面間隙的泄漏。

由于新型密封材料的不斷出現,第一種泄漏已基本能解決。日常發生的絕大多數都是第二種泄漏。在某一特定操作條件下,法蘭連接所能達到的泄漏率低于某一特定的指標泄漏率;或在規定的泄漏條件下,法蘭連接能夠承受特定的操作條件,滿足這個指標泄漏率或特定操作條件的法蘭連接即視為不泄漏,或緊密的,反之則視為會泄漏,或者說是不緊密的。

法蘭及螺栓的影響法蘭在實際工況中受力狀況很復雜,螺栓、墊片、內壓都直接對法蘭產生作用力,這些力可能會導致法蘭的不規則變形。這些作用力從強度方面講是沒有問題的,但變形可能會導致法蘭泄漏。因此,在法蘭設計時不僅要滿足強度要求,還要滿足法蘭不泄漏所要求的最小變形,即按剛度理論進行設計。

眾所周知,擰緊螺栓能提高密封效果,減少泄漏率,但因受法蘭和螺栓自身的強度和剛度限制,這種方法到達一定程度后無效。螺栓安裝程序不當也會產生泄漏,正確的螺栓上緊順序(十字交叉等距對稱)對保證法蘭連接點的密封和縮短上緊操作時間是極為重要的。

5.法蘭泄露的預防方法-密封墊片

提高密封效果,減少泄漏最有效的現有手段還是提高元件—墊片的性能。

法蘭墊片一般分為金屬墊片和非金屬墊片。非金屬墊片用石棉、橡膠、合成樹脂等非金屬制成的墊片。非金屬包覆墊片外包一層合成樹脂等的非金屬墊片。半金屬墊片用金屬和非金屬材料制成的墊片, 如纏繞式墊片、金屬包覆墊片。

金屬包覆墊片特別適合熱交換器,壓力容器等高溫高壓密封部位。它有效地防止墊片的散架,介質的侵蝕,同時也提高了耐壓。各類墊片適用溫度及介質條件。需要重點強調的是:不建議重復使用墊片。

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