基于泄漏率的墊片系數試驗及分析*

(華東理工大學機械與動力工程學院 上海 200237)

ASMEVIII-I是國內外最為通用的螺栓法蘭接頭(Bolted Flanged Joint,BFJ)設計計算方法，其中推薦的2個墊片系數m、y(其中m為滿足泄漏率等級L的墊片系數；y為滿足泄漏率等級L的墊片預緊應力，MPa)是基于強度的值，其數值大都來自經驗推薦，且目前沒有通用的測試方法[1]。近些年來，由于 BFJ更加注重密封性要求，改進BFJ設計方法主要困擾在于如何得到能科學反映墊片密封性能的設計參數[2]，所以很多國家和機構對基于泄漏率的墊片系數進行了大量研究。PVRC是ASME提出的BFJ接頭設計新方法，1974年PVRC提出ROTT(Room Tightness Test)密封試驗方法，以獲得新的墊片系數Gb、a、Gs，分別表示墊片在預緊工況和操作工況下的相應參數。2011年美國流體密封協會(FSA)提出了FSA-G605-11《測定墊片材料和設計用(m)和(y)載荷常數的標準試驗方法》[3]，試驗規定的參數適用于石棉墊和聚四氟乙烯墊片。歐洲的法蘭接頭標準EN1591-1反映了現代密封技術的發展以及環境保護對密封技術所提出的新要求，在該標準中提出了Qsmax、Qmin(L)、Qsmin(L)等新的墊片系數[4]，其中Qmin(L)表示滿足泄漏率等級L的最小墊片安裝應力(單位MPa)；Qsmax、Qsmin(L)分別表示滿足泄漏率等級L的最大和最小墊片操作應力(單位MPa)。EN1591-2[5]定義的9個墊片參數涵蓋了墊片的2種性能：變形性能和密封性能。這些墊片參數的測試方法在2014年CEN修訂的EN13555[6]中有具體的規定。

基于泄漏率的墊片系數是螺栓法蘭接頭設計經濟性和緊密性的集中體現。一方面，在接頭沒有那么高泄漏率要求時可以適當降低螺栓預緊力以滿足經濟性，另一方面，根據接頭的泄漏率要求選取合適的墊片系數以保證接頭的緊密型。本文作者采用金屬纏繞墊片進行基于泄漏率的墊片系數試驗，推薦一種基于泄漏率的m(L)、y(L)的測試方法。

1 墊片系數測試方法比較

目前ASME VIII-I推薦的墊片系數m、y沒有通用的測試方法。PVRC-ROTT試驗包括A、B 2個部分：A部分模擬預緊工況，獲得Gb和a；B部分模擬操作工況，獲得Gs[7]。EN13555為對應EN1591-1的墊片系數測試方法。其中通過適當的加載和卸載循環獲取Qmin(L)和Qsmin(L)2個參數。ROTT和EN13555試驗的具體參數如表1所示。

表1 ROTT和EN13555試驗方法比較

ROTT試驗確定墊片系數Gb、a、Gs的步驟繁復，測試時間長，也沒有考慮到墊片寬度、長期服役、高溫對墊片蠕變松弛的影響，因此，仍然存在一定的局限性[8]，并沒有得到推廣應用。由于EN13555測試方法所獲取的墊片系數直接可用來進行EN1591-1的法蘭設計，所以在歐洲得到了較為普遍的應用。

2 基于泄漏率的m(L)和y(L)測試方法

FSA-G605-11中所規定的試驗測試流程和參數是針對石棉墊片和聚四氟乙烯墊片這2種特定材料的墊片，如測定m時所設置的墊片初始應力，并不存在通用性，且部分試驗參數在試驗過程中難以實現，如在測定預緊比壓y時規定的試驗介質壓力為0.014 MPa。這也是FSA-G605-11目前沒有廣泛推廣使用的原因之一[9]。

由于FSA-G605-11測試方法中墊片類型的局限性，因此，在參照FSA方法的同時，修改其試驗參數，以用于更多墊片類型基于泄漏率的m、y的測定。具體的試驗方法和參數如表2所示。

表2 基于泄漏率的m(L)和y(L)測試方法

注：A2為墊片內徑面積，mm2；p為介質壓力，MPa。

測試在專用的墊片綜合性能試驗裝置上進行，實驗裝置由墊片加載系統、介質供給系統、測漏系統及試驗法蘭等組成[10]。試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 墊片綜合性能試驗裝置

3 基于泄漏率的m(L)和y(L)試驗

試驗采用帶內外環304+柔性石墨金屬纏繞墊，墊片尺寸為DN80-PN40。

3.1 基于泄漏率的m(L)值試驗

測定m(L)時，加載至目標墊片應力105 MPa測泄漏率后，再按10.5 MPa依次遞減進行測試。卸載速率為0.5 MPa/min，保壓時間為5 min，測試時間為20 min。試驗的加載過程如圖2所示。

圖2 m(L)值測試時的加載過程

按照加載過程，進行介質壓力分別為1、1.5、2、4 MPa的4組試驗。所有試驗結束后，基于試驗數據可以做出泄漏率L和m(L)之間的散點圖，并將得到的擬合曲線方程，用以表示泄漏率L和m(L)之間的函數關系。以1 MPa試驗內壓下的試驗數據為例，得到的結果如圖3所示。

圖3 泄漏率L和 m(L)關系圖(介質壓力1 MPa)

參照1 MPa介質壓力下的試驗步驟及試驗數據的處理方法，得到各介質壓力下的函數方程如表3所示。

表3 L-m(L)函數方程

通過以上方程，可以計算出不同介質內壓工況時，在相應泄漏率下的m(L)值。但是，在實際工程使用中，介質內壓不僅限于以上4個值。因此，將以上4個方程表示的擬合曲線顯示在圖4中，并將4條曲線擬合成一條曲線，用以表示在4 MPa范圍內的L-m(L)關系，擬合曲線方程為L-m(L)=0.189 5L-0.291。

圖4 L-m(L)擬合曲線

3.2 基于泄漏率的y(L)值試驗

與m(L)值試驗不同的是，基于泄漏率的y(L)值試驗介質內壓保持0.1 MPa不變，先加載至目標墊片應力5 MPa，測泄漏率后再按5 MPa依次遞增進行測試。卸載速率為0.5 MPa/min，保壓時間為5 min，測試時間為20 min。試驗的加載過程如圖5所示。

圖5 y(L)值測試時的加載過程

試驗測試完成后，基于試驗數據可以做出泄漏率L和預緊應力y(L)之間的散點圖，并將得到擬合曲線方程，用以表示泄漏率L和預緊應力y(L)之間的函數關系。具體的結果如圖6所示，函數方程式為y(L)=3.274 7L-0.166。

圖6 L-y(L)擬合曲線

3.3 基于泄漏率的m(L)和y(L)系數值

根據墊片預緊應力y(L)、墊片系數m(L)分別與泄漏率L的函數關系，可以通過計算得到特定泄漏率等級L下的y(L)值和m(L)值，也就是基于泄漏率的m(L)和y(L)系數值。表4所示為通過代入公式計算得到的基于泄漏率的m(L)和y(L)系數值。

表4 基于泄漏率的y(L) 和m(L)值

將表4中帶內外環柔性石墨金屬纏繞墊的m(L)和y(L)值與ASME VIII-I中推薦的m=3和y=70 MPa值進行比較，可知ASME VIII-I中基于強度的m值可保證BFJ獲得1.0×10-4Pa·m3/s左右的泄漏率，而在泄漏率等級要求更高時(即L值更小時)，基于強度的法蘭設計方法選取m=3計算的法蘭接頭將不滿足密封要求；而ASME VIII-I中基于強度的y值過于保守。

4 基于泄漏率的Qmin(L)、Qsmin(L)試驗

在EN1591-1提出的墊片系數中，Qmin(L)、Qsmin(L)是與泄漏率直接相關的2個系數，其測試方法在EN13555中有明確的定義，即通過規定的墊片表面應力進行加載卸載循環，并測定在每個目標應力下的泄漏率數值。其加載卸載循環按圖7[6]所示進行。

圖7 Qmin(L)、Qsmin(L)測試時的加載卸載應力循環

試驗采用的試樣與文中第3小節相同。介質壓力按照EN13555規定選用4 MPa。對得到的試驗數據，以有效墊片表面壓力(MPa)為橫軸，以泄漏率(Pa·m3/s)為縱軸，繪制墊片泄漏率-墊片應力曲線如圖8所示。

圖8 EN13555泄漏率曲線

根據EN13555所述：從加載曲線上可以得到試驗墊片室溫下的Qmin(L)值，從卸載曲線上可以得到試驗墊片室溫下的Qsmin(L)值。以1.0×10-7Pa·m3/s的泄漏率等級為例，如圖7所示，做一條平行于橫軸的直線L=1.0×10-7Pa·m3/s，這條直線與加載曲線的交點為A，與卸載曲線的交點分別為B和C，A點對應的橫坐標即為Qmin(1.00E-07)=95 MPa，B、C點對應的橫坐標即為相應QA下的Qsmin(1.00E-07)，其中，QA為開始卸載時墊片的最大表面應力值。當QA=100 MPa時，Qsmin(1.00E-07)=82 MPa；QA=160 MPa時，Qsmin(1.00E-07)=40 MPa。依該方法獲得的具體墊片系數數值如表5所示。

表5 EN13555墊片系數值

5 基于泄漏率的墊片系數比較

根據墊片系數的定義，可將文中第3、4小節描述的2個體系下的墊片系數進行比較：y(L) 與Qmin(L)都表示為保證泄漏率等級L在預緊狀態下所需要的墊片應力m(L)和介質內壓p的乘積與Qsmin(L)都表示在服役條件下為保證泄漏率等級L所需維持的墊片應力，其中p為內壓，此處為p=4 MPa，Qmin(L)和Qsmin(L)為QA=100 MPa時的取值。比較結果如表6所示。

由表6比較可知，無論是y(L)值還是m(L)×p值，在泄漏率L較大時，即大于等于1.0×10-4Pa·m3/s時均比按照EN13555測得的墊片系數Qmin(L)和Qsmin(L)小；但在L≤0.000 01 Pa·m3/s時，y(L)值和m(L)×p值都大于Qmin(L)和Qsmin(L)，且泄漏率要求越高(即泄漏率等級L值越小)，兩者的差值越不明顯。由此可見，當泄漏率要求較低(即要求的泄漏率等級L較大，如L≥1.0×10-4Pa·m3/s)時，選用Qmin(L)和Qsmin(L)對應的值以保證預緊和服役時的墊片密封面應力，BFJ的密封可靠性更大；而當泄漏率要求較高(即要求的泄漏率等級L較小，如L<1.0×10-5Pa·m3/s)時，選用m(L)和y(L)對應的值，BFJ的密封性能更好。

表6 基于泄漏率的墊片系數比較

2組墊片系數值的差異，一方面來自2種體系下墊片系數在定義以及測試方法上的不同，另一方面是由于數據處理上的差異，m(L)、y(L)系數是基于試驗數據點的數據擬合成函數，然后代入泄漏率L的值計算得到的，且m(L)是4種介質內壓下的擬合曲線，而EN13555墊片系數是在4 MPa介質內壓下的試驗數據，且Qmin(L)和Qsmin(L)是在試驗數據連成的折線圖中直接讀取的。

6 結論

根據ASME和EN1591兩種螺栓法蘭設計方法中所涉及的墊片系數的相關定義，推薦了一種基于ASME標準的墊片系數試驗方法，根據該試驗方法和EN13555進行了墊片系數的試驗，并對2種體系下基于泄漏率的墊片系數進行比較。結果表明：根據基于泄漏率的墊片系數m(L)、y(L)測試方法所得到的m(L)、y(L)值在低泄漏率要求等級下是可靠的，且相比于傳統的m、y值更具有經濟效益。