基于泄漏率的墊片系數(shù)試驗(yàn)及分析*

(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200237)

ASMEVIII-I是國內(nèi)外最為通用的螺栓法蘭接頭(Bolted Flanged Joint,BFJ)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，其中推薦的2個(gè)墊片系數(shù)m、y(其中m為滿足泄漏率等級L的墊片系數(shù)；y為滿足泄漏率等級L的墊片預(yù)緊應(yīng)力，MPa)是基于強(qiáng)度的值，其數(shù)值大都來自經(jīng)驗(yàn)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(jìn)BFJ設(shè)計(jì)方法主要困擾在于如何得到能科學(xué)反映墊片密封性能的設(shè)計(jì)參數(shù)[2]，所以很多國家和機(jī)構(gòu)對基于泄漏率的墊片系數(shù)進(jìn)行了大量研究。PVRC是ASME提出的BFJ接頭設(shè)計(jì)新方法，1974年P(guān)VRC提出ROTT(Room Tightness Test)密封試驗(yàn)方法，以獲得新的墊片系數(shù)Gb、a、Gs，分別表示墊片在預(yù)緊工況和操作工況下的相應(yīng)參數(shù)。2011年美國流體密封協(xié)會(huì)(FSA)提出了FSA-G605-11《測定墊片材料和設(shè)計(jì)用(m)和(y)載荷常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[3]，試驗(yàn)規(guī)定的參數(shù)適用于石棉墊和聚四氟乙烯墊片。歐洲的法蘭接頭標(biāo)準(zhǔn)EN1591-1反映了現(xiàn)代密封技術(shù)的發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)對密封技術(shù)所提出的新要求，在該標(biāo)準(zhǔn)中提出了Qsmax、Qmin(L)、Qsmin(L)等新的墊片系數(shù)[4]，其中Qmin(L)表示滿足泄漏率等級L的最小墊片安裝應(yīng)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(yīng)力(單位MPa)。EN1591-2[5]定義的9個(gè)墊片參數(shù)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(shù)的測試方法在2014年CEN修訂的EN13555[6]中有具體的規(guī)定。

基于泄漏率的墊片系數(shù)是螺栓法蘭接頭設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性和緊密性的集中體現(xiàn)。一方面，在接頭沒有那么高泄漏率要求時(shí)可以適當(dāng)降低螺栓預(yù)緊力以滿足經(jīng)濟(jì)性，另一方面，根據(jù)接頭的泄漏率要求選取合適的墊片系數(shù)以保證接頭的緊密型。本文作者采用金屬纏繞墊片進(jìn)行基于泄漏率的墊片系數(shù)試驗(yàn)，推薦一種基于泄漏率的m(L)、y(L)的測試方法。

1 墊片系數(shù)測試方法比較

目前ASME VIII-I推薦的墊片系數(shù)m、y沒有通用的測試方法。PVRC-ROTT試驗(yàn)包括A、B 2個(gè)部分：A部分模擬預(yù)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(yīng)EN1591-1的墊片系數(shù)測試方法。其中通過適當(dāng)?shù)募虞d和卸載循環(huán)獲取Qmin(L)和Qsmin(L)2個(gè)參數(shù)。ROTT和EN13555試驗(yàn)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 ROTT和EN13555試驗(yàn)方法比較

ROTT試驗(yàn)確定墊片系數(shù)Gb、a、Gs的步驟繁復(fù)，測試時(shí)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(yīng)用。由于EN13555測試方法所獲取的墊片系數(shù)直接可用來進(jìn)行EN1591-1的法蘭設(shè)計(jì)，所以在歐洲得到了較為普遍的應(yīng)用。

2 基于泄漏率的m(L)和y(L)測試方法

FSA-G605-11中所規(guī)定的試驗(yàn)測試流程和參數(shù)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(shí)所設(shè)置的墊片初始應(yīng)力，并不存在通用性，且部分試驗(yàn)參數(shù)在試驗(yàn)過程中難以實(shí)現(xiàn)，如在測定預(yù)緊比壓y時(shí)規(guī)定的試驗(yàn)介質(zhì)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(shí)，修改其試驗(yàn)參數(shù)，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(yàn)方法和參數(shù)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(nèi)徑面積，mm2；p為介質(zhì)壓力，MPa。

測試在專用的墊片綜合性能試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置由墊片加載系統(tǒng)、介質(zhì)供給系統(tǒng)、測漏系統(tǒng)及試驗(yàn)法蘭等組成[10]。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 墊片綜合性能試驗(yàn)裝置

3 基于泄漏率的m(L)和y(L)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用帶內(nèi)外環(huán)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(yàn)

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

圖2 m(L)值測試時(shí)的加載過程

按照加載過程，進(jìn)行介質(zhì)壓力分別為1、1.5、2、4 MPa的4組試驗(yàn)。所有試驗(yàn)結(jié)束后，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以做出泄漏率L和m(L)之間的散點(diǎn)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(shù)關(guān)系。以1 MPa試驗(yàn)內(nèi)壓下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3 泄漏率L和 m(L)關(guān)系圖(介質(zhì)壓力1 MPa)

參照1 MPa介質(zhì)壓力下的試驗(yàn)步驟及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，得到各介質(zhì)壓力下的函數(shù)方程如表3所示。

表3 L-m(L)函數(shù)方程

通過以上方程，可以計(jì)算出不同介質(zhì)內(nèi)壓工況時(shí)，在相應(yīng)泄漏率下的m(L)值。但是，在實(shí)際工程使用中，介質(zhì)內(nèi)壓不僅限于以上4個(gè)值。因此，將以上4個(gè)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(nèi)的L-m(L)關(guān)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(yàn)

與m(L)值試驗(yàn)不同的是，基于泄漏率的y(L)值試驗(yàn)介質(zhì)內(nèi)壓保持0.1 MPa不變，先加載至目標(biāo)墊片應(yīng)力5 MPa，測泄漏率后再按5 MPa依次遞增進(jìn)行測試。卸載速率為0.5 MPa/min，保壓時(shí)間為5 min，測試時(shí)間為20 min。試驗(yàn)的加載過程如圖5所示。

圖5 y(L)值測試時(shí)的加載過程

試驗(yàn)測試完成后，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以做出泄漏率L和預(yù)緊應(yīng)力y(L)之間的散點(diǎn)圖，并將得到擬合曲線方程，用以表示泄漏率L和預(yù)緊應(yīng)力y(L)之間的函數(shù)關(guān)系。具體的結(jié)果如圖6所示，函數(shù)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(shù)值

根據(jù)墊片預(yù)緊應(yīng)力y(L)、墊片系數(shù)m(L)分別與泄漏率L的函數(shù)關(guān)系，可以通過計(jì)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(shù)值。表4所示為通過代入公式計(jì)算得到的基于泄漏率的m(L)和y(L)系數(shù)值。

表4 基于泄漏率的y(L) 和m(L)值

將表4中帶內(nèi)外環(huán)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(jìn)行比較，可知ASME VIII-I中基于強(qiáng)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(shí)(即L值更小時(shí))，基于強(qiáng)度的法蘭設(shè)計(jì)方法選取m=3計(jì)算的法蘭接頭將不滿足密封要求；而ASME VIII-I中基于強(qiáng)度的y值過于保守。

4 基于泄漏率的Qmin(L)、Qsmin(L)試驗(yàn)

在EN1591-1提出的墊片系數(shù)中，Qmin(L)、Qsmin(L)是與泄漏率直接相關(guān)的2個(gè)系數(shù)，其測試方法在EN13555中有明確的定義，即通過規(guī)定的墊片表面應(yīng)力進(jìn)行加載卸載循環(huán)，并測定在每個(gè)目標(biāo)應(yīng)力下的泄漏率數(shù)值。其加載卸載循環(huán)按圖7[6]所示進(jìn)行。

圖7 Qmin(L)、Qsmin(L)測試時(shí)的加載卸載應(yīng)力循環(huán)

試驗(yàn)采用的試樣與文中第3小節(jié)相同。介質(zhì)壓力按照EN13555規(guī)定選用4 MPa。對得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(yīng)力曲線如圖8所示。

圖8 EN13555泄漏率曲線

根據(jù)EN13555所述：從加載曲線上可以得到試驗(yàn)墊片室溫下的Qmin(L)值，從卸載曲線上可以得到試驗(yàn)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(diǎn)為A，與卸載曲線的交點(diǎn)分別為B和C，A點(diǎn)對應(yīng)的橫坐標(biāo)即為Qmin(1.00E-07)=95 MPa，B、C點(diǎn)對應(yīng)的橫坐標(biāo)即為相應(yīng)QA下的Qsmin(1.00E-07)，其中，QA為開始卸載時(shí)墊片的最大表面應(yīng)力值。當(dāng)QA=100 MPa時(shí)，Qsmin(1.00E-07)=82 MPa；QA=160 MPa時(shí)，Qsmin(1.00E-07)=40 MPa。依該方法獲得的具體墊片系數(shù)數(shù)值如表5所示。

表5 EN13555墊片系數(shù)值

5 基于泄漏率的墊片系數(shù)比較

根據(jù)墊片系數(shù)的定義，可將文中第3、4小節(jié)描述的2個(gè)體系下的墊片系數(shù)進(jìn)行比較：y(L) 與Qmin(L)都表示為保證泄漏率等級L在預(yù)緊狀態(tài)下所需要的墊片應(yīng)力m(L)和介質(zhì)內(nèi)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(yīng)力，其中p為內(nèi)壓，此處為p=4 MPa，Qmin(L)和Qsmin(L)為QA=100 MPa時(shí)的取值。比較結(jié)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(shí)，即大于等于1.0×10-4Pa·m3/s時(shí)均比按照EN13555測得的墊片系數(shù)Qmin(L)和Qsmin(L)小；但在L≤0.000 01 Pa·m3/s時(shí)，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(dāng)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(shí)，選用Qmin(L)和Qsmin(L)對應(yīng)的值以保證預(yù)緊和服役時(shí)的墊片密封面應(yīng)力，BFJ的密封可靠性更大；而當(dāng)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(shí)，選用m(L)和y(L)對應(yīng)的值，BFJ的密封性能更好。

表6 基于泄漏率的墊片系數(shù)比較

2組墊片系數(shù)值的差異，一方面來自2種體系下墊片系數(shù)在定義以及測試方法上的不同，另一方面是由于數(shù)據(jù)處理上的差異，m(L)、y(L)系數(shù)是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)擬合成函數(shù)，然后代入泄漏率L的值計(jì)算得到的，且m(L)是4種介質(zhì)內(nèi)壓下的擬合曲線，而EN13555墊片系數(shù)是在4 MPa介質(zhì)內(nèi)壓下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，且Qmin(L)和Qsmin(L)是在試驗(yàn)數(shù)據(jù)連成的折線圖中直接讀取的。

6 結(jié)論

根據(jù)ASME和EN1591兩種螺栓法蘭設(shè)計(jì)方法中所涉及的墊片系數(shù)的相關(guān)定義，推薦了一種基于ASME標(biāo)準(zhǔn)的墊片系數(shù)試驗(yàn)方法，根據(jù)該試驗(yàn)方法和EN13555進(jìn)行了墊片系數(shù)的試驗(yàn)，并對2種體系下基于泄漏率的墊片系數(shù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明：根據(jù)基于泄漏率的墊片系數(shù)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(tǒng)的m、y值更具有經(jīng)濟(jì)效益。