不銹鋼纏繞墊應用建議

邱硯明，徐樹林，牟力波，劉艷鵬 ，焦剛毅

(1.哈電集團 中央研究院，哈爾濱 黑龍江 150028；2.哈爾濱電機廠有限責任公司, 哈爾濱 黑龍江 150028)

0 概 況

本文以不銹鋼石墨纏繞墊為例，依據技術專著、國家標準闡述該纏繞墊的墊片系數的含義、有效寬度與實際密封寬度、墊片預緊壓應力與操作時壓應力 、墊片操作工況的剩余壓應力的關系,墊片寬度的選擇以及使用中的注意事項等，給出此類墊片應用中的一些建議，供本專業參考。

1 墊片系數m、y [1]

m——在臨界泄漏時，墊片單位面積壓力的剩余值(墊片2倍有效寬度單位面積上的殘余壓應力)與密封操作壓力Pw的比值,無量綱；

y——墊片預緊狀態下需要的有效密封寬度內的最小壓應力值，MPa。

2 墊片有效密封寬度b

墊片實際密封寬度和有效密封寬度不相同，墊片基本密封寬度b0是墊片密封接觸寬度的一半，這是這種墊片采用的密封面的結構特點所決定的，墊片的實際寬度至少是有效寬度b的2倍，詳見下面的表1，具體計算在GB 150-2011《壓力容器》第7.5.1.2中有明確的計算公式：

表1 墊片實際寬度(N)與有效寬度(b)的關系表

N——纏繞墊片密封接觸面寬度,mm；

b——墊片有效密封寬度，mm。

N/2≤6.4,b=N/2；

3 各工況下墊片壓應力

以操作壓力Pw為20 MPa，DN300的法蘭密封,材料以奧氏體不銹鋼石墨纏繞墊為例：

HG/T 20631-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(Class系列)》中的墊片尺寸D2=317.5,D3=368.3，D2、D3位置見圖1,墊片有效寬度b=9.02,墊片壓緊力中心圓直徑DG=350.27

預緊時墊片需要的最小壓緊力：

Fa=πDGby

=π×350.27×9.02×69

=684 575.53 N

DG——墊片壓緊力中心圓直徑，mm；

墊片承壓面積：

A=π(368.32-317.52)/4

=27 362.2 mm2

預緊時需要的墊片平均壓應力：

σ0=Fa/A

=684 575.53 /27 362.2

=25.02 MPa

實際預緊時墊片需要的最小壓緊力(抵抗液體軸向力及墊片工況條件下的必須的密封殘余表面壓應力)：

WP=0.25πDG^2Pw+2πDGbmPw

=0.25π×350.27^2×20+2π×350.27×9.02×3×20

=3 117 735.71 N

實際預緊時墊片的最小壓應力：

σp0=Wp/A

=3 117 735.71 /27 362.2

=113.94 MPa

操作時墊片需要的最小壓緊力：

Fp=2πDGbmPw

=2π×350.27×9.02×3×20

=1 190 566.14 N

操作時墊片實際的最小壓應力：

σp1=Fp/A

=1 190 566.14 /27 362.2

=43.51 MPa

墊片操作工況下實際的墊片系數(mp)值：

mp=σp1/Pw=43.51/20

=2.18

依據上面的計算方法，列出各壓力工況的相關數據，將統計列入下面的表2。

表2 DN300不銹鋼纏繞墊片各操作壓力下的墊片壓應力值

如表2所述，預緊墊片的平均壓應力到達69 MPa時，其操作壓力為12.11 MPa。墊片的預緊壓應力是包含了抵抗液體軸向力與墊片在內壓情況下需要的壓應力的殘余值，因此墊片的預緊力大于預緊時墊片需要的最小壓緊力為πDGby 。

4 纏繞墊片試驗數據

跟據GB/T 4622.3-2007《纏繞式墊片技術條件》及GB/T 14180-1993《纏繞式墊片試驗方法》，DN80纏繞墊水介質試驗壓力為1.3×25=32.5 MPa, 蒸汽介質壓力試驗壓力為1.1×25=27.5 MPa,墊片的理論需要的預緊壓應力為墊片有效寬度下的69 MPa,墊片實際的預緊壓力值要克服液體軸向力后還要保證密封必須的殘余壓應力值，見表3。

表3 纏繞墊標準試驗數據

DN80纏繞墊片,Φ120.7/Φ92.2,b=6.75,DG=107.19 mm。

下面以水介質壓力試驗為例。

理論上的墊片預緊時需要的最小壓緊力：

Fa=πDGby

=π107.19×6.75×69

=156 920.74 N

墊片承壓面積：

A=π(120.72-92.22)/4

=4 765.52 mm2

理論上的墊片預緊時需要的最小壓應力：

σp0=Fa/A

=156 920.74/4 765.52

=y/2

=32.93 MPa

預緊時墊片實際的最小壓應力：

σp1=(FD+Fp)/A

=(0.25πDG^2Pc+2πDGbmPc)/A

=(0.25×107.192×32.5+2×107.19×6.75×3×32.5)/4 765.52

=154.6 MPa

操作狀態下墊片的殘余最小壓應力值：

σp=Fp/A

=443 471.66/4 765.52

=93.06 MPa

操作狀態下墊片實際的墊片系數m的值：

mp=σp/Pc

=93.06/32.5

=2.86

從DN80纏繞墊片的實驗數據知道，墊片最大的平均壓應力不大于154.6 MPa.這個試驗驗證的是操作壓力25 MPa的纏繞墊片的密封性能.根據HG/T 20615-2009《鋼制管法蘭(Class系列)》，纏繞墊片的適應的操作壓力是在454.5 ℃時能承壓17.2 MPa,常溫時能承壓42 MPa，且墊片公稱壓力都有公稱尺寸相對應的限制. 因此，非標纏繞墊片密封結構可以參考這個試驗的計算數值及HG/T 20615-2009《鋼制管法蘭(Class系列)》來選用適應的操作壓力。

5 關于墊片在操作時需要的墊片最小壓應力值

墊片系數由密封試驗臨界泄漏狀態的墊片壓緊力除以有效墊片面積及密封壓力得出，而墊片系數m在原始測定時，對墊片面積取為2bπDG(認為在操作時，起密封作用的面積是2倍墊片有效面積)，為此使墊片保持最小的密封壓緊力為(2b)πDGbmPw=2bπDGbmPc?？紤]有效寬度b的因素，墊片實際寬度是有效寬度的2～6倍，實際操作時墊片的平均壓應力只是操作壓力的m/3～m倍。墊片寬度是12.8 mm及其以下的才是操作壓力的m倍，墊片寬度超過12.8 mm的其墊片壓力都在操作壓力的m倍以下，所以墊片的在操作時需要的墊片最小壓應力值應該是(m/3)Pw～m Pw, 因為此纏繞墊片的m=3，因此墊片的在操作時需要的墊片最小壓應力值應該在 Pw～3 Pw之間。

6 需要的最小墊片寬度N

根據GB 150-89《鋼制壓力容器》,給出下面的計算公式

(1)

Ab——法蘭螺柱總面積，m2；

[σ]b——法蘭螺柱常溫下許用應力，MPa.

由(1)式可知，墊片的承壓面積是：

A=πDGNmin2y

(2)

從上面的公式(2)可以看出，其要求對墊片表面的平均壓力不能超過纏繞墊片的2倍比壓力值，即2×69=138 MPa，但依據HG/T 20631-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(Class系列)》中的數據顯示纏繞墊能承受住239.27 MPa的面壓應力值，仍能很好的實現密封功能，為此GB 150-1998取消了這個限制。

由墊片的初始預緊狀態下需要的最小墊片壓緊力公式Fa=πDGby=πDG(Nmin/2)y=πDGNmin 0.5y可以推出墊片最低的平均壓應力值不能低于0.5y,依據HG/T 20631-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(Class系列)》DN300纏繞墊數據239.27/69≈3.4即有下面的公式(3)成立：

(3)

設計非標準的墊片，要參考上述公式(3)來校核墊片的寬度，這一寬度是根據常溫狀態下墊片需要的寬度，目前沒有資料顯示考慮高溫工況而需要額外增加多少寬度的敘述。非標墊片的設計同樣建議參考HG/T 20631-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(Class系列)》及HG/T 20610-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(PN系列)》中的有成功使用經驗的標準法蘭使用墊片的寬度值。

7 纏繞墊結構尺寸

依據GB/T 4622.2-2008《纏繞式墊片 管法蘭用墊片尺寸》,纏繞墊的結構尺寸見圖1及表4。

圖1 纏繞墊結構示意圖

D1——內環內徑，mm;

D2——密封元件內徑，mm;

D3——密封元件外徑，mm;

D4——定位環外徑，mm;

T——密封元件厚度，mm;

T1——內環/定位環厚度，mm。

ΔTmax——纏繞墊片的極限壓縮尺寸，mm；

ΔTpmax——纏繞墊片服役時的極限壓縮尺寸，mm。

如圖1和表4所示，纏繞墊操作時的極限壓縮量即表4 的ΔTpmax。

關于纏繞墊片的公稱通徑，參考文獻GB/T 4622.2-2008《纏繞式墊片 管法蘭用墊片尺寸》中最大取DN3000， 結合公稱等級建議參考HG/T 20631-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(Class系列)》及HG/T 20610-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(PN系列)》選取。

8 可采用限位結構的情況

任何壓力等級都可以采用限位結構，而低壓力工況不值得采用。當連接法蘭時，螺栓預緊，在纏繞墊片平面上產生的平均面壓力超過了1.0y MPa時就可以采用限位結構，本案推薦在纏繞墊片預緊平均壓應力超過2.0y MPa時采用限位結構，當超過3.4y MPa時，一定要采用限位結構。因為超過此壓力數值目前沒有試驗數據支撐，當墊片壓力大到承載極限后會失去回彈性能，進而失去密封功能。采用限位結構液體的軸向力就不由墊片承擔而是由結構限位臺階來承受這部分的壓力，這樣就減少了墊片的壓應力。特別推薦的是當遇到墊片的軸向力及彎矩力變動很大的場合，這種工況的纏繞墊片采用限位結構設計是比較合適的，最貼切的例子是塔器的設備法蘭，由于塔器風載的因素會造成設備法蘭承受很大的彎矩力，而這種彎矩力又不確定方向，容易使纏繞墊密封失效。纏繞墊片限位結構如圖2所示。

圖2 纏繞墊限位結構示意圖

例如人孔類的密封墊結構，因沒有額外的附加載荷，盡管預緊力遠遠的超過了yMPa,但墊片的壓縮厚度沒有超過纏繞墊片服役時的極限壓縮尺寸ΔTpmax就可以不采用限位結構。采用限位結構的最大優點是預緊螺柱力用于抵抗液體軸向力的那部分力以及類似風載荷等的軸向彎矩由限位平面承擔，不用擔心過高的預緊力以及偏心的載荷引起的密封面的壓緊力不一致造成墊片過壓而失去密封性能,而纏繞墊片承載的壓力完全是滿足操作狀態下需要的最小墊片的壓力值2πDGbmPc。

9 墊片適應的操作壓力

依據GB/T 4622.3-2007《纏繞式墊片 技術條件》和GB/T 12385-2008《管法蘭用墊片密封性能試驗方法》，纏繞墊片加載預緊應力是70±1，取低值為69 MPa，介質軸向力由試驗設備的螺栓承擔，令Fa=Fp,πDGby=2πDGbmPc=2πDGbmPw,則有下面的(4)式成立 。

(4)

Fa——預緊狀態下需要的最小墊片壓緊力，N;

Fp——操作狀態下需要的最小墊片壓緊力，N。

(4)式中，當法蘭的操作(計算)壓力等于11.5 MPa時，墊片有效寬度內仍能工作在小于69 MPa的面壓力下，這個操作壓力值是此類墊片非常適合的內壓值.無論是墊片預緊還是操作狀態，墊片從理論上就能保證密封性能。實際操作時螺栓的預緊力是包含介質內壓的軸向力0.25πDG^2Pw的，而這部分壓在墊片上的力是短暫的，待設備運行時就卸載掉了.依據GB/T 14180-1993《纏繞式墊片試驗方法》的墊片試驗，對于DN80的墊片其操作壓力可以達到25 MPa。

根據第5節的闡述，實際操作時墊片的平均壓應力只是操作壓力的m/3～m倍，則有下面的(5)式成立。

(5)

(5)式說明，采用限位結構壓在墊片上的壓力完全是用于介質的密封，液體的軸向力等其它的所有外力都由限位平面去承擔，那么密封采用比較寬的纏繞墊片就能夠勝任34.5 MPa的介質的工作壓力的密封.又由于GB/T 14180-1993《纏繞式墊片試驗方法》僅做到公稱壓力是25 Mpa的纏繞墊的試驗，試驗的過載系數是1.3，因此試驗實際加載內壓值是1.3×25=32.5 MPa,此類纏繞墊片的操作壓力不推薦超過25 MPa。關于操作壓力在11.5～25 MPa之間的，要結合墊片的結構尺寸。當墊片施加包含介質軸向力的預緊力時，墊片的壓縮尺寸沒有達到墊片服役時的極限壓縮尺寸ΔTpmax的話，該墊片可以使用；當實際操作預緊力時，還沒有達到預期的預緊力時，纏繞墊片的厚度壓縮量就已經超過了ΔTpmax，這說明墊片的耐壓不足，需要更換墊片或者需要校核一下墊片的寬度值。HG/T 20631-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(Class系列)》中最大公稱壓力達到42 MPa, HG/T 20610-2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(PN系列)》中最大公稱壓力達到16 MPa。 根據上述的闡述，此類墊片操作壓力在11.5 MPa以下可以放心使用。

10 密封結構選用纏繞墊時需要特別注意的事項

法蘭因與相連的管道或者殼體相焊接時，會因法蘭環抗彎剛度小而微微變形，這種很小的變形有可能影響密封。如圖3所示。

圖3 法蘭密封用不銹鋼纏繞墊結構尺寸圖(單位：mm)

定性的觀察圖3，與筒節殼體的焊接，其焊接收縮力會造成沿法蘭環的順時針或者逆時針的彎矩，這個彎矩會引起法蘭環的偏轉，又因為法蘭環材料不可能完全軸對稱，使得焊接收縮引起的法蘭環偏轉因位置不同會有所不同，這會影響到密封面的平面度，也就會影響密封面的密封效果。本案法蘭環寬度是200，法蘭環高度是290，法蘭環內邊緣距法蘭中心是700,本案認為當法蘭環內邊緣距中心達其寬度的1.5倍，且法蘭環高度與寬度相當時，法蘭環與殼體焊接時容易引起法蘭環的偏轉，本纏繞墊裝配壓縮量是1.2 mm,如果因密封面偏轉引起某處多壓縮0.1 mm，或者是某處又少壓縮0.1 mm，這會嚴重影響纏繞墊片的密封效果。因此，法蘭與筒節焊接后是否需要做消除焊接應力的熱處理，是否需要焊接完成后再次加工密封面、是否需要熱處理后加工密封面。本案認為，DN600及其以上的公稱尺寸的法蘭密封面，設計、制作工藝部門要慎重考慮是否再次加工密封面，保證密封面的平面度要求，以能確保此類墊片的密封效果。

11 小 結

(1)纏繞墊片的密封寬度，選用標準法蘭就采用標準法蘭提供的標準墊片，非標準法蘭參考標準法蘭及本文第6節中的計算式(3)來確定纏繞墊片的密封寬度；

(2)纏繞墊片預緊平均壓應力超過了1.0y MPa時就可以采用限位結構，本案推薦在纏繞墊片預緊平均壓應力超過2.0y MPa時采用限位結構，當超過3.4 y MPa時，一定要采用限位結構。還有類似塔器設備法蘭(承受偏心載荷、風載核和地震載荷)的工況場合也建議采用限位結構。當采用限位結構時，推薦預緊壓縮量為表4的ΔTpmax；

(3)盡管纏繞墊片的耐壓試驗工況不低于25 MPa,耐熱操作工況不低于350 ℃，但在實際設計中，當設計壓力超過10 MPa(也要考慮操作溫度)，就不采用纏繞墊片了，而是采用金屬O型墊(空心或者實心)、橢圓型墊(空心或者實心)、八角墊或者透鏡墊;

(4)盡量采用內外都有加強圈類型的纏繞墊片，原因是纏繞金屬片的焊口在壓緊力作用下易分開，從而喪失密封性能；

(5)尺寸超過DN600的纏繞墊密封面，當焊接等有影響密封面剛度的情況下要考慮焊接(或者熱處理)完成后再加工密封面。