常溫4MPa環境下墊片密封性能測試裝置研究

付強 劉利強 張為

1. 吉林工程技術師范學院 吉林 長春 130052；2. 長春理工大學 吉林 長春 130022

引言

螺栓法蘭接頭因其結構簡單，裝配簡便，可拆卸且能夠在不同工況下同時保持結構的整體性和密封性等特點而受到了廣泛的應用，但它也是造成爆炸、燃燒和原料及產品逸出的主要泄露的源頭之一[1]。在石化產業中，高溫高壓容器及管道應用更加廣泛，因此對法蘭的密封性能要求較高，法蘭接頭的密封質量也將直接關系到了整個裝置是否能夠正常運行和投入生產[2]。

法蘭接頭的密封質量取決于密封墊片的性能，合格的墊片可以極大程度降低泄漏事故的發生概率[3]。隨著人們對化工裝置泄漏事故重視程度的增加，為了極大程度地避免對人身財產安全的損害以及大氣環境的污染，出于對產品性能以及以上因素的考慮，越來越多的專家學者對墊片的密封性能要求越來越高[4-7]。對檢測墊片密封性能的需求也與日俱增。因此，設計墊片密封性能測試裝置是十分有必要的。

1 整體設計

4MPa承壓法蘭接頭密封墊片性能測試裝置的工作壓力為4MPa，但是由于承壓設備的設計壓力應為工作壓力的1.05~1.10倍，故取設計壓力為4.4MPa。參照GB/T 12385-2008中方法B，選取常溫4MPa環境下墊片密封性能測試試驗參數。

①試驗墊片規格：DN50；②試驗介質：惰性氣體；③介質最高壓力：4MPa；④試驗溫度：常溫；⑤螺栓規格：M16*100。

圖1 4MPa承壓法蘭接頭密封墊片性能測試裝置實物

1.1 法蘭選型

根據GB/T 12385-2008中方法B，以及HG/T 20592-2009的要求，在本裝置中選用不易變形且密封性能較好的帶頸對焊法蘭。由于本裝置用于對不同的密封墊片進行性能測試，所以無法根據不同墊片的性能而對密封面有更詳盡的要求，因此選用加工以及結構都較為簡單的突面。因此選用帶頸對焊突面法蘭。

由于工作壓力為4MPa，即可確定公稱壓力為PN40。通過查詢國家標準，在50℃、PN40的情況下，選用公稱直徑DN50的法蘭，該法蘭的工作壓力為5MPa，大于本裝置的設計壓力以及工作壓力。即確定承壓法蘭為帶頸對焊突面法蘭，該法蘭為DN50-PN40 HG/T 20592-2009。由于其工作壓力在1.6~6.3MPa之間，故為鍛件。

1.2 供氣管路系統

由于本裝置的工作壓力為4MPa，即承壓管路為中壓，所以選擇經濟性以及性能都較為良好的不銹鋼無縫鋼管。法蘭連通管道為承壓管路，為了增加其承壓能力以及安全性能，選用較細管道，通過查詢GB/T12771-2000，即外徑為12.7mm，壁厚為1.5mm，內徑為9.7mm的冷軋鋼管道。

介質氣源由高壓氣瓶提供，試驗壓力最高可達4MPa，試驗介質采用惰性氣體。

圖2 密封墊片泄漏量法蘭承壓放氣部分和充氣部分

1.3 氣源裝置選擇

本承壓法蘭接頭密封墊片性能測試裝置的氣源裝置主要選用高壓氣瓶。氣體從高壓氣瓶中通過不銹鋼管路系統輸至法蘭空腔以及標準容器和緩沖罐中。因此高壓氣瓶的容積十分重要。本裝置中采用的流體介質為工業氮氣。管道內的氣體量可忽略不計。根據查詢高壓氣瓶規格表，選用工作壓力為15MPa，試驗壓力為22.5MPa的高壓氣瓶。由于法蘭空腔的容積為0.1L，工作壓力為4MPa，考慮到標準容器以及緩沖罐的容積，為了多次進行試驗，故選用較大容積的高壓氣瓶，即外徑為219mm，容積為40L，長度為1330mm，重量為50kg，設計壁厚為5.7mm的高壓氣瓶。

2 法蘭及管路強度校核

壓力容器內部受力點經常處于復雜狀態，很少只受一個力，大部分時候為多力復合的受力狀態，如二向應力或三向應力，因此應力強度具有多種類別。而本裝置中主要受內壓的部分為4MPa承壓法蘭接頭密封墊片性能測試試驗裝置部分，即受4MPa的內壓，該裝置需要進行應力強度校核。

2.1 承壓法蘭強度校核

4MPa承壓法蘭接頭密封墊片性能測試裝置中主要通過測量氣體泄漏量等數據來評定不同材料墊片的密封性能。由于本裝置的工作環境為常溫中壓，在試驗過程中氣體在法蘭空腔中存在，因此法蘭為承受4MPa內壓的承壓法蘭。因此有必要對該部分試驗裝置中承壓法蘭部分進行強度校核。

2.1.1 法蘭設計力矩計算。通過查詢，預緊狀態的法蘭力矩為：

2.1.2 法蘭應力計算。

2.1.2.1 軸向應力應按式（3）所示計算：

通過查詢GB/T 150-2011得K=1.32，T=1.79，Z=3.69，Y=7.14，U=7.85，將其代入上式中。

2.1.2.2 徑向應力應按式（4）計算：

2.1.2.3 環向應力應按式（5）計算：

2.1.3 應力校核。應力校核應該符合以下規定：

2.1.3.4 組合應力：

綜合以上計算結果得，承壓法蘭符合應力強度要求。

2.1.4 法蘭剛度校核。對整體法蘭和按整體法蘭計算的任意法蘭，剛度指數按式（6）計算：

式中：K1-剛度系數，取0.3

E-法蘭材料的彈性模量，MPa；當法蘭設計力矩Mo為預緊控制時，E取常溫下的彈性模量，當法蘭設計力矩為操作控制時，取設計溫度下的彈性模量。

因此承壓法蘭滿足剛度要求。

綜上所述，承壓法蘭滿足剛度以及應力強度要求，承壓法蘭合格。

2.2 管路強度校核

在4MPa承壓法蘭接頭密封墊片性能測試裝置中涉及了管路系統，由于管路與緩沖罐、標準容器以及法蘭空腔整體相連接，所以在試驗過程中也需承受相同的壓力。即承壓管路需要承受的最高工作壓力為4MPa。

承受內壓的管子，管壁上任意一點的應力狀態可以用3個互相垂直的主應力來表示，它們分別是：沿管壁圓周切線方向的環應力，平行于管道軸線方向的軸向應力以及沿著管壁直徑方向的徑向應力，設P為管內介質壓力，Dn為管子內徑，S為管子壁厚。則三個主應力的平均應力表達式為：

根據最大剪應力強度理論，材料的破壞由最大剪應力引起，當量應力為最大主應力與最小主應力之差，故強度條件為：

將管壁的應力表達式代入上述強度條件中，得理論壁厚公式：

由于工程上，管子尺寸多由外徑DW表示，因此又得一個理論壁厚公式：

已知試件材料為304不銹鋼，即0Cr18Ni9，在工作溫度下許用應力 ，根據公式（11），為使承壓管路滿足工作且不發生形變，應滿足實際壁厚大于理論壁厚，即

即實際壁厚應大于2×10-4m，即0.2mm，而在第二章管路系統設計中可查得選用的管道外徑為12.7mm，內徑為9.7mm，即壁厚為1.5mm，大于0.2mm，故管路系統符合強度要求。

3 結束語

本文設計了一種常溫4MPa環境下墊片密封性能測試裝置。設計壓力4.4MPa，溫度為常溫，流體介質為惰性氣體。通過結構設計、強度校核的計算，確定了設備組成和結構。本裝置可實現常溫條件下0~4MPa環境下，墊片密封性能的測試，對研究不同壓力、墊片結構等條件對墊片密封性能的影響具有重要意義。