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法蘭面密封出現泄漏的原因分析及對策
添加:2018-5-14 14:05:00    游覽:2187    來源:網絡

  【摘 要】 介紹了化工維修中密封墊的密封原理、泄漏現象、墊片的特性與使用條件、密封失效的原因及對策等,根據壓力、溫度、介質及密封面形式等選用合理的密封墊,可減少或避免泄漏的發生。

  【關鍵詞】 密封墊;泄漏;失效;對策

  一、前言

  泄漏是化工生產中常見的現象,也是化工行業安全生產必須解決的問題。各種化工管道與設備一旦泄漏,輕則浪費,重則使整套裝置、整個工廠陷于停產,有些泄漏對人及周圍環境會造成危害。因此,人們在生產實踐中千方百計地防止泄漏。化工管線輸送流程中,法蘭聯接及密封是必須的,且量大面廣。合理選擇法蘭密封形式及密封墊片材料,可以有效防止泄漏,同時使得法蘭聯接管線維修手段方便,價格低廉,堅固耐用,消耗少。

  二、密封墊的泄漏分析

  密封墊分為非金屬密封墊、非金屬與金屬組合密封墊和金屬密封墊三大類,其材料常見的有橡膠、皮革、石棉橡膠、聚四氟乙烯、石墨、馬口鐵、鋼、鋁及銅等。墊片按密封面形式分為FF型、 RF型、 MFM型和TG型,分別適用于全平面、突面、凹面/凸面和榫面/槽面法蘭,如圖1所示。

圖1 凸面/凹面、突面法蘭

  通常情況下,密封墊片的泄漏現象有四種形式:界面泄漏、滲透泄漏、擴散泄漏和破壞泄漏。結合多年的工程施工檢修和制造工作經驗,筆者認為密封失效的原因主要有以下幾方面:壓緊力分布不均勻、應力松弛、密封面表面粗糙度不合適及溫度變化。

  1. 壓緊力分布不均勻

  壓緊力分布不均勻會造成密封墊產生間隙,從而形成泄漏。壓緊力的不均勻是由多方面因素造成的。首先是人為因素,施工時不對稱預緊螺栓,容易造成不均勻,這個因素可以在施工中消除;其次是法蘭錯位對壓緊力有影響,理論上法蘭壓緊時,密封面是絕對平行的,實際上,管道中心線不可能絕對同心,因而擰緊螺栓時對法蘭產生彎矩,使法蘭受力不均勻,這種不勻稱的聯接,使密封面或多或少地發生變形,使密封壓緊力減小,在運行載荷下,容易產生泄漏,解決對策是掌握法蘭變形規律,均勻壓緊力,并在密封墊上增涂密封膠,消除間隙,可以消除泄漏;第三,螺栓排列密度對壓力分布影響也較明顯,螺栓間距越小,壓力越趨均勻。

  2. 應力松弛與扭矩損失

  應力松弛與扭矩損失也是造成泄漏的主要原因。螺栓在法蘭上擰緊后,由于機構的振動、溫度的升高或下降等因素的影響,工作過程中墊片將發生應力松弛現象,螺栓扭矩也隨之逐漸下降,產生扭矩損失,導致泄漏。一般來說,螺栓長,殘存的扭矩大,直徑越小,對防止扭矩損失越有利,因此,用長而細的螺栓,是防止扭矩損失的一個有效辦法。此外,溫度變化越大,持續時間越長,扭矩損失越嚴重。把螺栓加熱一定時間使其伸長,再保持給定的扭矩,對防止扭矩損失很有效。墊片越薄,扭矩損失越小。另外防止機器和管道本身強烈振動,以及排除鄰近設備振動的影響、無謂的撞擊密封面、不敲打緊固后的螺栓等,都可以防止扭矩損失。

  3. 密封面表面粗糙度

  密封面表面粗糙度應與密封面的形式相一致,如RF密封面形式,R a3.2~6.3μm, 表面粗糙度值過高會影響密封效果。必須使用更大的壓緊力才能使其密封住。

  4. 溫度變化

  溫度的降低對密封效果也有較大影響。管線在常溫下安裝,管線升溫時膨脹壓緊;溫度下降時,管線收縮。法蘭聯接處的泄漏經常發生在溫度下降(冷卻)過程,因為冷卻時法蘭和螺栓的冷卻速度不一樣,冷卻后墊片的壓緊力發生變化,出現應力松弛,加之管道的冷收縮,產生朝螺栓拉伸方向的力,此力會促使泄漏產生,所以在低溫介質場合選擇墊片時,應注意:①采用低溫下有彈性的墊片。②墊片厚度應盡可能小,法蘭間隙盡可能小。③采用高強度螺栓,減小應變。

  三、墊片的特性及選擇

  基于上述泄漏現象和密封機理的分析,合理選擇密封墊是解決法蘭處泄漏的重要手段。根據化工生產的實際情況,選取幾種常見的密封墊進行分析研究,推薦應用,如圖2所示。

圖2 幾種常見的密封墊片

  1.石棉橡膠板

  石棉橡膠板是應用最為普遍的密封墊片材料,它是由重量比為60%~80%的石棉和10%~20%的橡膠作為主要成分,加入填充劑、硫化劑壓制而成。使用溫度一般在-40~300℃。溫度再高就不推薦使用了,原因是溫度增高,會影響到介質對石棉橡膠板的作用,特別是介質為橡膠溶劑和腐蝕性化學品時,溫度的增高會加速橡膠膨脹和腐蝕。使用公稱壓力一般為0.25~2.5MPa。石棉橡膠板纖維之間存在微小間隙,在壓力作用下易出現滲透泄漏,雖然可提高壓緊力來克服,但過高的壓緊力又會使墊片失去回彈性,造成密封失效。氣體比液體更易泄漏,所以對真空和有毒介質密封時,不要選用石棉橡膠板,化工管路用墊片的厚度一般為2~4.5m m,薄墊片使用壓力高但需密封力大,厚墊片回彈性優于薄墊片,比較容易密封,但厚度超過3mm,對泄漏率變化不大,且壓力較高時易擠出。值得注意的是,石棉是一種致癌物質,人體長期接觸不利于健康,石棉橡膠板在國外已禁止使用,國內目前處于限制使用階段,建議謹慎使用。

  2. 聚四氟乙烯墊片

  聚四氟乙烯( PTFE)有“塑料之王”之稱,組織致密。制造密封墊時,通常把其原料粉置于金屬模中,以20~30MPa的高壓壓制成形,再于370~380℃熔化熱處理,一般PTFE墊的屈服強度隨溫度上升而下降很快,易產生熱塑性蠕變,隨著時間的增加,密封面上的壓緊力下降,產生“應力松弛”,所以常常在PTFE中加入各種填充劑(即改性聚四氟乙烯),以擴大溫度范圍(-200~200℃),壓力也由常溫下的1~2MPa上升至4MPa。純聚四氟乙烯帶在低壓小口徑管道上使用較普遍。另外PTFE包覆墊片外層是很薄的聚四氟乙烯,內層填以彈性和回彈較好的橡膠墊或石棉墊,這樣既具有PTFE的耐化學物質性能,又具有橡膠或石棉墊良好的彈性和回彈性,并增強了抗蠕變能力,所以密封性能比純聚四氟乙烯密封墊片要好。

  3. 柔性石墨復合墊片

  柔性石墨復合墊片是由沖齒的金屬芯板與膨脹石墨粒子復合的板材制成的一種石墨增強墊片,具有優良的回彈性,密封性能較橡膠或石棉橡膠板好得多。同時它的耐高溫性也較好,在500℃高溫之下毫無蠕變發生,而在深冷之下特性也幾乎毫無變化。一般推薦公稱壓力為1.0~6.3MPa,最高使用溫度對于低碳鋼和不銹鋼芯板分別為450℃和650℃。

  4. 金屬纏繞密封墊

  金屬纏繞密封墊是把薄的金屬帶和薄的非金屬帶緊貼在一起,一層一層地纏繞所構成的圓環形密封墊。它兼有金屬的優良回彈能力、耐熱性和非金屬材料的柔軟性,并且有多道密封作用。一般推薦公稱壓力為1.0~60MPa,使用溫度根據不同的軟性填充材料,最高可達650℃(如填充材料為石墨)。

  5. 金屬包覆墊

  金屬包覆墊一般由金屬材料(如不銹鋼皮,鍍鋅、鍍錫薄板等)作包覆層,石棉橡膠板作為填充材料制成。推薦壓力為2.5~10.0MPa,溫度不超過500℃。它有較好的耐熱性和回彈能力,柔軟性較纏繞墊片好,但對密封面的表面粗糙度要求較高,一般碳鋼為R a=1.6~3.2μm,不銹鋼為R a=0.8~1.6μm。綜上所述,墊片的選取要考慮壓力、溫度、介質及密封面形式等因素,只要在實際工作中,針對不同的情況,選取合理的密封墊片,就一定能夠避免或減少泄漏,從而保證工作的安全穩定運行。

  四、墊片選用實例

  ( 1)煤氣壓縮管道 工藝條件:壓力4.4 MPa,溫度210℃,介質CO氣體。 CO氣體易燃易爆,高度危險,且壓力、溫度均較高,法蘭密封面可采用凹面/凸面形式,墊片可采用帶內環金屬纏繞墊,考慮介質中含有少量水分,纏繞部分材質為304+石墨,內環材質為304。

  ( 2)醋酐輸送管道 工藝條件:壓力0.4 MPa,溫度50℃,介質醋酐。醋酐易燃易爆,中度危險,強腐蝕,法蘭密封面可采用突面形式,墊片可采用改性聚四氟乙烯。

  ( 3)醋酐生產中反應物輸送管道 工藝條件:壓力4.0MPa,溫度180℃,介質醋酸、醋酐、醋酸甲酯、催化劑等。介質易燃易爆,高度危險,強腐蝕,且壓力、溫度均較高,法蘭密封面可采用突面形式,墊片可采用帶內環和對中環型金屬纏繞墊,纏繞部分材質為哈氏合金+石墨,內環材質為哈氏合金,對中環材質為304。

  五、結語

  法蘭面密封是化工流程中管線常見的聯接形式,法蘭面出現泄漏也時有發生,其泄漏的形式與原因是多種多樣的,解決法蘭面泄漏的方法是正確選擇墊片種類和法蘭面形式,適當控制墊片的預緊力。

  參考文獻

  [1] 《化工設備設計手冊》編寫組. 化工設備設計手冊[M]. 上海:上海人民出版社, 1977.

  [2] 吳宗澤. 機械零件設計手冊[M]. 北京:機械工業出版社, 2004.

  [3] 《機械設計手冊》編委會. 機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社, 1977.

  [4] 中華人民共和國工業和信息化部. 鋼制管法蘭、墊片、緊固件[M]. 北京:中國計劃出版社, 2009.

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