基于泄漏率的管法兰用垫片系数测试方法-最新国标

基于泄漏率的管法兰用垫片参数测试方法
1范围
本文件规定了GB/T17186.2所需垫片参数的测试方法和试验步骤。

本文件适用于非金属平垫片、半金属垫片、金属垫片，其中纯弹性体、仅含颗粒填料或仅由颗粒增强的弹性体垫片除外。

注：本文件所给试验步骤也可适用于其他形状和尺寸的垫片。

2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。

其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T4622.1-2022管法兰用缠绕式垫片第1部分：PN系列
GB/T4622.2-2022管法兰用缠绕式垫片第2部分：Class系列
GB/T9124.1钢制管法兰第1部分：PN系列
GB/T9124.2钢制管法兰第2部分：Class系列
GB/T17186.2管法兰连接计算方法第2部分：基于泄漏率的计算方法
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。

3.1
最大垫片应力maximum gasket stress
Q
smax
在规定温度下，垫片不发生压溃、破裂、压缩失效或受压面损伤等形式的失效时，允许在垫片上施加的最大垫片应力。

3.2
最小装配垫片应力minimum gasket stress required for leakage rate class L on assembly
Q
min(L)
在室温下安装垫片时，所施加的确保在测试内压下法兰面之间密封等级达到L时的最小垫片应力。

3.3
最小工作垫片应力minimum gasket stress required for leakage rate class L after off-loading
Q
S min(L)
工作条件（使用温度和测试内压）下垫片卸载后为保持密封等级L所需的最小垫片应力。

3.4
密封等级tightness class
L
不同泄漏率范围。

3.5
蠕变松弛因子creep relaxation factor
P
QR
长时间暴露在工作温度下，垫片应力的松弛特性，即残余垫片应力与初始垫片应力之比。

3.6
垫片卸载弹性模量unloading modulus of elasticity
E
G
垫片卸载时的应力和应变的比值，其值的大小由初始压缩载荷卸载至1/3时，垫片的回弹厚度确定。

3.7
轴向热膨胀系数axial coefficient of thermal expansion
α
G
使用温度范围内和垫片应力下，单位温度变化所导致的轴向长度量值的变化。

3.8
蠕变量change in gasket thickness due to creep
Δe
Gc
垫片在加载完成至试验结束，由蠕变引起的厚度的附加变化量。

3.9
静摩擦系数static friction factor
μ
G
在工作条件下，垫片和法兰密封面之间的静摩擦力与正压力的比值。

3.10
垫片压缩应力gasket stress
Q
A
卸载前垫片的应力值。

4试验通用要求
4.1通用试验装置、压缩和蠕变试验装置、室温下泄漏测试试验装置以及允许使用可更换压板的泄漏测试试验装置示意图分别见附录A～附录D。

4.2试验压板和加热板厚度与直径之比应不小于1/3，压板材料的弹性模量应为195GPa～210GPa，
密封面硬度应为40HRC～50HRC，粗糙度R
a
应在3.2μm~6.3μm范围内。

4.3对于规格为DN40/PN40的垫片试样，试验压板突面的尺寸应符合GB/T9124.1的规定；对于规格为DN100(NPS4)/Class300的垫片，试验压板突面的尺寸应符合GB/T9124.2的规定。

4.4在蠕变松弛因子P
QR 和最大垫片应力Q
smax
试验时，为防粘黏，可在垫片和压板之间放置厚度不大于
0.05mm的铝箔、不锈钢箔或其他金属薄片，并在试验报告中记录。

金属箔或薄片不应重复使用。

4.5试验时需监测垫片的压缩量，泄漏试验除外。

测量垫片压缩量时，可沿试验压板圆周方向每隔120º放置一个位移传感器，或在中心位置放置一个位移传感器。

4.6聚四氟乙烯（PTFE）垫片的加载和卸载速率为0.1MPa/s，其他垫片的测试加载和卸载速率均为0.5MPa/s。

4.7高温试验的升温速率为2℃/min。

4.8泄漏量试验可根据密封等级采用不同的测试方法。

对于新的、高性能的密封材料和垫片型式，推荐采用质谱仪。

4.9所有试验的垫片初始厚度值为室温下,施加1MPa的垫片应力并保持1min后测定的垫片厚度值。

5试样
5.1试样选择
5.1.1对于垫片，选取DN40/PN40或DN100(NPS4)/Class300的垫片为试样。

5.1.2对于板材，选取内径D
i 和外径D
o
分别为：D
i
49.0mm，D
o
92.0mm（Class系列）、D
i
115.0mm，
D
o
148.0mm（PN系列）的板材为试样。

5.2试样数量
从同一样本中随机选取若干个试样，并随机抽取不少于三个试样进行试验。

5.3预处理
试验前，将试样在温度为（23±5）℃、相对湿度为（50±6）%的环境中放置至少48h。

试样从上述环境中取出到试验开始前应不超过30min。

5.4预处理后试样尺寸测量
5.4.1垫片厚度用精度不低于0.01mm的量具测量，以等弧三点测量值的算术平均值为测量结果。

5.4.2垫片直径（内径D
i 和外径D
o
）用精度不低于0.10mm的量具测量，以等弧三点测量值的算术平
均值为测量结果。

5.4.3若垫片有内环或定位环，且与密封元件相关，还应测量并记录内环或定位环的厚度。

6试验条件
试验环境温度应保持在（23±5）℃，试验压板的温度应保持在（23℃±2）℃。

当进行高温试验时，推荐采用表1中的温度值。

表1高温试验推荐的测试温度
T/（℃）50100125150175200225250275300350400450500550600
7最大垫片应力Q
smax 和卸载弹性模量E
G
的测定
7.1试验温度
试验可在室温或高温下进行。

7.2试验步骤
7.2.1将垫片应力（基于垫片初始面积）以一定的速率（见4.6）加载至20MPa，保持5min后记录垫片厚度。

7.2.2若进行高温试验，则在7.2.1的基础上以一定的升温速率（见4.7）将温度升至规定值，保温15min后再记录垫片厚度。

7.2.3将垫片应力以一定的速率（见4.6）卸载至6.7MPa（20MPa的1/3），保持5min后记录垫片厚度。

7.2.4按表2所示的垫片应力对垫片循环加载（见7.2.1）和卸载（见7.2.3），每次均需记录垫片厚度，直到垫片发生压溃或达到试验机的最大载荷，或达到制造商规定的最大垫片应力。

表2垫片应力
单位为兆帕
加载Q
Ai 203040506080100120140160
之后每次增加
20MPa
卸载Q
Ai /3 6.71013.316.72026.733.34046.753.5
之后每次增加
6.7MPa
7.2.5绘制如图1所示的温度-时间曲线、垫片应力-时间曲线以及垫片厚度-时间曲线图。

标引序号和符号说明：
T——温度；
t——时间；
e——垫片厚度；
1——温度曲线；
2——垫片应力曲线；
3——垫片厚度曲线；
4——垫片压溃；
5——Q
Smax
=180MPa；
图1Q
smax 和E
G
的测定步骤和数据处理示意
7.3最大垫片应力Q
smax
的确定
7.3.1垫片压溃前的加载循环对应的垫片应力即为该温度下的最大垫片应力Q
smax
，如图1所示；或将
单位垫片应力下垫片厚度减薄量与垫片应力的关系曲线作图，如图2所示，减薄量激增的前一个循环所
对应的应力值即为最大垫片应力Q
smax。

标引符号说明：
Q
——垫片压缩应力；
A
Δe
——单位垫片应力下垫片厚度减薄量。

Q A
的确定
图2Q
smax
为施加的最大应力。

7.3.2若垫片未观察到压溃，且没有损坏的迹象，则可认为Q
smax
7.3.3若垫片试样未观察到压溃，但存在损坏的迹象，则需要按图3的流程做进一步的试验以确定Q
smax 值。

的试验步骤
图3进一步确定Q
smax
7.3.4若上述流程中P
试验的PN40/DN40垫片内孔直径减少到43mm以下或DN100（NPS4）/Class QR
值。

300减少到90mm以下，则认为垫片应力已超出Q
smax
7.3.5对于GB/T4622.1-2022的缠绕式垫片，将缠绕层压缩至定位环厚度或环发生屈曲，或缠绕层爆
裂的垫片应力值即为最大垫片应力Q smax 。

7.3.6对于GB/T 4622.2-2022的缠绕式垫片，发生环屈曲或缠绕层爆裂的垫片应力值即为最大垫片应力Q smax 。

7.4卸载弹性模量E G 的确定
7.4.1
加载和回弹曲线见图4，每次载荷循环都可计算卸载弹性模量。

a)加载曲线
b）回弹曲线
标引序号和符号说明：1——蠕变；
t——时间；
Q A ——垫片压缩应力；
Δe ——垫片厚度减薄量。

图4
加载和回弹曲线
7.4.2
卸载弹性模量E G 值（见图5）按式（1）计算。

G =2
3A ×
∆ (1)
式中：
Q A ——垫片压缩应力，单位为兆帕（MPa）；
Q A ——以应力Q A 保压后的垫片厚度，单位为毫米（mm）；
Δe G ——从Q A 卸载到1/3Q A 的垫片厚度减薄量，单位为毫米（mm）。

标引序号说明：1——蠕变。

图5
E G 的确定
8
蠕变松弛因子P QR 和蠕变量Δe GC 的测定8.1
试验步骤
8.1.1以一定加载速率（见4.6）对试验垫片加载至规定的垫片应力Q l 。

8.1.2保持载荷5min，记录此时垫片厚度作为垫片蠕变阶段初始厚度，再以一定升温速率（见4.7）将试验压板温度升高至规定值。

8.1.3将温度保持4h 不变，记录此时的残余垫片应力Q 2和最终垫片厚度。

8.1.4计算P QR 和Δe Gc 。

8.1.5记录试验后的垫片状态。

8.2
蠕变松弛因子P QR 和蠕变量Δe GC 的计算
按式（2）和式（3）计算蠕变松弛因子P QR 和蠕变量Δe GC ，垫片受压面积A G 通过式（4）计算得出。

QR =
21
(2)
∆GC[K,Q 1,T]=
G ×1×(1−QR[K,Q 1,T])
(3)
G =4
（s 2−s 2） (4)
式中：
P QR ——蠕变松弛因子；
Q l ——初始垫片应力，单位为兆帕（MPa）；Q 2——残余垫片应力，单位为兆帕（MPa）；
∆GC[K,Q 1,T]——在K 、Q 1和T 条件下的垫片蠕变量，单位为毫米（mm）；
K ——试验压板刚度，PN系列法兰的典型刚度为500kN/mm，T ——测试温度，单位为摄氏度（℃）；
A G ——垫片受压面积，单位为平方毫米（mm 2）；
D s ——垫片外径D o 、试验压板与垫片接触的外径或突面外径中的较小值，单位为亳米（mm）；d s ——垫片内径D i 、试验压板与垫片接触的内径或突面内径中的较大值，单位为亳米（mm）Class系列法兰的典型刚度为1500kN/mm；。

9
最小装配垫片应力Q min(L)和最小工作垫片应力Q smin(L)的测定9.1
试验介质和设备
试验气体应为氦气，当泄漏率低于10-3
mg/(m·s)时，应采用氦检漏仪。

9.2
试验步骤
9.2.1将垫片应力以一定的速率（见4.6）加载至5MPa，保持5min，打开内压至40bar，保持20min 或至泄漏率稳定（20min 内泄漏率变化不超过2%）后测量泄漏率。

9.2.2继续以相同的速率将垫片应力加载至10MPa，保持5min，至泄漏率稳定后测量泄漏率。

9.2.3将垫片应力以一定的速率（见4.6）卸载至5MPa，保持5min，至泄漏率稳定后测量泄漏率。

9.2.4按表3所示的有效垫片应力对垫片循环加载和卸载，直到完成160MPa 下的加载和卸载循环，或下一次加载值超过Q smax 为止。

表3
40bar 下确定Q min(L)和Q smin(L)时所需的加载和卸载垫片应力
加载有效垫片应力/MPa
卸载有效垫片应力/MPa
5不卸载1052010,54020,10,56020,10,58040,20,10,510040,20,10,5120不卸载140不卸载160
80,40,20,10,5
9.3有效垫片应力
有效垫片应力Q 按式（5）计算：
=A −[(×(v4)×s 2)/G ] (5)
式中：
Q A ——垫片压缩应力，单位为兆帕（MPa）；P ——介质内压，此处P=40bar；
d s ——垫片内径D i 、试验压板与垫片接触的内径或突面内径中的较大值，单位为亳米（mm）；
A G ——垫片的受压面积（见式4），单位为平方毫米（mm 2）。

9.4
Q min(L)和Q smin(L)的确定
9.4.1绘制有效垫片应力和泄漏率曲线，如图6所示。

图中L 的下标表示该密封等级允许的最大泄漏率，该值可随密封等级定义的不同而改变。

标引序号和符号说明：1——测量点；2——加载；3——卸载；4——L 0.0001时的Q min(L)；5——L 0.0001时的Q smin(L)；
Q ——有效垫片应力，单位为兆帕（MPa）；L ——泄漏率，单位为毫克每米每秒〔mg/(m·s)〕。

图6泄漏率与垫片应力图（内压为40bar）
9.4.2规定密封等级L 对应的水平线与图中实线（加载曲线）的交点即为维持密封等级L 所需的最小安装垫片应力Q min(L)，和虚线（卸载曲线）的交点即为维持密封等级L 所需的最小工作垫片应力Q smin(L)。

9.4.3其他泄漏率等级对应Q min(L)和Q smin(L)的值可通过插值获得。

9.5
其他内压下Q smin(L)的确定
选择其他内压进行测试时，也可获得对应的Q smin(L),并可绘制不同密封等级下有效垫片应力随测试内压的变化曲线，如图7所示。

标引符号说明：
P——介质内压；
Q——有效垫片应力。

与内压和密封等级的关系
图7Q
smin(L)
的测定
9.6高温下最小工作垫片应力Q
smin(L)
考虑长时间加热老化的装置见附录F的图F.1。

对于不需考虑热老化的材料，其高温测试时可用图C.1中室温泄漏装置中的金属材料和弹性体“O”型圈，该“O”型圈可用于300℃及以下温度。

高温下测试不同压力下的垫片泄漏率时，优先使用质谱仪，尤其是使用外置容器升压的情况。

的确定
10轴向热膨胀系数α
G
10.1对于金属垫片，直接选用有关材料性质手册的热膨胀系数值。

10.2其他类型的垫片可使用法兰金属的热膨胀系数值。

11静摩擦系数μG的确定
静摩擦系数的测定方法见附录G。

12试验报告
试验报告应至少包括以下内容：
a)本文件编号；
b)垫片类型和规格（若垫片为半金属垫片，说明其类型和具体结构）；
c)垫片尺寸；
d)垫片材料；
e)压缩曲线；
f)泄漏曲线；
g)垫片参数或垫片性能及相应的测试条件（垫片应力、温度、试验时间，模拟法兰的试验压板
刚度等），包括试验结果的单一值或多次试验的平均值；
h)试验后垫片的形状和尺寸，以及垫片变化，如裂纹、断层、分层、气泡和变形等（可附照片
说明）；
i)若使用非本标准试验压板，给出其详细信息；
j)测试者姓名；
k)测试日期；
l)实验室名称。

附录A
（资料性）
通用试验台
垫片参数测试通用试验台见图A.1。

标引序号说明：
1、3、7——试验台架；
2——测试装置；
4——定位装置；
5、6——载荷传感器和测量；
8——载荷控制；
9——对中球型接头；
10——液压缸；
11——液压控制。

图A.1通用试验台示意
附录B
（资料性）
压缩和压缩蠕变试验台
压缩、压缩蠕变和蠕变松弛试验台见图B.1。

标引序号说明：
1——加热器；
2——冷却块；
3——冷却剂通道；
4——保温层；
5——外套；
6——加热块；
7——EN10263-4中材料代号为1.7035的钢制可更换测试板；
8——试样；
9——定位器；
10——间隔块；
11——测量杆；
12——位移传感器；
13——加载装置；
14——力测量；
15——位移测量；
16——加热控制；
17——试验控制；
18——温度测量；
19——液压缸。

图B.1压缩、压缩蠕变和蠕变松弛试验台示意
附录C
（资料性）
室温泄漏测试试验台
室温泄漏测试试验台见图C.1。

标引序号说明：
1——液压缸；
2——定位装置；
3——试验垫片；
4——压力控制器；
5——压力测量；
6——质量流量计；
7——流量记录仪；
8——加载装置；
9——间隔块；
10——泄漏收集器；
11——O形环；
12——气体量管。

图C.1室温下泄漏测试试验台示意
附录D
（资料性）
允许使用可更换压板的泄漏测试试验台
允许使用可更换压板的泄漏测试试验台见图D.1。

标引序号说明：
1——O形密封环；
2——试验气体进口；
3——泄漏气体出口；
4——固定在试验区域外的压板。

图D.1允许使用可置换压板的泄漏试验台示意
附录E
（资料性）
服役条件下测得泄漏率的可转换性
为更精确地确定Q smin(L），允许在本文件正文测定Q smin(L)值步骤中使用规定泄漏率水平下的安装垫片应
力。

然而，本文件所测定的Q smin(L)值不可用于在实际服役条件下计算螺栓法兰接头的泄漏率。

附录F
（资料性）
模拟长期高温下密封参数Q smin(L)的测试试验台
的测试试验台见图F.1。

模拟长期高温下密封参数Q
smin(L)
标引序号说明：
1——液压试验机压板；
2——加热器；
3——进气口；
4——螺母；
5——衬垫；
6——碟簧；
7——垫片；
8——加长套管；
9——螺栓；
10——垫片密封；
11——取样点；
12——圆柱外壳；
13——波纹管密封。

图F.1热老化垫片密封参数的测量示意
附录G
（资料性）
的推荐方法
确定垫片静摩擦系数μ
G
垫片静摩擦系数μ
用于评估螺栓法兰连接平衡所作用的剪力和扭矩的能力。

对于采用浮动型螺栓
G
法兰连接，垫片和法兰之间的摩擦可限制各种外载的影响。

将第4章描述的试验装备与一外部加热板连接（如图G.1所示），即可用于本附录推荐的试验方法。

外部加热板可以通过液压张紧器沿径向移动，并插在两个的原有试验压板之间，垫片位于两试验压板的各一侧。

为了确定静摩擦系数，需要获知产生径向移动的径向载荷。

通过测量施加到垫片和中央压板上的轴向载荷，以及用于启动垫片径向移动的液压力，可以确定静摩擦系数。

试验步骤：
——施加初始垫片应力（如20MPa）；
——根据垫片类型施加合适的测试温度；
——将温度和垫片应力保持4h；
（如5MPa）；
——将垫片应力降至规定最小垫片应力值Q
s min(L)
——使用液压拉紧器产生径向力并移动试验压板（突发径向拉出）。

通过下列公式确定静摩擦系数。

标引序号说明：
1——试样；
2——液压张紧器；
3——夹具拉拔工具；
4——拉杆；
5——试验压板；
6——加热压板；
7——冷却压板；
8——可加热的中间压板。

图G.1摩擦试验的实验设备示意。