流体密封第三章过程装备和管道的静密封
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密 封 面 类 型
Ra /μm
min
max
全平面、突面、大凹凸面（车削） 榫槽面、小凹凸面 环连接面、O形凹面和槽面
3.2 0.8 0.4
12.5 3.2 1.6
<a> 有一定的粗糙度
管法兰密封面粗糙度的要求
3〕法兰的类型
分类方法 用途：容器法兰和管法兰； 密封面宽窄：宽面法兰和窄面法兰； 材料：金属和非金属,前者又分钢制、铸铁和有色金属； 形状：圆形、矩形和椭圆形； 制造：整体法兰和焊接法兰
我国最早的化工生产中使用的管道法兰标准是：HG5006～5026－58,其它74～90－59等 1988年颁布国家标准《钢制管法兰》GB9112～9131－88 1991年化工部颁布新标准HGJ44～76－91《钢制管法兰、垫片、紧固件》,这一标准存在与58年标准及国家标准不配套的问题,所以1997年重新修订HG20592～20635－97. 石化标准SH3401～3407－96
松套法兰
螺纹法兰
搭接法兰
板式平焊法兰
板式法兰
4〕法兰标准和选用原则
容器法兰和管道法兰两种
<1> 容器法兰标准
压 力 容 器 法 兰 4700～4707－92
4700－92 压力容器法兰分类与技术条件
适用范围：公称压力0.25~6.4MPa,工作温度-20~450℃ 分类：甲型平焊法兰,乙型平焊法兰,长颈对焊法兰 法兰、垫片、螺柱、螺母材料的匹配
第三章 过程装备和管道的静密封
3.1垫片密封〔Gasket seals〕
垫片密封 过程装备和管道可拆连接处主要的静密封型式
可拆连接,方便 年产250万吨的炼油厂,垫片密封有20多万个
3.1.1 概述
1 垫片密封的组成
垫片<gasket>、法兰<flange>、螺栓螺母<blot, nut>
如pN4.0的标准长颈法兰 用16Mn,200℃以下时pmax为4.00MPa,400℃时pmax为3.08MPa； 用20钢,200℃以下时pmax为2.90MPa,400℃时pmax为2.01MPa； 15MnMo,200℃以下时pmax为4.27MPa,400℃时pmax为4.00MPa.
法兰分类及系列参数
3.1.2 中低压设备和管道的垫片密封
垫片密封通常又称为法兰连接或法兰接头〔Flange jionts〕,国内外均有系列标准.
低压：0.1～1.6MPa； 中压：1.6～10MPa； 高压：10～100MPa； 超高压：大于100MPa
1 法兰连接结构型式和标准
1〕法兰密封面的型式
<a> 全平面型压紧面〔Flat face〕：柔软材料垫片,或铸铁、搪瓷、塑料等低压法兰场合. <b> 突出平面型压紧面〔Raised face〕：p≤2.5MPa,加三、四道周向沟槽后,可以提高密封压力.简单但不易对中,螺栓力大. <c> 凹凸型压紧面〔Male－female face〕：便于对中,垫片不易被挤出和吹出,p≤6.4MPa <d> 榫槽型压紧面〔Tongue－groove face〕：垫片窄,螺栓力小,安装简单,不会偏,且少受冲刷和腐蚀.但是结构复杂,更换垫片困难〔有小技巧：安装时在密封垫上涂石墨〕,适用于易燃易爆和高度或极度危害等重要场合. <e> 梯形压紧面〔Trapezium face〕：适用于高温,压力较高场合,O形圈、金属垫圈— —八角垫、椭圆垫
无泄漏工厂： 不能达标的泄漏点占总密封点的万分之五〔静密封〕以下或千分之二〔动密封〕以下
完整性－－整个结构的机械或热应力必须在材料允许范围内 密封性－－垫片应力必须使整个接头的泄漏率在允许范围内
垫片法兰设计
载 荷 结 构 垫 片 P、△ P、 T、△T 法兰、螺栓刚度 垫片系数 Fa Ma （类型、材料） 法兰计算 应力分析 密封分析 许用应力 允许紧密度 装配应力
〔a〕全平面
〔b〕突面
〔c〕凹凸面
〔d〕榫槽面
〔e〕环连接面〔梯形槽〕
突出平面型压紧面
凹凸面法兰连接
榫槽面法兰连接
榫槽型密封面
梯形槽密封面
金属与金属的接触〔Metal to metal〕
控制压缩垫片－－尽管存在垫片,在螺栓预紧后,法兰发生金属与金属的接触
主要特点：将垫片压缩到预定的厚度后,继续追加螺栓载荷直到与法兰接触.
显然这是一个静不定问题,很难理论求解,靠大型 有限元分析软件求解——ANSYS〔ANalysis SYStem〕
<a> 模型1
<b> 模型2
有限元模型
垫片应力的分布云图
垫片应力的分布云图
各弯矩下垫片应力的分布云图
法兰应力分布云图
螺栓受力云图
要求：完整性和密封性
不仅要保证各零件有一定的强度,使之在工作条件下长期使用不破坏,而且最基本的要求是在工作条件下,垫片密封系统有足够的刚度,控制泄漏率在允许多范围内,即达到"密封不漏".
甲乙型平焊法兰的最大允许工作压力
甲乙型平焊法兰的最大允许工作压力
法兰、垫片、螺柱、螺母材料匹配表
长颈对焊法兰的最大允许工作压力
长颈对焊法兰的最大允许工作压力
垫片
4704－92 非金属软垫片
4706－92 金属包覆垫片
4705－92 缠绕垫片
双头螺柱
4707－92 等长双头螺柱
<2> 管道法兰标准
垫片是一种夹持在两个独立的连接件之间的材料或材料组合,其作用是在预定的使用寿命内,保持两个连接件间的密封.
垫片、螺栓、法兰连接系统
2 垫片密封的泄漏方式：
密封面泄漏
渗透泄漏
渗透泄漏因材料本身特别是非金属材料的微观结构存在的微小缝隙或细微的毛细管而使压力流体发生的渗漏. 占总泄漏量的10～20％. 密封面泄漏两连接件表面<密封面>因机加工的粗糙度和变形形成泄漏通道而造成的流体泄漏. 占总泄漏量的80～90％. 吹出泄漏当夹紧垫片的总载荷因各种原因减少到几乎等于作用在接头端部的流体静压力,导致密封面的分离而引起的密封流体的大量泄放. 属于事故性泄漏
优点： a 当存在介质应力和温度波动时,垫片上的密封载荷不发生变化,以致接头保持在最佳的泄漏控制状态 b 同时螺栓不承受循环载荷,减少了发生疲劳或松脱的危险 c 减少了法兰的转角
2〕密封面应具备的表面性质：
<b> 法兰密封表面加工纹路：同心圆线或螺旋线 前者更好,但不易做到,绝不允许有径向划痕. 检修时一定要注意清理密封面残留物时不能有径向划痕.
垫片应力与变形的关系
δo －垫片预紧至σgi时的压缩量 δR －工作时σgo下的回弹量
理论上： 垫片预紧力越大,垫片中储存的弹性应变能也越大,因而可用于补偿分离或松弛的余地也就越大,当然要以密封材料本身的最大弹性承载能力为极限.
垫片密封工作原理的复杂性
1〕螺栓和螺母的摩擦关系复杂 依靠普通的拧紧工具,不可能精确控制和预测预紧力. 2〕各个零件的弹性制约 垫片像弹簧〔非线性〕,螺栓像拉簧,法兰在两个弹簧之间,其本身也像一个弹簧,并且还转动. 3〕受力复杂 螺栓力、垫片反力、流体压力,甚至有温度、重量等引起的弯矩.
预紧〔安装时〕：
为什么加垫片？
没有介质压力 螺栓拧紧,法兰压力作用在垫片上 垫片变形,堵塞泄漏通道,实现初始密封
螺栓力〔单个〕：F= σgi Ag / N 式中：Ag——垫片压缩面积；N——螺栓数目
拧紧螺栓的转矩：M=KFd 式中：K——系数；d——螺栓名义直径
垫片预紧应力〔Gasket seating stress〕 或初始垫片比压〔Initial gasket stress〕 或初始装配应力〔Initial seating stress〕
注意：管法兰标准制订了法兰的压力－温度等级,也规定了不同公称压力下法兰的最大允许工作压力,与容器法兰不同的是不管何种材料,其最大允许工作压力均小于公称压力.
复习思考题
1 垫片密封由哪些零件组成？ 2 为什么要在法兰之间装加垫片？ 3 简述垫片密封的工作机理. 4 垫片压力与变形之间有什么关系？ 5 法兰密封面主要有哪些型式？各有什么特点？ 6 什么是容器法兰的公称直径和公称压力？它们是如何规定的？ 7 容器法兰的最大允许工作压力与公称压力有什么关系？举例说明.
容器法兰公称直径：指与法兰相配的筒体或封头的公称直径.
压力容器的公称直径DN：
只要是确定了公称直径和公称压力,法兰的尺寸就确定了,不论何种材料.
公称压力pN：一定温度和材料的法兰的最高工作压力.
容器法兰的公称压力是以16Mn在200℃时的最高操作压力为依据制订的.
材料和使用温度不同时,最大允许工作压力将降低或升高
垫片上有足够的压力——σgi
工作时：
设备内有压力 螺栓伸长 垫片上的作用力减小,垫片回弹 但必须保证垫片有足够的工作应力,即密封不漏
工作垫片应力：பைடு நூலகம்
式中：p——密封介质压力； B——介质静压力作用面积； η——应力衰减系数.由于垫片材料在温度和应力作用下产生应力松弛所致
国际标准化组织颁布标准： ISO7005－1：1992 "金属法兰—钢法兰",法兰类型11种.
法兰的种类很多,主要用钢制圆形窄面法兰
<a>带〔长〕颈对焊法兰 <b>带颈平焊法兰 <c>带颈承插焊法兰 <d>板式平焊法兰 <e> 翻边环松套法兰 <f> 螺纹法兰 <g>平焊环松套法兰 <h>法兰盖
垫片作用机理： 弹塑性变形填补密封面上的凹凸不平压缩变形能力－压缩率 一定的刚性保持一定的形状和抵抗变形的能力防止在系统的满载压缩应力下被挤出密封面或压溃抗蠕变能力－蠕变松弛性能 受载补偿能力回弹能力－回弹率 总而言之,包括初始密封和工作密封
3 密封机理
法兰密封面粗糙 不绝对平行 密封面受力不均
Ra /μm
min
max
全平面、突面、大凹凸面（车削） 榫槽面、小凹凸面 环连接面、O形凹面和槽面
3.2 0.8 0.4
12.5 3.2 1.6
<a> 有一定的粗糙度
管法兰密封面粗糙度的要求
3〕法兰的类型
分类方法 用途：容器法兰和管法兰； 密封面宽窄：宽面法兰和窄面法兰； 材料：金属和非金属,前者又分钢制、铸铁和有色金属； 形状：圆形、矩形和椭圆形； 制造：整体法兰和焊接法兰
我国最早的化工生产中使用的管道法兰标准是：HG5006～5026－58,其它74～90－59等 1988年颁布国家标准《钢制管法兰》GB9112～9131－88 1991年化工部颁布新标准HGJ44～76－91《钢制管法兰、垫片、紧固件》,这一标准存在与58年标准及国家标准不配套的问题,所以1997年重新修订HG20592～20635－97. 石化标准SH3401～3407－96
松套法兰
螺纹法兰
搭接法兰
板式平焊法兰
板式法兰
4〕法兰标准和选用原则
容器法兰和管道法兰两种
<1> 容器法兰标准
压 力 容 器 法 兰 4700～4707－92
4700－92 压力容器法兰分类与技术条件
适用范围：公称压力0.25~6.4MPa,工作温度-20~450℃ 分类：甲型平焊法兰,乙型平焊法兰,长颈对焊法兰 法兰、垫片、螺柱、螺母材料的匹配
第三章 过程装备和管道的静密封
3.1垫片密封〔Gasket seals〕
垫片密封 过程装备和管道可拆连接处主要的静密封型式
可拆连接,方便 年产250万吨的炼油厂,垫片密封有20多万个
3.1.1 概述
1 垫片密封的组成
垫片<gasket>、法兰<flange>、螺栓螺母<blot, nut>
如pN4.0的标准长颈法兰 用16Mn,200℃以下时pmax为4.00MPa,400℃时pmax为3.08MPa； 用20钢,200℃以下时pmax为2.90MPa,400℃时pmax为2.01MPa； 15MnMo,200℃以下时pmax为4.27MPa,400℃时pmax为4.00MPa.
法兰分类及系列参数
3.1.2 中低压设备和管道的垫片密封
垫片密封通常又称为法兰连接或法兰接头〔Flange jionts〕,国内外均有系列标准.
低压：0.1～1.6MPa； 中压：1.6～10MPa； 高压：10～100MPa； 超高压：大于100MPa
1 法兰连接结构型式和标准
1〕法兰密封面的型式
<a> 全平面型压紧面〔Flat face〕：柔软材料垫片,或铸铁、搪瓷、塑料等低压法兰场合. <b> 突出平面型压紧面〔Raised face〕：p≤2.5MPa,加三、四道周向沟槽后,可以提高密封压力.简单但不易对中,螺栓力大. <c> 凹凸型压紧面〔Male－female face〕：便于对中,垫片不易被挤出和吹出,p≤6.4MPa <d> 榫槽型压紧面〔Tongue－groove face〕：垫片窄,螺栓力小,安装简单,不会偏,且少受冲刷和腐蚀.但是结构复杂,更换垫片困难〔有小技巧：安装时在密封垫上涂石墨〕,适用于易燃易爆和高度或极度危害等重要场合. <e> 梯形压紧面〔Trapezium face〕：适用于高温,压力较高场合,O形圈、金属垫圈— —八角垫、椭圆垫
无泄漏工厂： 不能达标的泄漏点占总密封点的万分之五〔静密封〕以下或千分之二〔动密封〕以下
完整性－－整个结构的机械或热应力必须在材料允许范围内 密封性－－垫片应力必须使整个接头的泄漏率在允许范围内
垫片法兰设计
载 荷 结 构 垫 片 P、△ P、 T、△T 法兰、螺栓刚度 垫片系数 Fa Ma （类型、材料） 法兰计算 应力分析 密封分析 许用应力 允许紧密度 装配应力
〔a〕全平面
〔b〕突面
〔c〕凹凸面
〔d〕榫槽面
〔e〕环连接面〔梯形槽〕
突出平面型压紧面
凹凸面法兰连接
榫槽面法兰连接
榫槽型密封面
梯形槽密封面
金属与金属的接触〔Metal to metal〕
控制压缩垫片－－尽管存在垫片,在螺栓预紧后,法兰发生金属与金属的接触
主要特点：将垫片压缩到预定的厚度后,继续追加螺栓载荷直到与法兰接触.
显然这是一个静不定问题,很难理论求解,靠大型 有限元分析软件求解——ANSYS〔ANalysis SYStem〕
<a> 模型1
<b> 模型2
有限元模型
垫片应力的分布云图
垫片应力的分布云图
各弯矩下垫片应力的分布云图
法兰应力分布云图
螺栓受力云图
要求：完整性和密封性
不仅要保证各零件有一定的强度,使之在工作条件下长期使用不破坏,而且最基本的要求是在工作条件下,垫片密封系统有足够的刚度,控制泄漏率在允许多范围内,即达到"密封不漏".
甲乙型平焊法兰的最大允许工作压力
甲乙型平焊法兰的最大允许工作压力
法兰、垫片、螺柱、螺母材料匹配表
长颈对焊法兰的最大允许工作压力
长颈对焊法兰的最大允许工作压力
垫片
4704－92 非金属软垫片
4706－92 金属包覆垫片
4705－92 缠绕垫片
双头螺柱
4707－92 等长双头螺柱
<2> 管道法兰标准
垫片是一种夹持在两个独立的连接件之间的材料或材料组合,其作用是在预定的使用寿命内,保持两个连接件间的密封.
垫片、螺栓、法兰连接系统
2 垫片密封的泄漏方式：
密封面泄漏
渗透泄漏
渗透泄漏因材料本身特别是非金属材料的微观结构存在的微小缝隙或细微的毛细管而使压力流体发生的渗漏. 占总泄漏量的10～20％. 密封面泄漏两连接件表面<密封面>因机加工的粗糙度和变形形成泄漏通道而造成的流体泄漏. 占总泄漏量的80～90％. 吹出泄漏当夹紧垫片的总载荷因各种原因减少到几乎等于作用在接头端部的流体静压力,导致密封面的分离而引起的密封流体的大量泄放. 属于事故性泄漏
优点： a 当存在介质应力和温度波动时,垫片上的密封载荷不发生变化,以致接头保持在最佳的泄漏控制状态 b 同时螺栓不承受循环载荷,减少了发生疲劳或松脱的危险 c 减少了法兰的转角
2〕密封面应具备的表面性质：
<b> 法兰密封表面加工纹路：同心圆线或螺旋线 前者更好,但不易做到,绝不允许有径向划痕. 检修时一定要注意清理密封面残留物时不能有径向划痕.
垫片应力与变形的关系
δo －垫片预紧至σgi时的压缩量 δR －工作时σgo下的回弹量
理论上： 垫片预紧力越大,垫片中储存的弹性应变能也越大,因而可用于补偿分离或松弛的余地也就越大,当然要以密封材料本身的最大弹性承载能力为极限.
垫片密封工作原理的复杂性
1〕螺栓和螺母的摩擦关系复杂 依靠普通的拧紧工具,不可能精确控制和预测预紧力. 2〕各个零件的弹性制约 垫片像弹簧〔非线性〕,螺栓像拉簧,法兰在两个弹簧之间,其本身也像一个弹簧,并且还转动. 3〕受力复杂 螺栓力、垫片反力、流体压力,甚至有温度、重量等引起的弯矩.
预紧〔安装时〕：
为什么加垫片？
没有介质压力 螺栓拧紧,法兰压力作用在垫片上 垫片变形,堵塞泄漏通道,实现初始密封
螺栓力〔单个〕：F= σgi Ag / N 式中：Ag——垫片压缩面积；N——螺栓数目
拧紧螺栓的转矩：M=KFd 式中：K——系数；d——螺栓名义直径
垫片预紧应力〔Gasket seating stress〕 或初始垫片比压〔Initial gasket stress〕 或初始装配应力〔Initial seating stress〕
注意：管法兰标准制订了法兰的压力－温度等级,也规定了不同公称压力下法兰的最大允许工作压力,与容器法兰不同的是不管何种材料,其最大允许工作压力均小于公称压力.
复习思考题
1 垫片密封由哪些零件组成？ 2 为什么要在法兰之间装加垫片？ 3 简述垫片密封的工作机理. 4 垫片压力与变形之间有什么关系？ 5 法兰密封面主要有哪些型式？各有什么特点？ 6 什么是容器法兰的公称直径和公称压力？它们是如何规定的？ 7 容器法兰的最大允许工作压力与公称压力有什么关系？举例说明.
容器法兰公称直径：指与法兰相配的筒体或封头的公称直径.
压力容器的公称直径DN：
只要是确定了公称直径和公称压力,法兰的尺寸就确定了,不论何种材料.
公称压力pN：一定温度和材料的法兰的最高工作压力.
容器法兰的公称压力是以16Mn在200℃时的最高操作压力为依据制订的.
材料和使用温度不同时,最大允许工作压力将降低或升高
垫片上有足够的压力——σgi
工作时：
设备内有压力 螺栓伸长 垫片上的作用力减小,垫片回弹 但必须保证垫片有足够的工作应力,即密封不漏
工作垫片应力：பைடு நூலகம்
式中：p——密封介质压力； B——介质静压力作用面积； η——应力衰减系数.由于垫片材料在温度和应力作用下产生应力松弛所致
国际标准化组织颁布标准： ISO7005－1：1992 "金属法兰—钢法兰",法兰类型11种.
法兰的种类很多,主要用钢制圆形窄面法兰
<a>带〔长〕颈对焊法兰 <b>带颈平焊法兰 <c>带颈承插焊法兰 <d>板式平焊法兰 <e> 翻边环松套法兰 <f> 螺纹法兰 <g>平焊环松套法兰 <h>法兰盖
垫片作用机理： 弹塑性变形填补密封面上的凹凸不平压缩变形能力－压缩率 一定的刚性保持一定的形状和抵抗变形的能力防止在系统的满载压缩应力下被挤出密封面或压溃抗蠕变能力－蠕变松弛性能 受载补偿能力回弹能力－回弹率 总而言之,包括初始密封和工作密封
3 密封机理
法兰密封面粗糙 不绝对平行 密封面受力不均