金属缠绕垫片失效形式及原因分析
金属缠绕垫片失效形式及原因分析
金属缠绕垫片失效形式及原因分析金属缠绕垫片由V形或W形不锈钢带和非金属填充料叠合，螺旋卷绕，始末端点焊而成。
主要的密封部位是由金属缠绕带和非金属填料带，交替缠绕在一起形成的，其中，金属缠绕带的通用材料为304SS 不锈钢和316L/316SS 不锈钢，非金属填料带的通用材料为石墨(Graphite)和四氟乙烯（PTFE ）。
具有良好的压缩－回弹性能，适用于温度、压力交变剧烈的密封部位，是管道、阀门、泵、换热器、塔、人孔、手孔等法兰连接处的静密封元件。
广泛应用于石化、机械、电力、冶金、造船、医药、原子能和宇航等部门。
在我公司特别是热力系统也得到了广泛的应用，取得了良好的密封效果，但是，不到规定使用周期发生密封失效的现象也还是存在的。
本文结合笔者多年的工作实践，对金属缠绕垫片的失效形式和原因进行剖析，以期找出相应的应对措施。
1·金属缠绕垫片的失效形式。
金属缠绕垫片的失效主要有以下几种：（1）金属缠绕垫片本身没有破损或者散卷，表面也没有明显的冲涮勾痕。
但是却受到过度挤压，失去弹性,回弹率为0。
（2）金属缠绕垫受压正常，无散卷现象，但是表面有冲涮勾痕，覆盖在表面的柔性石墨等非金属填料被介质冲掉。
（3）基本型金属缠绕垫出现破碎散卷现象。
（4）增强型金属缠绕垫的增强圈断裂，使得金属缠绕垫出现散卷。
2·失效原因分析。
我们知道，对于管道、换热器、阀门、塔槽等法兰连接处的静密封元件，当密封垫承受的预紧力（端面比压）小于密封介质的压力时，密封失效,发生泄漏；当垫片承受的预紧力（端面比压）大于密封介质的压力时，就能实现完全密封，泄漏为0。
所以密封的关键是始终使密封垫承受的预紧力不小于密封介质的压力，只要预紧力大于介质压力,就能实现良好的密封效果。
金属缠绕垫片由于具有良好的压缩－回弹性能，广泛应用于热力管道及压力交变剧烈的密封部位，密封效果明显优于其他的密封垫。
其密封效果综合取决于缠绕金属自身的压缩性、回弹性以及密封填料的塑性变形。
一起钢圈垫片开裂失效的原因分析
图1失效加氢钢圈垫片
表206Cr13的化学成分,wt.%
化学成分C Si Cr Mn Ni P
≤0.06≤1.0011.50~13.50≤1.00≤0.60≤0.035≤0.020表306Cr13热处理制度和力学性能
因失效件较小，无法进行常规力学性能测试，
度测试代替常规力学性能测试。
为对测试结果进行对比，找到一个相同材质的未开裂钢圈垫片，对开裂和未开裂两个钢圈垫片分别沿着环向顺时针打一系列硬度，测点序号3所示，发现开裂钢圈垫片的硬度值要高于未开裂钢圈垫片，且开裂钢圈垫片的硬度分布不均匀，最高值为
226HB，最低值为125HB，而未开裂钢圈垫片的硬度值比
3.5断口微观形貌分析
根据断口的微观形貌可知，靠内环附近的断口表面裂纹的沿晶开裂特征比较明显，图6断面上可以观察到明显
的沿晶界的二次裂纹，图中红色箭头所指的都是球状析出相脱落以后形成的小凹坑。
原因分析与讨论铁素体组织变成了马氏体组织，导致原本最高硬度为的钢圈垫片硬度达到最高226HB。
断面微观形貌分析表明，裂纹的起裂部位为晶粒的晶界处，属沿晶开裂。
图2钢圈垫片裂纹处的金相分析
图3硬度测量序号
图4对比试件硬度值分布图图5内环附近表面断口局部形貌
图6局部放大图
图7外环附近表面断口形貌图8侧边剪切唇最后断裂区。
金属材料失效分析
金属材料失效分析
金属材料是工程领域中常用的材料之一，但在实际使用过程中，金属材料可能
会出现各种失效现象，影响其使用性能和安全性。
因此，对金属材料失效进行分析具有重要意义。
本文将从金属材料失效的原因、常见失效形式以及分析方法等方面进行探讨。
首先，金属材料失效的原因主要包括内在因素和外在因素。
内在因素包括材料
的组织结构、化学成分、加工工艺等，这些因素可能导致材料在使用过程中出现断裂、蠕变、疲劳等失效形式。
外在因素则包括环境条件、工作载荷、温度变化等，这些因素也会对金属材料的性能产生影响，导致失效现象的发生。
其次，金属材料常见的失效形式包括断裂、蠕变、疲劳、腐蚀等。
断裂是指材
料在外部受力作用下出现破裂现象，主要包括静态断裂和疲劳断裂两种形式。
蠕变是指材料在高温和持续加载条件下发生塑性变形的现象，容易导致构件变形和失效。
疲劳是指材料在交变载荷下发生的断裂现象，是一种常见的失效形式。
腐蚀则是指金属材料在化学介质中受到侵蚀，导致材料表面产生损伤和腐蚀失效。
最后，针对金属材料失效的分析方法主要包括实验分析和数值模拟两种。
实验
分析是通过对失效样品进行金相分析、断口分析、物理性能测试等手段，来确定失效原因和形式。
而数值模拟则是通过建立材料的本构模型、载荷模型等，利用有限元分析等方法进行模拟，预测材料的失效行为和寿命。
综上所述，金属材料失效分析是工程领域中的重要课题，对于提高材料的可靠
性和安全性具有重要意义。
通过对金属材料失效原因、失效形式和分析方法的深入了解，可以有效地预防和解决金属材料失效问题，保障工程结构的安全可靠运行。
金属材料失效分析
金属材料失效分析金属材料是工程中常用的材料之一，然而在使用过程中，金属材料可能会出现各种失效现象，如断裂、疲劳、腐蚀等。
对金属材料失效进行分析，可以帮助我们了解失效的原因，从而采取相应的措施来预防和解决失效问题。
首先，我们需要了解金属材料失效的分类。
金属材料失效可以分为静态失效和动态失效两种。
静态失效是指在受到静态载荷作用下，金属材料出现破坏的现象，如拉伸断裂、压缩变形等。
而动态失效则是指在受到动态载荷（如振动、冲击等）作用下，金属材料出现疲劳、冲击破坏等现象。
其次，金属材料失效的原因也是多种多样的。
其中，设计缺陷、材料缺陷、应力集中、环境腐蚀等是导致金属材料失效的常见原因。
在设计阶段，需要充分考虑材料的选择、零件的结构和应力分布等因素，以减少设计缺陷对金属材料失效的影响。
同时，在材料制造过程中，也需要控制材料的质量，避免材料缺陷对失效的影响。
此外，应力集中也是导致金属材料疲劳失效的重要原因，因此需要采取相应的措施来减轻应力集中的影响。
环境腐蚀则是导致金属材料腐蚀失效的主要原因之一，因此需要选择合适的防腐蚀措施来延缓金属材料的腐蚀速度。
另外，对金属材料失效进行分析，需要运用一些分析方法。
常见的分析方法包括金相分析、断口分析、应力分析等。
金相分析可以帮助我们了解金属材料的组织结构和性能，从而判断材料的质量和性能是否符合要求。
断口分析则可以通过对断口形貌的观察和分析，了解失效的原因和方式。
应力分析则可以帮助我们了解材料在不同载荷作用下的应力分布情况，从而对失效进行预测和分析。
综上所述，金属材料失效分析是工程中重要的一环，对于预防和解决金属材料失效问题具有重要意义。
通过对失效的分类、原因和分析方法的了解，可以帮助我们更好地预防和解决金属材料失效问题，从而保障工程的安全和可靠性。
希望本文的内容能够对您有所帮助，谢谢阅读！。
第三章金属构件常见失效形式及其
第三章金属构件常见失效形式及其金属构件在使用过程中常常会发生各种失效，导致工件不能正常工作或失去使用价值。
常见的金属构件失效形式包括疲劳失效、蠕变失效、腐蚀失效、磨损失效和断裂失效等。
下面将对这些失效形式进行详细介绍。
疲劳失效是金属构件在经过多次循环加载下，由于应力集中、存在缺陷或工作环境存在震动等因素造成的失效。
这种失效形式往往是逐渐积累的，表现为构件出现裂纹，并逐渐扩展至断裂。
疲劳失效可以发生在各种工件上，如弯曲构件、轴类构件等。
为了防止疲劳失效，可以通过增加构件的强度、改变工作环境或提高构件的表面光洁度来减少应力集中。
蠕变失效是金属在高温和持续加载下的失效，主要表现为构件的材料发生塑性变形，导致尺寸增大、变形失效或破坏。
蠕变失效常见于高温合金构件、锅炉管道等工作在高温环境下的设备。
为了防止蠕变失效，可以通过提高材料的抗蠕变能力、降低工作温度或减少加载应力等措施来防止。
腐蚀失效是金属在化学环境中和电化学作用的影响下逐渐腐蚀产生的失效。
腐蚀失效可以表现为构件的表面出现腐蚀坑、腐蚀皮膜等，导致金属的强度和刚度降低，最终导致构件失效。
腐蚀失效在大气中、水中、酸碱溶液中等多种环境下都会发生。
为了防止腐蚀失效，可以通过材料的表面处理、涂层保护、选择抗腐蚀材料等措施来减少腐蚀的发生。
磨损失效是金属构件在与其他构件摩擦和磨擦过程中逐渐损耗，最终导致表面的粗糙度增加、尺寸的减小和形状的改变。
磨损失效常见于轴承、齿轮、刀具等工作在高速、高负荷和高温环境下的设备。
为了防止磨损失效，可以通过润滑剂的使用、提高表面硬度、减少工作条件下的振动和冲击等措施来减少磨损。
断裂失效是金属构件在受到应力超限或存在明显缺陷的情况下，由于应力集中、承受能力不足等原因导致的突然破裂。
断裂失效常见于焊接接头、薄壁结构等，造成的后果往往是灾难性的。
为了防止断裂失效，可以通过增加构件的强度、改善焊接质量、增加材料的韧性等措施来提高构件的承载能力。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究金属件的失效形式可分为四种：断裂、变形、疲劳和腐蚀。
本文将对这四种失效形式进行探究。
一、断裂断裂是金属件失效最常见的一种形式。
主要有静态断裂和疲劳断裂两种。
1. 静态断裂静态断裂是指在金属件承受静态载荷时发生的断裂。
静态断裂主要有几种形式：拉断、剪断和压断。
拉断是金属件在拉伸载荷作用下发生的断裂，一般发生在材料的强度不足处，由于应力集中造成的。
剪断是金属件在剪切载荷作用下发生的断裂，常见于螺栓连接处。
压断是金属件在受到压缩载荷作用下发生的断裂，常见于轴承连接处。
2. 疲劳断裂疲劳断裂是指金属件在循环载荷作用下发生的断裂。
疲劳断裂的特点是在应力远低于金属的屈服强度下，由于长期循环应力的积累使金属产生微小裂纹，最终导致断裂。
疲劳断裂常见于金属复杂循环应力的作用下，如车轮、飞机机翼等工程结构。
二、变形变形是金属件在外力作用下发生的形状改变。
主要有塑性变形和弹性变形两种。
1. 塑性变形塑性变形是指金属件在外力作用下，应力超过材料屈服强度时发生的形状改变。
塑性变形一般是可逆的，即在外力作用取消后，金属件会恢复到原来的形状。
塑性变形常见于金属的拉伸、压缩和弯曲等加工过程。
三、疲劳疲劳是金属件在循环载荷作用下发生的形状改变，不同于疲劳断裂，疲劳主要表现为材料的硬度和强度下降。
疲劳常见于金属循环载荷作用下的材料，如弹簧、扭矩杆等。
疲劳的形成主要有以下几个因素：1. 材料内部的缺陷如夹杂、孔洞等，会导致应力集中，从而加速材料的疲劳损伤。
2. 应力幅值和应力集中是材料疲劳的重要因素，应力幅值越大，材料疲劳程度越严重。
3. 材料表面的处理和涂层可以增加材料的抗疲劳能力。
四、腐蚀腐蚀是指金属表面与周围环境中的化学物质发生反应，导致金属的表面和内部发生物理或化学性质的改变。
腐蚀可分为常温腐蚀、高温腐蚀和电化学腐蚀等。
腐蚀对金属的影响主要有以下几个方面：1. 降低了金属的强度和硬度。
2. 引起金属表面的裂纹和脆化，导致疲劳断裂。
浅谈金属缠绕垫片
1 引言 随着现代化工业不断发展，特别是近代化工行业、核能工业、电力工业等的飞速发展，这些行业所用的设备装置也不断的向更高温、更高压和大型化、对设备的密封不断提出新的要求。
金属缠绕垫片巧妙的利用了金属材料的耐热性、回弹性、强度和非金属材料的柔软性，具有良好的密封性能，广泛应用于压力和温度波动较大的场合。
特种设备安全技术规范TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中3.2.5条中明确规定盛装液化石油气、毒性危害程度为极度和高度危害介质以及强渗透性中度危害介质的压力容器的管法兰垫片选用带加强环的金属缠绕垫。
可见金属缠绕垫片的重要性。
然而实际应用过程常出现泄漏、散架等失效问题。
我们可以通过对金属缠绕垫片生产制造、密封原理、密封过程变化的了解，从而减少和避免垫片失效而引起的安全事故。
2 金属缠绕垫制造 金属缠绕垫是由厚度为0.15~0.2mm 的金属薄带（08F、0Cr19Ni9、蒙乃尔合金等）和填充带（柔性石墨、聚四氟乙烯等）交替缠绕而成螺旋状，将金属带的始末端点焊而成。
国外亦称作螺旋垫。
钢带剖面形状有W 形和V 形。
W 形加工困难，国内绝大部分使用V 形。
浅谈金属缠绕垫片宋新军,甄继夏（威海化工机械有限公司,山东 威海 264203）摘 要：本文介绍了金属缠绕垫片生产制造、密封原理、密封过程的变化。
关键词：金属缠绕垫；制造；密封；压散DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2019.18.0333.3 缠绕密度 在制造缠绕式垫过程中，利用一定的压紧力将金属带和填充带缠绕在一起。
由于缠绕过程中的压紧力的大小不同，垫片缠绕的松紧程不同，也就是缠绕密度，即单位垫片宽度具有不同的缠绕圈数。
对于具有同一种缠绕垫片，由于不同缠绕密度，当受到相同的压缩载荷时，其压缩变形是不同的。
这就要根据不同的设计工况，设计不同缠绕密度垫片。
对于高压力工况下，需要密度高的缠绕垫片，以适应较高的螺栓载荷；反之，低压力工况下，只需密度稍低的缠绕垫片。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究金属件的失效形式有很多种，常见的有疲劳失效、腐蚀失效、磨损失效、松动失效、断裂失效等。
下面分别进行探究：1、疲劳失效：当金属构件受到外力的反复循环作用时，在外力的作用下，材料内部原子结构发生变化，产生裂纹并逐渐扩展，最终导致构件失效。
疲劳失效是金属零件最常见的失效形式之一，特别是在机械振动和反复载荷下易发生。
2、腐蚀失效：金属构件在存在腐蚀介质的环境下，其表面会产生化学反应，导致金属壁厚减薄，最终导致零件失效。
腐蚀失效有许多形式，如氧化腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀等。
3、磨损失效：金属构件在运行过程中，由于受到摩擦和剪切等力的作用，使得材料表面发生不同程度的磨损，从而减少材料壁厚和尺寸，最终导致零件失效。
磨损失效分为表面磨损和体积磨损两种，表面磨损包括磨损、腐蚀磨损和磨粒石磨损，体积磨损包括疲劳磨损和金属疲劳。
4、松动失效：金属构件在运行过程中由于振动、冲击等荷载作用，或由于其他原因导致连接处的螺栓、销轴、齿轮等零件发生位移，出现松动等现象，从而导致零件失效。
松动失效是很常见的设备失效形式之一，是由于零件之间的连接松动导致对未来运行产生严重的后果。
5、断裂失效：当金属构件受到超载或者由于其他原因导致产生裂纹时，金属材料在裂纹处发生断裂，这种失效形式称为断裂失效。
断裂失效位置通常在应力集中处，包括冲击断裂、塑性断裂、脆性断裂等几种类型。
断裂失效发生后，易导致整个设备的失效。
综上所述，金属件的失效形式是多种多样的，每种形式都有着不同的失效机制和特点。
在实际应用中，对不同失效形式进行预防和控制是保持机器设备长寿命和安全运行的必要手段。
缠绕式垫片的制造质量问题和失效案例分析
收稿日期： 2016-10-06 修稿日期： 2017-08-28文章编号：1005-0329（2017）10-0054-04缠绕式垫片的制造质量问题和失效案例分析孔 建，何 松，詹 玲（合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031）摘 要： 根据多年来对缠绕式垫片产品的监督抽查检测情况，总结出产品在加工制造中经常出现的钢带冒出、皱褶、压痕、伤痕与划痕、内圈钢带绕圈过多等质量问题；列举了缠绕式垫片的典型失效案例，如翘曲、滑移剪切，并进行了相应的失效案例分析，提出了预防措施；并对产品的制造应用提出了希望和建议。
关键词： 缠绕式垫片；生产应用现状；失效分析中图分类号： TH137 文献标志码： A doi ：10.3969/j.issn.1005-0329.2017.10.011Quality Problems and Failure Cases Analysis of Spiral Wound GasketsKONG Jian ，HE Song ，ZHAN Ling（Hefei General Machinery Research Institute ，Hefei 230031，China ）Abstract： Based on years of supervision and inspection of spiral wound gasket product test ，summed up the strip often appear in the manufacture of smoke ，wrinkles ，indentation ，scars and scratches ，inner quality problems such as excessive steel coils; lists the typical spiral wound gasket failure cases ，such as warping ，shear slip ，and the corresponding failure analysis the preventionmeasures are put forward; the last hope and we put forward some suggestions on the application of product manufacturing.Key words： spiral gasket ；production and application status ；failure analysis1 前言随着我国海洋资源开发能力的提升，现代煤化工烯烃转化技术的广泛应用以及石油化工炼制产品等技术的发展［1］，海水、油气、矿产和生物资源等管道运输工程逐年增多。
(完整word版)垫片密封的失效分析
垫片密封的失效分析泄漏是指被密封介质和所处的介质空间，在内外两个空间之间进入介质流动。
单位时间内泄漏的介质量称为泄漏率。
通常介质通过两个空间的接触面即密封面发生泄漏。
造成泄漏的因素主要有两个：一是密封面上存在间隙，二是密封面两侧有压力差或浓度差。
在实际操作工况下，密封面两侧存在压力差或浓度差是在所难免的；所以，要想提高密封的可靠性，只能尽量减小密封面上存在的间隙，一方面可以通过提高密封面的加工精度来减小间隙,但这由于受到机器设备的限制，只能提高到一定的程度，所以密封面还有微小间隙，这部分微间隙必须通过压紧垫片，使垫片产生压缩回弹变形来填补密封面微小凹凸不平的间隙，从而实现了密封。
垫片密封是石油化工设备和管道中最常用的连接形式，一般由被联接件(法兰)、密封元件(垫片或垫环)和联接件(螺栓一螺母)等三部分组成，称为螺栓一法兰一垫片连接系统，如图3.1所示。
其密封机理是通过拧紧连接螺栓从而使法兰密封面压紧垫片而实现密封的。
由于螺栓法兰垫片连接系统是非一体化结构，如果对各个密封元件的选用不当，或者安装不规范，这都会导致密封的可靠性降低，进而导致介质泄漏。
由于法兰的两个接触面即使经过精细加工,它们之间也会因微小的凹凸不平而形成微小的间隙。
这种微小的间隙就是导致流体介质泄露的主要原因。
垫片的作用就是在螺栓预紧后产生弹塑性变形，填补由于法兰接触面凹凸不平而造成的间隙，以阻止流体泄漏，达到密封的目的。
从法兰密封机理来分析，泄漏是客观存在的，而我们所要做的是尽可能控制泄漏量，以使其达到最小。
2016.6.螺栓——法兰——垫片连接系统失效的主要形式是强度失效和密封失效。
一般来说，连接系统的失效很少是因为强度不足引起的，主要是由系统的泄漏而导致的密封失效。
一、强度失效往往一个完整的螺栓——法兰——垫片连接系统由螺栓、垫片和法兰这三部分组成，因此，连接系统出现的强度失效也就是由这三部分引起的。
故而，以下将针对这三部分分别予以研究。
垫片密封失效分析及垫片的选用
（２）正确的安装垫片 安装时垫片和法兰表面要保持洁净；应检查毽片表面 是否有径向的划痕，法兰表面粗糙度是否合适，法兰面的凸 台是否对准；密封平面的平行度是否满足使用垫片型式的 要求；检查垫片的形式、材料、尺寸和螺栓是否符合规定的 要求；安装时将垫片放人正确的位置，螺栓须对称逐渐拧 紧，如需一定的螺栓应力，则应使用力矩扳手，以获得正确 的螺栓预紧力。 （３）垫片应合理储存 非金属垫片必须储存于干燥凉爽的地方，不要直接暴 露于阳光下或有臭氧的地方，应该平放『疗ｉ不能挂在钩上，储 存期超过２ ａ须榆查是否已经变质；储存垫片的箱盒必须 标明垫片的材料、形式、尺寸、及温度、压力等级等技术数 据，以免用错。
２０００：３６－－４１．
万 方数据
２００９年第３期
赵春梅．垫片密封失效分析及垫片的选用
５５
径，都能提高法兰抗弯刚度及抗变形能力【１】。 垫片的硬度应低于法兰硬度，在允许范围内，二者之间 相差越大．实现密封就越容易。 １．５密封面没有达到相应要求 法兰密封面的形状和粗糙度应与垫片相配合，一般与 金属垫圈接触的密封面，要求尺寸精度很高，粗糙度在 Ｒａ６．３，３．２，而软质垫片的密封面精度可低些，粗糙度Ｒａ２５— １２．５即可。但密封面必须避免径向机械刻痕、毛刺和其他机 械损伤。 密封面的平直度和密封面与法兰轴线的垂直度是保证 垫片均匀压紧的前提，因此在设计、安装时必须考虑管线热 膨胀造成的推力或偏心力的影响。 密封面不洁净，有机械损伤和腐蚀损坏以及残留的旧 垫片，也会导致垫片密封失效。 ２预防垫片密封失效的措施 由于垫片密封失效问题轻则引起静密封点的跑、冒、 滴、漏，严重者可能造成装置停工，甚至造成重大的火灾、爆 炸、中毒等安全事故。要防止垫片失效，必须注意３个方面 的问题。 （ｉ）合理选用垫片，必要时将垫片升级使用 对于输送易燃、易爆、剧毒及强腐蚀介质的设备、容器、 管线上，不允许使用石棉橡胶垫片，应根据操作条件来提高 垫片的耐温、耐压等级．即选用更高温度压力等级的垫片； 对于有应力松弛，压力、温度波动的介质，即使中低压场合， 也应选用具有良好的回弹性的耐高温高压的缠绕式够片。 使用金属垫片时，应在完全退火的状态下使用，尽可能选用 较软的金属材料，金属垫片的硬度宜比法兰硬度低
发动机 金属波形垫片 原因
发动机金属波形垫片原因
发动机金属波形垫片是指安装在发动机气缸盖和气缸体之间的金属垫片，它的作用是填补气缸盖和气缸体之间的不平整表面，确保气密性和密封性。
那么，金属波形垫片出现问题的原因可能有多个方面：
1. 磨损，长时间使用后，金属波形垫片可能会因为磨损而失去原有的密封性能，导致发动机漏气。
2. 腐蚀，金属波形垫片可能会受到发动机工作环境中的高温、高压和化学腐蚀的影响，从而导致腐蚀损坏。
3. 安装不当，如果金属波形垫片在安装过程中受到损坏或者安装位置不正确，也会导致其失去密封性能。
4. 过热，发动机过热可能会导致金属波形垫片变形或损坏，进而影响其密封效果。
5. 材料质量，金属波形垫片的材料质量不良或制造工艺问题也可能导致其在工作中出现问题。
总的来说，金属波形垫片出现问题的原因可能是由于磨损、腐蚀、安装不当、过热或者材料质量等多种因素共同作用所致。
因此，定期检查和维护发动机，以及正确安装和选择高质量的金属波形垫
片是保证发动机正常运行的重要措施。
泵法兰用金属缠绕垫失效问题研究
• 42 •2020年第1期泵法兰用金属缠绕垫失效问题研究孔涛何明辉潘再兵(上海凯士比泵有限公司，上海；200245)摘要：在某铜冶炼现场发生垫片失效事故，直接原因是泵进出口的突面法兰安装了不带有内外环的基本型柔性石 墨金属缠绕垫，这不符合垫片使用标准的规定。
为研究垫片失效的根本原因，对螺栓法兰垫片联接系统进行了热及结 构的有限元分析。
根据金属缠绕垫的压缩回弹特性，按照材料非线性进行基本型垫片的模拟。
为研究内外环影响，采 用线性化垫片模拟带有内外环的受力过程；为研究流体影响，通过CFD计算了法兰垫片间隙处过流的情况；为研究螺 栓预紧力的影响，采用非线性垫片计算了过大螺栓预紧载荷下的情况。
根据模拟结果，内外环对垫片的应力影响有限, 流体过流对垫片的冲刷作用也很小，而当法兰螺栓预紧力过大时，升温后垫片应力会继续增加，热载荷在螺栓预紧过 大时将对垫片产生额外附加载荷，这与现场运行一段时间后停机垫片失效特征一致，垫片失效的根本原因在于法兰联 接螺栓预紧力过大。
据此，现场施工中应强调力矩扳手的使用，加强对螺栓联接扭矩的安装指导，对设计中螺栓的等 级使用应加强说明，对基本型金属缠绕垫的使用应严格限制。
关键词：螺栓法兰垫片系统金属缠绕垫垫片非线性有限元分析中图分类号：T H311 文献标识码：A引言在某铜冶炼现场发生泵进口法兰用金属缠绕垫 片失效并致人身伤害事故。
泵组调试后首次运行约 40分钟，并在通水停机10分钟后泵进口法兰密封 垫瞬间爆裂（见图1)并致现场处于高温蒸汽笼罩状 态。
在历史上也发生过同类情况~,事故中使用了 不带加强圈的基本型金属缠绕垫，这不符合HG/T 20613《钢制管法兰用缠绕式垫片》标准中关于垫 片适用法兰密封面型式的要求。
标准要求对于突面 法兰密封面，需要采用带对中环型或带内环和对中 环型垫片[2]，基本型金属缠绕垫只能用于榫槽面配 对法兰。
图1现场垫片爆裂情况事故中的法兰垫片为常用的柔性石墨基本型金 属缠绕垫，在设计中选用垫片型号为AT604 360 x 410x4.5 A276 TYPE304-C,此垫片为带内外环的 V型柔性石墨金属缠绕垫片，填充料为柔性石墨，金属带为A276不锈钢。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究引言：在现代工业生产中，金属件广泛应用于各种机械设备中，承载着巨大的力和压力。
由于各种原因，金属件在使用过程中可能会出现各种不同的失效形式，影响设备的正常运行。
研究金属件的失效形式对于改善产品质量、提高生产效率至关重要。
本文将探究金属件常见的失效形式及其原因。
一、金属件的常见失效形式：1. 塑性变形：金属件在受到外力作用下发生塑性变形是一种常见的失效形式。
当金属件受到过大的载荷时，超过了其强度和硬度的极限，就会发生塑性变形，导致零部件变形失效。
塑性变形有屈服、蠕变、断裂等几种类型。
2. 疲劳破坏：金属件长时间受到交变载荷的作用，会引起疲劳破坏。
疲劳破坏是金属件在交变载荷下发生裂纹形成并扩展，导致分离或断裂。
疲劳破坏常发生在金属件表面、孔洞和切口等应力集中区域，如螺纹孔、焊缝等处。
3. 特殊环境腐蚀：金属件在特殊环境中（如高温、湿润、酸碱等）会发生腐蚀，导致金属局部失效。
腐蚀有很多种类型，如电化学腐蚀、氧化腐蚀、碳化、硫化等。
4. 渗碳层剥落：金属件表面渗入碳，形成硬度高、耐磨损的渗碳层。
在使用过程中，渗碳层会受到外力和热效应的影响，导致渗碳层剥落，降低金属件的使用寿命。
5. 轴承失效：轴承是金属件中常见的零部件，其失效形式包括磨损、疲劳、断裂等。
轴承失效会引起设备振动增大、摩擦增加等故障。
二、金属件失效形式的原因：1. 金属材料质量不合格：金属材料的质量是保证金属件正常使用的基础。
材料中的含杂质、非金属夹杂物和缺陷等都会导致金属件的强度和韧性下降，增加失效的风险。
2. 设计不合理：金属件的设计不合理是造成失效的另一个重要原因。
如设计的载荷超过了金属材料的承载能力、几何形状不合理导致应力集中等，都会导致金属件的失效。
3. 使用条件不恰当：金属件在使用过程中受到的载荷、震动、温度、湿度等环境条件都会影响其失效形式。
如超负荷使用、温度过高等都会导致金属件的疲劳破坏和腐蚀失效。
4. 加工工艺不合理：金属件的加工工艺是决定其性能和质量的关键因素之一。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究金属件是广泛应用于各种机械、仪器设备和工程建设中的零部件。
然而，由于环境、载荷和使用条件等因素的影响，金属件在运行中可能会发生失效。
本文将从金属件的失效形式入手，探究金属件失效的原因及防范措施。
1.疲劳失效疲劳失效是指在长期交替载荷作用下，金属件内部发生微小裂纹，最终导致裂纹扩展至金属截面，导致零部件失效。
疲劳失效与材料的强度、硬度、韧性等有关。
同时，载荷的幅值、频率和持续时间等也会对其产生影响。
在防范疲劳失效中，应注意减小内部应力集中的情况，控制材料的相关参数，调节载荷状况，以及定期进行检测和维护。
2.腐蚀失效腐蚀失效是指金属件在特定环境、温度和湿度下，遭受化学或电化学腐蚀作用，导致零部件出现腐蚀、破损等情况，对机械功能产生负面影响。
在防范腐蚀失效中，应注意选用抗腐蚀性能好的材料，加强物件工艺与表面处理，提高储存条件和周检等。
3.磨损失效磨损失效是指金属件表面与其他表面摩擦所产生的磨擦力，在长期作用下，导致金属表面破损、磨损，影响零部件的性能和寿命。
在防范磨损失效中，应注意加强材质选择，提高工作精度、加强润滑与检查保养。
4.变形失效变形失效是指金属件受到太大的载荷、挤压等因素，导致其变形、变形过大、折断等失效情况。
在防范变形失效中，应注意控制峰值载荷，加强温度控制，支撑力和固定力均匀等。
热疲劳失效是指长期高温下，金属件内部发生热应力、热膨胀等变化，导致零部件的性能明显变化或失效。
在防范热疲劳失效中，应注意在设计材料、加工工艺、温度控制等方面进行调整与优化，定期进行检查。
综上所述，金属件失效形式多种多样，原因也各不相同。
为了保证金属件的正常运转，应该建立完善的质量控制体系，加强对金属件的定期检测和维护，优化金属件的设计与加工工艺，选用质量高、耐用性好的材料，并采取相应的防范措施，以此来减少和避免金属件的失效发生，提高其使用寿命和安全性。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式是指在使用过程中由于各种因素的作用，金属材料发生了不可逆转
的变化，导致其性能下降甚至完全丧失的现象。
金属件的失效形式包括疲劳断裂、变形失效、蠕变失效、腐蚀失效等。
本文将对金属件的失效形式进行探究。
疲劳断裂是金属件最常见的失效形式之一。
疲劳断裂是指在交变的应力和应变作用下，金属材料经历了一些载荷循环后出现的断裂现象。
疲劳断裂通常会从金属表面开始并逐渐
向内扩展，最终导致金属件的完全断裂。
疲劳断裂的主要原因是金属材料的内部存在一些
微小的缺陷，这些缺陷在应力下会逐渐扩展形成裂纹，进而导致断裂。
变形失效是金属件的另一种常见失效形式。
变形失效是指在金属件受到过大的载荷作
用下，金属材料发生塑性变形或工程应变超过了其允许的范围，导致金属件的性能下降。
变形失效通常表现为金属件的强度降低、变形过大或失去原有形状等现象。
腐蚀失效也是金属件的常见失效形式之一。
腐蚀是指金属材料与环境中的化学物质发
生反应而导致金属发生氧化、腐蚀等现象。
腐蚀失效通常表现为金属件的表面出现腐蚀斑点、锈蚀、脱漆等现象，严重的情况下可导致金属件的完全破坏。
金属件的失效形式包括疲劳断裂、变形失效、蠕变失效和腐蚀失效等。
了解和掌握金
属件的失效形式对于预防和解决金属件失效问题具有重要的意义，有助于提高金属件的使
用寿命和可靠性。
在设计和制造金属件时，应考虑材料的强度和耐蚀性能，合理控制应力
和应变，并采取相应的防护措施，以降低金属件的失效风险。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式是指金属在使用过程中发生的各种损坏或破坏形式。
了解金属件的失效形式对于设计和使用金属件具有重要的指导作用。
本文将从以下几个方面对金属件的失效形式进行探究。
金属件的失效形式可以分为静态失效和动态失效两大类。
静态失效是指金属件在无外力作用下发生的失效，动态失效是指金属件在外力作用下发生的失效。
静态失效主要包括拉伸断裂、压缩断裂、弯曲断裂等形式；动态失效主要包括疲劳断裂、冲击断裂、蠕变断裂等形式。
拉伸断裂是指金属件在拉伸载荷作用下发生的断裂，断裂面大致呈现出倾斜的“鱼鳞状”特征。
拉伸断裂是常见的金属失效形式，其主要原因是金属材料在承受拉伸载荷时，超过了其强度极限，导致断裂。
压缩断裂是指金属件在受到压缩载荷作用下发生的断裂，其断裂面主要呈现压扁状。
弯曲断裂是指金属件在受到弯曲载荷作用下发生的断裂，其断裂面呈现为一侧拉伸，一侧压缩的特征。
除了上述失效形式外，金属件还可能出现腐蚀、变形、剥落等失效形式。
腐蚀是指金属在环境中受到氧化、溶解等化学反应而发生表面损坏的现象。
腐蚀会使金属件的强度和刚度降低，最终导致失效。
变形是指金属在受到外力作用时发生形状或尺寸的变化，可能导致金属件的功能无法正常发挥。
剥落是指金属表面的涂层、涂料等脱落或脱落的现象，可能导致金属表面暴露在环境中，引发腐蚀或其他形式的损坏。
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金属缠绕垫片失效形式及原因分析
金属缠绕垫片由V形或W形不锈钢带和非金属填充料叠合，螺旋卷绕，始末端点焊而成。
主要的密封部位是由金属缠绕带和非金属填料带，交替缠绕在一起形成的，其中，金属缠绕带的通用材料为304SS 不锈钢和316L/316SS 不锈钢，非金属填料带的通用材料为石墨(Graphite)和四氟乙烯（PTFE ）。
具有良好的压缩－回弹性能，适用于温度、压力交变剧烈的密封部位，是管道、阀门、泵、换热器、塔、人孔、手孔等法兰连接处的静密封元件。
广泛应用于石化、机械、电力、冶金、造船、医药、原子能和宇航等部门。
在我公司特别是热力系统也得到了广泛的应用，取得了良好的密封效果，但是，不到规定使用周期发生密封失效的现象也还是存在的。
本文结合笔者多年的工作实践，对金属缠绕垫片的失效形式和原因进行剖析，以期找出相应的应对措施。
1·金属缠绕垫片的失效形式。
金属缠绕垫片的失效主要有以下几种：
（1）金属缠绕垫片本身没有破损或者散卷，表面也没有明显的冲涮勾痕。
但是却受到过度挤压，失去弹性,回弹率为0。
（2）金属缠绕垫受压正常，无散卷现象，但是表面有冲涮勾痕，覆盖在表面的柔性石墨等非金属填料被介质冲掉。
（3）基本型金属缠绕垫出现破碎散卷现象。
（4）增强型金属缠绕垫的增强圈断裂，使得金属缠绕垫出现散卷。
2·失效原因分析。
我们知道，对于管道、换热器、阀门、塔槽等法兰连接处的静密封元件，当密封垫承受的预紧力（端面比压）小于密封介质的压力时，密封失效,发生泄漏；当垫片承受的预紧力（端面比压）大于密封介质的压力时，就能实现完全密封，泄漏为0。
所以密封的关键是始终使密封垫承受的预紧力不小于密封介质的压力，只要预紧力大于介质压力,就能实现良好的密封效果。
金属缠绕垫片由于具有良好的压缩－回弹性能，广泛应用于热力管道及压力交变剧烈的密封部位，密封效果明显优于其他的密封垫。
其密封效果综合取决于缠绕金属自身的压缩性、回弹性以及密封填料的塑性变形。
压缩率越大，回弹率越高，(最佳压缩率满足18％～30％，回弹率最大—--不小于17%)，则密封性能越好。
热力管道最大的特点是输送介质的压力和温度不会是恒定不变的,在相对稳定的工况下也会有波动，而在系统停用、投运的过程中，波动就更大。
当输送介质的温度和压力出现波动时，作用在密封垫片上的预紧力就会发生变化。
波动范围越大，预紧力的变化也越大。
（1）如果波动的趋势是使预紧力减小，由于金属缠绕垫片有良好的回弹率，会自动地补偿预紧力，在一定的范围内仍能实现良好的密封。
当金属缠绕垫片出现完全回弹时,介质
就会泄漏出去，一旦覆盖在垫片端面上的柔性石墨等非金属填料被冲掉，出现沟槽，密封就会永久失效。
（2）如果波动的趋势是使预紧力增大，在合理的范围内，会强化密封效果。
但是如果预紧力增加过大，使密封垫产生塑性变形而不再产生回弹，当工况再次发生波动时，将会产生泄漏，同上，一旦覆盖在垫片端面上的柔性石墨等非金属填料被冲掉，出现沟槽，密封就会永久失效。
（3）如果作用在金属缠绕垫上的预紧力足够大，密封垫将被压溃，基本型金属缠绕垫将出现散卷，密封永久失效。
对于增强型金属缠绕垫，由于增强圈的约束作用而受到强烈的挤压，如果增强圈的强度不足或质量有问题，增强圈有可能会断裂，密封垫散卷。
（4）基本型金属缠绕垫由V形或W形不锈钢带和非金属填充料叠合，螺旋卷绕，内外圈的始末端用高频点焊而成。
当使用在热力系统，由于输送介质的温度和压力始终处于波动状态之中，作用在密封垫上的预紧力处于交变波动工况中，也就是说，金属缠绕垫不停地处在压紧－松动－压紧···的状态之中。
内外圈高频点焊部位受到交变应力作用，当这种作用力持续一定的时间，焊接部位将会出现裂纹、断裂、脱落，当所有的点焊部位都断裂脱落时，金属缠绕垫就会散卷，密封永久失效。
基本型的金属缠绕垫90%是这样失效的。
只有10%是因为预紧力过大而压溃失效的。
3·应对措施。
金属缠绕垫片由于具有良好的压缩－回弹性能，所以是较好的静密封材料，其良好的密封性能在热力系统上最能得到体现。
对于基本型，其失效主要有两种原因：一是预紧力消失；二是缠绕金属散卷，散卷主要原因是交变的预紧力作用和预紧力过压溃所至。
所以针对不同的使用工况,选用不同的金属缠绕垫至关重要。
3.1在管道输送介质压力和温度变化不大的工况下，如工业给排水管道、工业煤气管道可以选用基本型的柔性石墨金属缠绕垫，但安装时要注意两点：（1）预紧力一定要适中，不能过小更不能过大，不能出现肉眼可见的偏压现象；（2）垫片不能安偏，确保密封介质不直接冲涮垫片内圈。
3.2在管道输送介质压力和温度变化较大的工况下，如热力系统管道，对于凸凹法兰，应选用带内增强圈的垫片柔性石墨金属缠绕；对于平法兰，应选用带内外增强圈的柔性石墨金属缠绕垫。
但是要注意以下几点：（1）内增强圈内径比通径大1～2mm 左右，外径比凹法兰最大凹面直径小0.5～1mm，以确保密封介质不会冲涮内增强圈。
（2）安装内外增强圈金属缠绕垫时，内增强圈内径应比通径大1～2mm，而且要注意对正，确保密封介质不会冲涮内增强圈。
（3）预紧力一定要适中，既不能过小使预力不够，又不能过大将垫子压溃，更不能出现肉眼可见的偏压现象。
（4）增强圈应选用低碳材料制成,保证焊接质量，确保在使用过程中增强圈不会破裂。
增强圈和金属缠绕垫间应压紧,不宜过松。
3.3在有腐蚀性的场所，应选用柔性PTFE不锈钢金属缠绕垫，增强圈必须选用相应的耐腐蚀不锈钢。
其他注意事项同上。