金属缠绕式垫片分级技术研究

结合法兰连接实际，按照ASME B16．20对缠绕式垫片压缩的要求，在对管法兰用缠绕式垫片的预紧应力进行分析的基础上，提出了缠绕式垫片的分级技术。并对通过调整垫片结构及控制制造工艺，使其力学性能与紧固件的要求一致，从而使法兰接头达到密封性要求的技术进行了试验研究。     

低压管法兰用缠绕式垫片的试验研究

结合法兰连接的实际,按照ASME B16.20对缠绕式垫片压缩的要求,对低压管法兰用缠绕式垫片的预归应力进行了分析,并就如何通过垫片工艺结构的调整,使其机械性能与紧固件的要求相一致,从而使法兰接头符合操作时的密封性要求进行了试验研究。     

高压管法兰用缠绕式垫片的试验研究

分析了高压管法兰用缠绕式垫片的预紧应力，通过试验研究调整了垫片的工艺结构使其机械性能与紧固件的要求一致。     

高温螺栓法兰连接的紧密性评价方法

提出了高温螺栓法兰连接的紧密性概念;试验研究了柔性石墨填充缠绕式垫片、金属冲齿板柔性石墨复合垫片和金属包覆垫片的压缩回弹性能、蠕变性能和基本密封性能;通过试验数据的回归分析得到了垫片高温性能表达式;将试验得到的垫片变形特性和泄漏特性统一于螺栓法兰连接中进行系统分析,建立了紧密性评价方法。该方法不仅可对在役螺栓法兰连接的泄漏状况作出评价,而且为密封连接的设计、新型垫片的开发以及垫片性能的评价提供了借鉴。     

关于GB4622.1～4622.3—93《缠绕式垫片》的贯彻

本文全面阐述了国标《缠绕式垫片》尺寸系列的两个体系;垫片结构型式与法兰密封面关系;垫片性能指标的关系;新旧垫片标准的过渡与处理以及垫片新标准的贯彻等问题。着重介绍如何理解及使用新的缠绕式垫片国家标准,如何解决新旧标准及相关标准间的关系,以期探索出一些新途径来推动标准的顺利贯彻。     

缠绕式垫片设计系数的确定

基于缠绕式垫片螺栓法兰系统紧密性的简化分析,导出了满足许用泄漏率要求时螺栓预紧载荷与垫片残余压紧力的变化关系,根据不锈钢缠绕柔性石墨垫片实验结果,按现行国家规范相同的垫片系数m取值,提出了垫片预紧密封比压Y值的确实方法和可供设计使用的Y─P图。     

换热器用新型波齿复合垫片

1 概述通常换热器上使用的垫片有两种基本型式,一是普通法兰连接用垫片,主要用于单管程换热器的法兰或多管程换热设备的头盖、管侧等部位的法兰连接处。另一种是带隔条的换热设备专用垫片,主要用于多管程换热设备的管箱或小浮头法兰连接处。目前炼油厂换热设备上使用的垫片主要系各种耐油石棉橡胶板、铁包垫、缠绕式垫片等。     

缠绕式垫片分级设计制造理论和技术

通过不同材料、不同结构的组合以及制造工艺参数的合理选择,可制成不同性能的缠绕式垫片以适应不同介质、不同工况的使用要求。提出了缠绕式垫片分级设计与制造的概念,建立了基于垫片结构参数和生产工艺参数优化以及螺柱凸缘联接紧密性分析方法的分级设计制造理论,探讨了相关技术。实践表明,该技术的推广应用可有效提高缠绕式垫片的设计、制造和使用水平。     

缠绕式垫片压缩率的不确定度评定

根据缠绕式垫片压缩率算法的数学模型,对带内外环型缠绕式垫片压缩率的不确定度进行了分析,讨论影响压缩率不确定度的主要因素,为改善测试结果精度提供了参考。     

外弯矩和蠕变对螺栓法兰连接紧密性的影响

螺栓法兰连接是石油化工机械设备等工业装置中最重要的静密封连接形式之一,其失效的主要原因是泄漏.在考虑垫片的非线性和连接结构部件(法兰、螺栓和垫片)蠕变的基础上,采用ABAQUS软件对承受外弯矩作用的螺栓法兰连接结构进行了三维数值模拟,研究了外弯矩和蠕变对连接结构紧密性的影响.研究结果表明,外弯矩使连接结构垫片应力分布不均匀,蠕变进一步加剧了应力分布的不均匀性并使垫片应力减小;受拉侧垫片应力减小导致了连接结构的泄漏.     

金属石墨缠绕垫片蠕变对法兰接头密封性能的影响

法兰接头在高温环境中工作时,接头各个部件的蠕变松弛会加剧,然而在法兰接头的研究中,大多没有考虑垫片的蠕变松弛。以金属石墨缠绕垫片为例,在不同温度及不同初始密封比压情况下进行蠕变松弛性能试验;将试验结果进行拟合得到垫片蠕变松弛性能计算公式,将其代入法兰接头变形协调方程中,计算得到接头蠕变2年的螺栓力随时间的变化情况。使用ANSYS软件建立法兰接头有限元模型,并计算不同部件蠕变2年所造成的螺栓力的松弛情况。理论计算结果与有限元计算结果相近,表明建立的理论模型可用于接头螺栓力松弛的评估。研究结果表明：初始密封比压相同时,温度越大则垫片的蠕变量越大,温度相同时,初始密封比压越大则垫片的蠕变量越大;垫片蠕变对法兰接头有显著影响,在一些情况下仅垫片蠕变就能使螺栓力下降40%,因此垫片蠕变对法兰接头的影响不能忽略。     

基于泄漏率的法兰密封结构垫片参数试验研究

对于压力容器的法兰密封结构而言,预紧比压y和垫片系数m是其设计时依据的两个重要垫片参数,现行压力容器设计规范ASME VIII卷中给出的y和m取值是经验值,且未能与泄漏率关联。对现有基于泄漏率的垫片参数标准试验方法进行分析,指出了其存在的不足之处,开展了石墨缠绕垫片在不同介质压力、不同加卸载循环下的密封性能试验,提出了一种更加贴合工程实际的垫片参数y和m的试验方法。通过对不同垫片初始表面应力下泄漏率与垫片系数m之间关系的拟合,得到满足不同紧密度等级所要求的y和m值,并对y和m取值进行优化使其更加方便工程应用。新的垫片参数试验方法考虑了y和m之间的关联关系,可更加准确全面地反应垫片特性,为开展基于泄漏率的法兰密封结构设计,降低石化装置泄漏率提供支持。     

法兰连接系统理论分析和实验研究

对螺栓法兰连接系统进行受力分析，导出变形协调方程，通过计算，分析垫片压紧应力、泄漏率和介质压力之间的关系，并与刚性法兰系统的实验结果相比较。同时对不同工艺参数下的石墨缠绕垫片性能进行分析。     

Effect of Surface Characteristics on Compressive Stress and Leakage Rate in Gasketed Flanged Joints

The effect of surface characteristics on compressive stress and leakage rate in gasketed flanged joints is discussed qualitatively and quantitatively based on experimental verifications. The sensitivity of the sealing phenomenon to the sealing surface characteristics, gas pressure and stress level is presented. Sealing surfaces produced with grinding, turning and milling procedures of different roughness values were the subject of the tests with three types of gasket, namely, PTFE (polytetrafluoroethylene), graphite, and spiral wound. The experimental results indicated that the roughness value Ra (average arithmetic height) has no effect on the sealing performance of the gasket, except for the ground type sealing surfaces. The platen (flange) surface forms were found to be the determining factor on the leakage rate and flow regime for gasketed flanged joints. It is shown that the surface characteristics have no effect on the leakage rate and on the gasket performance for the PTFE gasket at high stress levels. However, at low stress levels the rougher ground and milled sealing surfaces having radial channels on the surface produce larger leakage rates. The effect of surface characteristics, stress level, and gas pressure was more evident on the graphite and spiral wound gasket types, at both low and high stress levels. It is also shown that the leakage rate follows an exponential law as a factor of surface stress and gas pressure, for all sealing surface characteristics and gasket types. While there is little difference in the leakage rate for the PTFE gasket when the gasket stress level is increased by a factor of two, from S3 to S5, a substantial leakage rate reduction by a ratio of 17.5 times was observed for the graphite and spiral wound gaskets for most sealing surfaces. On the other hand, when increasing the helium gas pressure from 200 to 800 p.s.i., the leakage rate increased by 5 times for the PTFE, and up to10 times for the graphite and the spiral wound gaskets. It was determined that while molecular flow regimes can be achieved for the PTFE gasket for all sealing surfaces, the two other gasket types provided laminar flow under the same operating conditions.     

多试件垫片加速寿命试验装置试验垫片预紧应力误差分析

垫片是螺栓法兰连接系统的核心部件,对垫片寿命进行预测可提高连接系统的可靠性,而减小垫片寿命评价装置试验误差则可提高垫片寿命预测的准确性。以柔性石墨缠绕垫为例,研究多试件垫片加速寿命试验装置的法兰和垫片厚度偏差、加载的同轴度偏差和垫片安装偏差对垫片上应力分布的影响,得到在不同温度和预紧应力下的载荷比,确定试验装置所允许的最大偏差;揭示温度和预紧应力大小对试验垫片预紧应力误差的影响,提出控制预紧应力误差的方法。结果表明：预紧应力误差都随着温度的升高而减小;法兰和垫片厚度偏差引起的预紧应力误差随着预紧应力增大而减小;试验装置加载的同轴度偏差和垫片安装偏差引起的试验垫片的预紧应力误差随着预紧应力增大而增大。以试验垫片预紧应力误差1%为指标,得到法兰和垫片之间的厚度偏差应控制在-0.02～0.005 mm之间,试验装置加载的同轴度偏差应不大于0.33 mm,试验垫片的安装偏差应不大于1.24 mm。对于其他种类垫片,也可以通过提出的方法确定法兰和垫片之间的厚度偏差、试验装置加载的同轴度偏差、试验垫片的安装偏差的范围。     

缠绕垫片外环发生翘曲的原因分析

建立缠绕垫片外环V型槽不对称情况下外环的受力模型,并进行受力分析和弯矩作用下的强度计算.通过理论计算,证明缠绕垫片外环V型槽不对称时,存在一个弯矩,使缠绕垫片外环发生翘曲,从而减小对缠绕垫片本体的回弹作用,影响缠绕垫片的密封性能,这是外环翘曲缠绕垫片容易产生泄漏的主要原因;根据材料的许用应力求出临界弯矩和临界偏移量,以及在临界弯矩下外环的最大挠度,从而可防止外环发生翘曲变形,对缠绕垫片的生产、标准制定具有指导意义.     

高温下螺栓-法兰-垫片系统密封性能研究

温度和内压载荷对螺栓法兰连接的密封性能有着显著的影响。采用有限元技术,对DN100mm,PN40 MPa的管法兰连接进行了热及结构分析,探讨了高温稳态工况下法兰、垫片和螺栓的温度分布,分析了预紧、加压和升温后的螺栓以及垫片的应力变化。结果表明,法兰、螺栓以及垫片沿径向存在温度梯度;内压作用后垫片应力明显降低;升温后垫片外侧应力减小,内侧应力增大;加压及升温后螺栓应力均增大。     

一种新型法兰连接垫片设计

垫片是法兰连接接口的重要密封元件,在螺栓预紧力的作用下对法兰密封面施加压紧力,由垫片填塞住法兰面凹凸不平的微观几何间隙来实现密封.文中对现有的垫片进行改进,采用一种金属波齿骨架与O型圈结合,石墨填充辅助密封的垫片结构.法兰接口的螺栓拉紧后,内侧O型圈变形量可达到40％以上,外圈橡胶圈变形接近30％,垫片能达到良好的密封效果,此时法兰接口的主要密封环节是由垫片内侧的橡胶圈在起作用.当橡胶圈的变形量达到使波齿骨架变形时,金属波齿骨架、O型圈和石墨材料三者共同起密封作用.