垫片密封设计的工程方法

迄今为止,螺栓法兰连接的设计都是为强度为依据的,并没有考虑连接是否紧密,本提出了表征垫片高温性能的基本方程和垫片密封性能实验数据的修正方法,在考虑工况,介质特性对连接性能影响的基础上,建立了基于最大允许泄漏率的垫片密封连接设计方法。     

高温法兰密封接头的可靠性分析

长期工作在高温下的螺栓法兰接头，由于密封垫片和螺栓的蠕变松弛，使得垫片上的残余应力逐渐减小，法兰接头的密封可靠性逐渐降低，并最终导致泄漏失效。在考虑垫片和螺栓蠕变的基础上，对法兰连接系统进行变形协调分析，建立了高温下法兰接头的变形协调方程，进而导出了泄漏率的极限方程；通过与法兰强度、螺栓强度的极限方程相结合，得出了利用Monte Carlo法计算高温螺栓法兰接头可靠度的方法，并给出了计算实例。     

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。     

螺栓法兰连接系统应力强度的研究

螺栓、法兰、垫片连接系统中各元件的应力大小和分布情况,是影响连接系统密封性能的主要因素。将非金属垫片的非线性性能及螺栓、法兰、垫片之间的变形协调关系考虑进去,建立了整个螺栓、法兰、垫片连接系统的有限元模型;研究在螺栓的预紧应力和连接系统的内压载荷作用下,螺栓、法兰、垫片的应力大小和分布情况,为定量研究接头的泄漏奠定基础。     

金属垫片泄漏模型理论研究

依据分形几何理论,结合不可压缩粘性流体层流流动理论,建立基于分形参数的金属垫片泄漏模型,该模型揭示了泄漏率与密封表面形貌之间的关系。研究表明,密封表面分形维数D越大,螺栓-法兰-金属垫片密封系统越不易发生泄漏,这对于法兰和金属垫片密封表面的加工具有重要指导意义。     

高温法兰连接系统的安全评定方法

根据国内垫片标准规定的泄漏率指标和美国PVRC对连接系统划分的紧密度等级,尝试定义了法兰连接系统的安全性等级.应用垫片力学本构方程、密封性能公式和高温下连接系统的变形协调分析方程,提出了以紧密性分析为基础的安全评定方法,为装置现役螺栓法兰连接的安全性评价提供了一个工具。     

某法兰连接结构更换保温层后的泄漏失效分析

针对某重整反应器封头高温螺栓法兰连接系统在运行半年、更换保温层并再次保温后发生的泄漏失效问题,在考虑法兰、螺栓等高温蠕变的基础上,应用瞬态热-结构分析方法探讨重整反应器螺栓法兰接头失效机制。结果表明:螺栓和法兰的高温蠕变对垫片接触应力的影响显著,但运行半年后最大垫片接触应力仍大于操作密封比压,因此高温蠕变不是造成泄漏的主要原因;更换保温层时外部降温幅度对垫片接触应力分布及大小有决定性影响,随着降温幅度的增大,保温后的垫片接触应力逐渐减小,有效密封宽度也随之减小;当降温幅度过大时,垫片接触应力将下降至小于垫片操作密封比压,垫片失去密封能力,因此更换保温层时降温幅度过大是造成泄漏的主要原因。     

螺栓法兰连接设计方法对比分析及国内研究现状综述

螺栓法兰连接接头是工业设备和管道中最常用的静密封连接方式,因为其结构简单和拆装检修方便的特点,在炼化、制药、食品等众多行业中得到了广泛的应用.简要介绍了螺栓法兰连接系统设计方法的发展历程,重点对比分析了3种主要螺栓法兰设计方法——Waters法、PVRC法以及EN13445-3附录G方法(EN1591法)的异同.ASME规范Ⅷ-1篇附录2给出了法兰强度的校核方法,但不能保证法兰连接密封的泄漏率;EN13445-3附录G方法不仅给出了螺栓法兰强度计算方法,还考虑了螺栓法兰连接的紧密性.近年来我国的专家学者在垫片泄漏计算模型、垫片性能参数及测试方法研究、螺栓载荷计算等方面取得了众多成果,也是探讨的重点内容.最后对基于控制泄漏率的螺栓法兰连接设计方法研究工作的重点方向进行了展望.     

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.     

吊装孔螺栓-法兰-垫片结构的泄漏率预测及参数优化

吊装孔是船舶舱室等设备结构的重要贯穿件之一,也是主要的泄漏源之一,因此有必要开展吊装孔螺栓-法兰-垫片密封结构的泄漏率预测和控制开展研究。将接触界面视作复杂微孔结构,基于多孔介质渗流理论确定了接触界面微孔结构及其变形与气体输运之间的定量关系,构建接触密封泄漏率机制模型。该模型综合考虑微观接触界面流动分析与宏观结构力学分析,且不依赖于实验回归系数,对非标准法兰密封结构设计具有重要指导意义。结合三维有限元力学分析,采用所提出的模型对吊装孔螺栓-法兰-连接结构的泄漏率预测,并定量分析多种因素的影响,包括螺栓预紧力、法兰宽度、垫片厚度、螺栓个数、螺栓直径等。计算结果表明:在其他条件不变的情况下,单独增大预紧力、垫片厚度或螺栓个数,可以减小高介质压力下的泄漏率,而改变螺栓直径对泄漏率基本没有影响。以最小泄漏率为指标,采用正交试验法对吊装孔密封结构进行优化设计,计算得出最优方案下的泄漏率与最大泄漏率相比下降了37%。     

垫片外缘最大应力对螺栓法兰连接结构泄漏率影响

螺栓法兰连接广泛的应用于石油化工等过程装备中,其是最重要的静密封连接形式之一,失效的主要原因是泄漏。利用有限元法对垫片的平均应力和外缘最大应力关系进行分析研究;采用解析方法预测螺栓法兰连接结构的泄漏率,并与试验结果进行对比,研究了垫片外缘最大应力与泄漏率之间的关系。结果表明,随着螺栓载荷的增加,法兰偏转程度增加,垫片平均应力与垫片外缘最大应力的差值逐渐增大;垫片外缘最大应力较平均应力对连接结构泄漏率影响更大。     

金属垫片密封机制研究

对金属垫片的泄漏形式和微观密封过程进行分析研究,并对金属垫片密封性能进行试验研究。研究表明:金属垫片密封泄漏形式主要是界面泄漏,而渗透泄漏通常可忽略不计;密封表面的表面形貌、压紧应力以及介质压力是金属垫片界面泄漏的主要影响因素,但密封表面的表面形貌对金属垫片密封效果影响比压紧应力和介质压力要显著得多。     

螺栓法兰金属垫片连接结构的紧密性分析方法

现行金属垫片的设计以垫片系数或线密封比压为依据,主要针对法兰强度问题,而没有定量泄漏和紧密性的概念,因此无法从理论上说明连接是否紧密。在金属垫片变截面泄漏通道的泄漏率计算公式、接触应力分布的解析算法以及连接结构变形协调分析的基础上,建立连接系统的紧密性分析方法。实例分析表明:通过增加垫片应力(即提高螺栓载荷),可降低连接的泄漏率,但当垫片应力水平较高时,效果并不显著。对于密封性要求高的连接,可以采用表面较光滑的垫片。以最大允许泄漏率为设计准则的设计方法与以强度为设计准则的规范设计方法相结合,有可能发展成为一种新的密封连接设计方法。     

垫片密封失效反应论模型

提出了垫片密封系统寿命,即有效使用时间的概念,将反应论模型应用于垫片密封系统,建立了系统失效模型,得到了泄漏率与时间的函数关系以及密封系统寿命的数学表达式。     

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.     

Fuzzy Logic Application in Gasket Selection and Sealing Performance

The paper presents the concept for and the implementation of a fuzzy logic approach in the selection of gaskets, for their sealing performance, based on system requirements. Gasket sealing performance is complex, owing to numerous parameters affecting the gasket sealability. A fuzzy decision support system (FDSS) and its application to the selection of sets of optimal parameters for the joint connections are described. The FDSS is based on the compositional rules of inference, which take into consideration the fact that many unknown parameters have an influence on the gasket sealing performance. The paper outlines the complex nature of gaskets, justifying the need for a predictive system capable of dealing with vague information and providing precise results. It also presents a new methodology for proper gasket selection for a given set of operating conditions, e.g. applied load, gas pressure, and leakage rate.     

金属垫片密封研究进展

介绍了金属平垫、椭侧垫、八角垫、“O”形环、双锥环、透镜垫等金属垫片密封的国内外研究进展，提出了金属垫片密封机理和泄漏模型研究以及垫片密封比压的确定是值得重视的研究课题。     

密封垫片高温综合性能试验机的研制

在总结分析目前国内外密封垫片综合性能评价技术的基础上,利用低压区作为密封测漏腔,克服高压区密封腔由于密封难带来试验误差大的问题,自主研制一种高温垫片综合性能试验机.介绍该试验机的设计原理和特殊功能,采用高斯误差估计方法对试验机的泄漏率测量范围和精度进行计算,并利用该试验机对不锈钢柔性石墨缠绕垫片和石棉橡胶板垫片的高温综合性能进行试验评定.试验结果表明,所研制的密封垫片高温综合性能试验机能够准确进行垫片的压缩回弹性能、蠕变性能和密封性能测试,为静密封连接的泄漏预测与控制提供可靠的试验依据.     

一种基于等效平行间隙的静密封漏率预测方法

工程中由于密封件形状多样化和表面接触压力复杂多变,现有分析方法难以快速对密封性能进行定量分析。提出一种将密封接触压力引起的粗糙表面泄漏间隙变化等效为平行泄漏间隙,进而采用可压缩雷诺方程进行漏率计算的方法。该方法可快速计算各种工况下的密封性能。通过设计测量漏率实验,标定出接触压力和泄漏间隙的关系。基于该关系,将由有限元模型计算得到的密封接触压力分布转变为等效平行泄漏间隙分布,进而通过雷诺方程计算出密封界面的漏率。通过D形截面垫片验证漏率预测方法的准确性,实验验证表明,该方法能够快速准确计算出不均匀密封接触压力表面的漏率。