第三章过程装备与管道的静密封

第三章过程装备与管道的静密封第一页，共四十一页，2022年，8月28日前言1.垫片的定义垫片是一种夹持在两个独立的连接件之间的材料或材料的组合，其作用是在预定的使用寿命内，保持两个连接件间的密封。三点要求：密封结合面、对密封介质不渗透和不被腐蚀、能经受温度和压力的作用）由上图，垫片密封一般由（1）连接件（如法兰）、（2）垫片、（3）紧固件（如螺栓、螺母等）等组成第二页，共四十一页，2022年，8月28日第三页，共四十一页，2022年，8月28日决定某个接头的密封性时，必须将整个连接结构作为一个系统进行考虑垫片工作正常与否，除取决于垫片本身的性能外，还取决于系统的刚度和变形、结合面的表面粗糙度和不平行度、紧固载荷的大小和均匀性等所以，研究密封：把系统的各个结构单独分析特性，然后在整合到一起第四页，共四十一页，2022年，8月28日2.垫片密封的泄漏方式（1）界面泄漏：占总泄漏的80-90%（2）渗透泄漏：占总泄漏的10-20%（3）吹出泄漏：事故性泄漏解决方法：对于（2）渗透泄漏，可通过选用不同材料的复合或机械组合形成不渗透性结构，或者使用较大的夹紧力使材料更加密实，减少以至消除泄漏对于（1）（3）与垫片的材料性质、接头的机械特征、密封面的性质和状态、密封流体的特性以及紧固件夹紧程度等有关。第五页，共四十一页，2022年，8月28日3.垫片的密封机理(1)初始密封——连接件初始装配时需要的密封产生初始密封的要求——压缩垫片，使其与密封面间产生足够的压力（垫片预紧应力或称初始垫片比压）压缩垫片的作用——使垫片发生弹性或弹塑性变形，能够填塞密封面的变形和表面粗糙度，以堵塞界面泄漏的通道第六页，共四十一页，2022年，8月28日螺栓紧固件的垫片预紧应力的计算垫片应力——螺栓的数量N、拧紧螺栓的转矩M、螺栓系统的摩擦状况和垫片的压缩面积A，既或（2）（1）d—螺栓的名义直径；K—系数；F—单个螺栓的紧固力N—螺栓数目；Ag—垫片压缩面积垫片的预紧应力第七页，共四十一页，2022年，8月28日系数K变化范围：0.16~0.2与润滑状况有关，0.16指良好润滑的螺纹，0.2指润滑较差预紧垫片应力能否做到初始密封，与使用的垫片材料密切相关，不同的材料在相同的压缩量下得到的垫片应力是不相同的，相同密封要求下所能密封的介质压力也不一样，或者说相同的介质压力下，得到的密封度不同第八页，共四十一页，2022年，8月28日（2）工作密封设备连接系统进行工作时，接头受到介质压力作用，密封面被迫发生分离。此时对垫片的要求:1）垫片能够释放足够的弹性应变能，以弥补分离量；2）留下足以保持密封所需要的工作（残留）垫片应力；3）弹性变形能还要补偿装置长期运行过程中任何可能发生的垫片应力松弛。此外，接头的不均匀的热变形，导致垫片应力的波动；因受热引起紧固件应力的松弛而减少了作用在垫片上的应力。第九页，共四十一页，2022年，8月28日可以用下式表示工作情况下垫片应力应变情况（3）如图所示，曲线表示上述两个过程中垫片的应力和变形的关系。第十页，共四十一页，2022年，8月28日所以，任何形式的垫片密封，首先要在连接件的密封面和垫片表面之间产生一种垫片预紧应力。在理论上，垫片预紧力越大，垫片中贮存的弹性应变能越大，可用于补偿分离或松弛的余地越大。实际上，垫片预紧应力的合理值取决于密封材料的结构、密封度、环境因素、使用寿命和经济性等因素。第十一页，共四十一页，2022年，8月28日一.中低压设备和管道的垫片密封1.法兰连接的一般考虑垫片-法兰-螺栓组成的连接结构的影响因素结构的完整性—整个结构的机械或热应力必须在材料的允许范围内设计的一般目的：对于已知的垫片特性，确定法兰和螺栓等结构的安全、经济尺寸，同时整个系统达到规定的密封要求（2）性能受到各个零件弹性的制约，尤其存在垫片时，整个结构表现出弹性行为。（1）螺栓与螺母之间的摩擦关系复杂连接的密封性—泄漏率在允许范围内第十二页，共四十一页，2022年，8月28日2.法兰连接标准（1）法兰类型用途容器法兰管道法兰密封面宽窄宽面法兰窄面法兰制造材料金属法兰非金属法兰连接方式焊接法兰非焊接法兰本节主要介绍钢制圆形法兰和管道法兰第十三页，共四十一页，2022年，8月28日典型法兰的结构示意图（插图3-4）第十四页，共四十一页，2022年，8月28日（2）法兰密封面型式法兰密封面的型式与大小和垫片的型式、使用场合和工作条件有关根据标准，将法兰密封面分为以下常用的几种，如图所示第十五页，共四十一页，2022年，8月28日第十六页，共四十一页，2022年，8月28日无约束全平面法兰—接触面积大，压缩应力较低，适用于软材料垫片或铸铁、搪瓷、塑料等低压法兰的场合突面法兰—较高的垫片应力，适用于较硬垫片材料和较高压力的场合半约束—凹凸密封面—使垫片免于遭受吹出的危险自紧式—O形环密封面—主要用于金属或弹性体O形环的密封，依靠工作时的压力挤压O形环变形达到密封目的有约束—榫形面和环连接面—更具密封性，适用于压力、温度有波动，对介质密封性要求较高的场合第十七页，共四十一页，2022年，8月28日“控制压缩垫片”—界面存在垫片，但螺栓预紧后，法兰面会发生金属与金属的接触（如图所示）特点：介质压力和温度波动时，垫片上的载荷不发生改变，接头保持在最佳的泄漏控制状态，同时螺栓也不承受循环载荷。第十八页，共四十一页，2022年，8月28日3.垫片（1）垫片的一般结构第十九页，共四十一页，2022年，8月28日上图为垫片的一般结构b—密封元件，阻止泄漏，通常为非金属材料，也可以是金属材料e—对于非金属材料的密封元件，可以插入金属材料予以增强d或f—密封元件上的表面层，增加密封效果和防止与密封面粘结c—外环，作用：1）帮助密封元件对中；2）防止密封元件过分压缩；3）防止垫片吹出或防止法兰转动a—内环，作用：1）防止向内屈曲；2）填补密封件与容器或管道内孔的空隙第二十页，共四十一页，2022年，8月28日（2）垫片的基本类型第二十一页，共四十一页，2022年，8月28日（3）垫片的重要性能1.垫片的力学性能载荷-变形行为压缩性和回复性拉伸强度压缩（溃）强度吹出抗力蠕变松弛行为P*T2.垫片的高温力学行为3.垫片的密封行为第二十二页，共四十一页，2022年，8月28日（4）垫片应力1.垫片应力下限值或最小装配垫片应力2.垫片应力上限值或最大装配垫片应力3.设计装配垫片应力4.垫片应力松弛5.热膨胀和热滞后引起的垫片应力降低6.实际螺栓载荷的不确定性第二十三页，共四十一页，2022年，8月28日4.垫片的安装和密封失效（1）垫片的安装方法安装工具安装准备法兰调整紧固件安装和拧紧再次拧紧（2）垫片密封的失效分析密封失效—密封不能起作用或不能保持满意的密封状态，即发生超过“允许泄漏量”。（课本P64）第二十四页，共四十一页，2022年，8月28日二.高压设备和管道的垫片密封与中低压容器相比，高压容器的密封特点：1.一般采用金属垫片2.采用窄面密封3.尽可能采用自紧密封高压密封密封作用力不同强制密封—平垫、卡扎里密封等半自紧密封—双锥环密封等自紧密封—C形、O形等第二十五页，共四十一页，2022年，8月28日（1）平垫密封依靠端部大法兰上的主螺栓施加足够的压紧力实现密封形式简单、结构笨重、装拆不便、不适合压力和温度波动较大的场合第二十六页，共四十一页，2022年，8月28日（2）卡扎里密封螺纹套筒代替主螺栓装拆方便第二十七页，共四十一页，2022年，8月28日（3）双锥环密封径向自紧作用结构简单、加工精度要求不是很高、装拆方便、能适用于压力与温度波动的场合第二十八页，共四十一页，2022年，8月28日（4）伍德密封主要优点：1.全自紧式2.无须主螺栓、装拆方便3.密封面可以自行调整缺点：结构笨重、零件多、加工要求高、顶盖占据筒体高压空间较多第二十九页，共四十一页，2022年，8月28日（5）C形环、O形环密封、三角形密封第三十页，共四十一页，2022年，8月28日(6)Bridgman密封1.结构特点利用作用在凸肩头盖端面上的压力是头盖在轴向作一定范围的自由移动而压紧垫片。内压越高密封约可靠。结构简单、没有特殊加工或加工要求很高的零件。缺点：主要元件都装于容器筒体内部，2.材料的选择第三十一页，共四十一页，2022年，8月28日（7）楔形垫密封特点：课本P78第三十二页，共四十一页，2022年，8月28日（8）组合式密封第三十三页，共四十一页，2022年，8月28日三.胶密封1.带压注剂密封技术带压堵漏，即不停车堵漏，指在发现生产系统中的介质泄漏后，在无须停车和降低操作压力及温度的情况下所进行的密封操作，亦即不停车密封带压注剂密封技术的主要内容：（1）制定安全可靠的堵漏施工方案（2）设计合理的承压卡具（3）选择合适的密封剂（4）由经过训练的操作人员使用专门的堵漏工具第三十四页，共四十一页，2022年，8月28日注意事项：1.必须保证施工人员的安全施工2.设备或系统必须具有堵漏的价值3.必须选择合适的密封剂4.对某些特殊的密封连接，堵漏还需进一步探索第三十五页，共四十一页，2022年，8月28日2.带压注剂堵漏的基本方法（1）基本原理第三十六页，共四十一页，2022年，8月28日第三十七页，共四十一页，2022年，8月28日（2）所用设备和工具第三十八页，共四十一页，2