新型法蘭密封用墊片的設計

摘 要

摘要：論述了傳統的法蘭密封用墊片存在的問題、法蘭密封用墊片的密封原理和泄漏形式、燃氣管道法蘭密封現狀、法蘭接口泄漏的主要影響因素，介紹了專利產品新型法蘭密封用墊片的
摘要：論述了傳統的法蘭密封用墊片存在的問題、法蘭密封用墊片的密封原理和泄漏形式、燃氣管道法蘭密封現狀、法蘭接口泄漏的主要影響因素，介紹了專利產品新型法蘭密封用墊片的設計特點、試驗及應用情況。
關鍵詞：法蘭；法蘭墊片；密封；O形圈；金屬骨架
Design of New Type of Gasket for Sealing Flange
LV Ying
Abstract：Problems with conventional gasket for sealing flange，the sealing principle and leakage forms，the sealing situation of gas pipeline flange and main influencing factors of leakage from flange joint are discussed. The design characteristics，test and application situation of a new type of gasket for sealing flange，a patent product are introduced.
Key words：flange；flange gasket；sealing；O-ring；metallic framework
1 概述
   保證安全供氣，其中最重要的環節之一就是杜絕燃氣輸送過程中的泄漏。造成泄漏的因素有多種，如埋地鋼管的電化學腐蝕造成管道穿孔而發生泄漏，由于管道焊接部位發生開裂而產生的泄漏等。但是，管網、廠站的絕大多數泄漏點都是出現在法蘭連接處，如1996年西安市某儲配站燃氣泄漏惡性事故、2005年首鋼燃氣泄漏惡性事故等。
    城市燃氣輸配系統中設備、管道連接等可拆連接處最主要的連接形式是法蘭連接，尤其在儲配站、調壓設施、閥門井、計量間等都使用眾多的法蘭接口。例如：1個標準閥門井至少有5處法蘭接口，1套標準的調壓裝置至少有14處法蘭接口，一座儲配站的法蘭接口更多。截至2007年3月，北京市燃氣集團有儲配站4座、調壓站658座調壓箱3022臺、閥門井6835個。由此可見，城市燃氣輸配系統中法蘭連接的數量巨大。
    法蘭接口通常由兩片法蘭、螺栓、螺母、墊片組成。墊片是法蘭連接接口的主要密封元件，在螺栓預緊力的作用下對法蘭密封面施加壓緊力，由墊片填塞住法蘭面凹凸不平的微觀幾何間隙來實現密封。從法蘭整體安全性來看，最重要的應考慮墊片的密封效果、密封時效及法蘭拆卸的可操作性。墊片的種類及其物理狀態是法蘭接口是否安全可靠的根本，即墊片的實際狀態決定著法蘭接口密封效果。
    傳統的法蘭接口的墊片多采用浸油石棉墊片、聚四氟乙烯墊片、金屬纏繞墊片等形式。石棉墊片的材質易碎裂，且中間夾層松散，導致管道輸送的介質較易發生滲漏現象，因此只能用于中低壓管道。另外，石棉墊片維修拆卸時常有與法蘭密封面粘連現象，需拆卸清理。聚四氟乙烯墊片密封效果良好，但不可重復使用，且價格昂貴。金屬纏繞墊片的密封效果較好，承壓較高，但在管道維修時無法重復使用，若出現法蘭松動現象就必須更換，不能二次夾緊，造成維修成本增高和材料浪費。
    筆者設計的新型法蘭密封用墊片是一種密封效果好、使用壽命長且可重復使用的法蘭密封用墊片，可替代傳統的法蘭墊片。該墊片已經獲得專利[1]，并經過產品試驗，投入生產。
2 法蘭墊片的密封原理和泄漏形式
    燃氣輸送過程中法蘭接口泄漏是指燃氣從管道系統內部通過墊片兩側的密封面從內部流向外部。造成泄漏的根本原因是法蘭接觸面上存在間隙，而管道內外介質的壓力差、濃度差則是泄漏的推動力。由于密封面的形式及加工精度等因素的影響，密封面上存在間隙在所難免，這就會造成密封面不完全吻合，從而發生泄漏。要減少泄漏，就必須使接觸面最大限度地嵌合，減少泄漏通道的截面積，增加泄漏阻力并使之大于泄漏推動力。對密封面施加壓緊荷載，以產生壓緊應力，可提高密封面的接觸程度。當壓緊應力增加到足以引起墊片產生明顯的塑性變形時，就可以填補密封面的間隙，堵塞泄漏通道。使用墊片的目的就是利用墊片材料在壓緊荷載的作用下較易產生塑性變形的特性，使之填平法蘭密封面的微小凹凸，從而實現密封。
    壓緊應力能否實現初始密封，與所使用的墊片材料密切相關。不同的墊片材料在相同的壓縮量下，壓緊應力不同，即在同樣的密封要求下所能密封的介質壓力不同，或者說在相同的介質壓力下，得到的密封性能不一樣。
    當管道投入運行后，墊片一方面必須維持這個應力，以保持密封狀態；另一方面，由于受到管內燃氣壓力的作用，密封面被迫發生分離，此時要求墊片能釋放出足夠的彈性變形，以補償這一分離量，并且留下足以保持密封所需的應力。此外，這一彈性應變能還要補償法蘭長期運行過程中可能發生的連接結構松弛。
    理論上墊片預緊應力越大，墊片中儲存的彈性應變能也越大，補償法蘭面分離和連接結構松弛的能力也越強。但實際使用時墊片預緊應力的合理取值與其材質和結構、密封要求、環境因素、使用壽命以及經濟性等有關。
    任何制造或加工方法都不可能形成絕對光滑的理想表面，也不可能實現密封面間的完全嵌合以及密封件本身空隙的完全阻塞，在相互接觸的密封面間和密封件的內部總是存在著微小的間隙或通道。因此，對于密封墊片，泄漏不可避免。當介質以一定的壓力通過法蘭接口時，往往會在密封處出現泄漏。泄漏形式有兩種：①由于墊片壓緊應力不足、法蘭密封面粗糙等原因造成的墊片與法蘭密封面之間貼合不緊的界面泄漏；②由于密封材料組織疏松、易被氣體浸透而造成的通過密封材料內部孔隙的滲透泄漏。
3 燃氣管道法蘭密封現狀
    目前，燃氣管道上所使用的法蘭墊片主要有3種：浸油石棉墊片、聚四氟乙烯墊片、金屬纏繞墊片。它們除了一次性使用的缺陷外，還存在以下問題：
    浸油石棉墊片由于其主要成分石棉纖維對人體有危害，并且在生產使用過程中的石棉粉塵也會對環境造成污染，因此，石棉制品生產和使用被嚴加控制。但是，浸油石棉墊片在燃氣管道中使用量最大、最廣泛。
    一般情況下，隨著時間的推移，由于溫度、壓力的變化、螺栓變形伸長、墊片蠕變松弛、回彈能力下降、墊片材料的老化等因素的綜合影響，浸油石棉墊片容易出現界面泄漏和滲透泄漏；聚四氟乙烯墊片回彈量較小，也較易發生界面泄漏；上述兩種墊片及金屬纏繞墊片一旦產生界面泄漏，就應立即更換。
    因此，目前燃氣管道運行人員的日常工作之一就是檢查及解決法蘭接口的燃氣泄漏問題和更換密封墊片。
4 法蘭接口泄漏的主要影響因素
   ① 被密封介質特性
   采用同樣的密封連接形式，在同樣的工況條件下，氣體的泄漏率大于液體的泄漏率，在可燃氣體中，氫氣的泄漏率大于天然氣和一氧化碳的泄漏率。這主要是由于被密封介質的物理性質不同而造成的。這些物理性質中，黏度的影響最大。黏度是流體內摩擦力的量度。黏度大的介質，其泄漏阻力大，泄漏率就小。
   ② 工況的影響
   使用工況條件包括介質的壓力、溫度等。不同的壓力，其泄漏率不同。管道內外的壓力差是泄漏的主要推動力，壓力差越大，介質就越易克服阻力，也就越容易泄漏。
    溫度對連接結構的性能有很大的影響。對于非金屬墊片，其塑性變形量隨溫度升高而增大，回彈量隨溫度升高而減小，蠕變量隨溫度的升高而增大。隨著溫度的升高，墊片的老化、蠕變、松馳現象就會越來越嚴重。因此，溫度變化容易造成泄漏。
   ③法蘭表面粗糙度
   相同的墊片預緊應力下，法蘭表面粗糙度不同，泄漏率也不一樣，通常表面粗糙度越小，泄漏量越小，研磨過的法蘭密封效果好。在此暫不考慮法蘭兩個端面由于焊接過程形成的不平行因素。
   ④ 墊片壓緊應力
   墊片上的壓緊應力越大，其變形量就越大。墊片的變形一方面有效地填補了法蘭表面的不平度，使得界面泄漏大為減少；另一方面使得墊片本身內部毛細孔被壓縮，泄漏通道的截面積減小，泄漏阻力增加，從而泄漏率大大減小。但如果墊片的壓緊應力過大，則易將墊片壓潰，從而失去回彈能力，無法補償由于溫度、壓力變化引起的法蘭面的分離，導致泄漏率增大。此情況尤其體現在浸油石棉墊片及金屬纏繞墊片。
   ⑤ 墊片幾何尺寸
   a. 墊片厚度
   在同樣的壓緊荷載、同樣的介質壓力作用下，泄漏率隨墊片厚度的增加而減小。這是由于在同樣的軸向荷載作用下，厚墊片具有較大的壓縮回彈量，在初始密封條件已經達到的情況下，彈性儲備較大的厚墊片比薄墊片更能補償由于介質壓力引起的密封面間的相對分離，并使墊片表面保留較大的殘余壓緊應力，從而使泄漏率減少。但并不能說墊片越厚密封性越好，這是因為，墊片厚度不同，建立初始密封的條件也不同。由于端面上摩擦力的影響，墊片表面呈三向受壓的應力狀態，材料的變形抗力較大，而墊片中部，受端部的影響較小，其變形抗力也較小，在同樣的預緊荷載下，墊片中部較墊片表面更易產生塑性變性，此時，建立初始密封也越困難。當墊片厚度達到一定值后，密封性能并無改良，甚至惡化。
   b. 墊片寬度
   在一定范圍內，隨著墊片寬度的增加，泄漏率呈線性遞減。這是因為，在墊片有效寬度內，介質泄漏阻力與泄漏通道的長度成正比。但不能說墊片越寬越好，因為墊片越寬，墊片的表面積就越大，若要在墊片上產生同樣的壓緊應力，寬墊片所需的螺栓壓緊力就要比窄墊片大得多。
5 新型法蘭密封用墊片的設計特點[1]
   ① 結構形式
   第1種結構為平型墊片，其斷面幾何形狀為橢圓形，見圖1。當用于天然氣管道時，平型墊片表面非金屬部分可以采用丁腈橡膠等橡膠材料，并且在其中嵌裝環形金屬骨架。金屬骨架的橫截面為長方形，嵌裝在橢圓形橡膠墊片的中心部位。推薦在0.4MPa設計壓力下使用這種結構形式的墊片。
 

    第2種結構為O形-平型墊片，在平型墊片的斷面內側邊緣連接有0形橡膠圈，見圖2。0形橡膠圈的直徑為橢圓形墊片厚度的1.2～1.5倍，可起到更好的密封效果。金屬骨架的橫截面為長方形，嵌裝在橢圓形橡膠墊片的中心部位。推薦在1.6MPa設計壓力下使用這種結構形式的墊片。
 

第3種結構為加強0形-平型墊片，將上述第2種結構的金屬骨架取消，在外側加裝金屬加強環，見圖3。這種結構的墊片由橡膠半橢圓形橡膠環、O形橡膠圈、金屬支架、金屬加強環組成，金屬支架與金屬加強環為一個整體，半橢圓形橡膠環與O形橡膠圈為一個整體，O形橡膠圈的直徑為半橢圓形橡膠環厚度的1.2～1.5倍。金屬加強環的厚度為半橢圓形橡膠環厚度的0.7倍。半橢圓形橡膠環外側的凹槽與金屬支架承插連接。推薦在4.0MPa設計壓力下使用這種結構形式的墊片。
 

    金屬骨架、金屬加強環能有效地控制橡膠墊片受壓時的徑向變形量。因此，上述3種新型法蘭密封用墊片具有密封效果好、使用壽命長的特點。
    ② 0形-平型墊片的密封原理
    O形-平型墊片是本新型法蘭密封用墊片系列產品中結構較典型、使用量較大的一種，其密封原理是：在法蘭接口的螺栓拉緊后，O形圈的變形量已達到40%以上，已經足以達到密封條件，因此，法蘭接口的主要密封環節是由墊片內側的O形圈在起作用。O形圈受管道內介質的壓力將向外側變形位移，橢圓形橡膠墊片將承受螺栓拉緊后形成的應力，產生相應的變形，與整體硫化為一體的內置金屬骨架一起，有效地控制住內側O形圈的位移，且對密
封效果起到輔助作用。
6 墊片的試驗
因為本密封墊片由金屬骨架與非金屬材料構成，是一種新型密封墊片，所以還沒有一種完全適用的國家標準。試驗時參照GB/T 19066.1—2003《柔性石墨金屬波齒復合墊片分類》[2]、GB/T 19066.2—2003《柔性石墨金屬波齒復合墊片管法蘭用墊片尺寸》[3]和GB/T 19066.3—2003《柔性石墨金屬波齒復合墊片技術條件》[4]具體進行了2項試驗[5]：壓縮率及回彈率試驗、應力松馳試驗。試驗結果滿足相應標準要求。
7 應用情況
    2005年試制出上述3種形式的樣品，由多家燃氣設備生產商進行設備組裝、氣密性等環節的試用，效果頗佳。至今，已有多家燃氣設備生產商生產及燃氣運營企業使用。
參考文獻：
[1] 呂瀛.法蘭盤密封用墊圈[P].中國專利：ZL 2005 2 0008550.4.2006-05-03.
[2] GB/T 19066.1—2003，柔性石墨金屬波齒復合墊片分類[S].
[3] GB/T 19066.2—2003，柔性石墨金屬波齒復合墊片管法蘭用墊片尺寸[S].
[4] GB/T 19066.3—2003，柔性石墨金屬波齒復合墊片技術條件[S].
[5] 《法蘭用密封墊片實用手冊》編委會.法蘭用密封墊片實用手冊[M].北京：中國標準出版社，2005.
 
(本文作者：呂瀛 北京市燃氣集團燃氣學院 北京 100028)