新型法兰密封用垫片的设计

摘 要

摘要：论述了传统的法兰密封用垫片存在的问题、法兰密封用垫片的密封原理和泄漏形式、燃气管道法兰密封现状、法兰接口泄漏的主要影响因素，介绍了专利产品新型法兰密封用垫片的
摘要：论述了传统的法兰密封用垫片存在的问题、法兰密封用垫片的密封原理和泄漏形式、燃气管道法兰密封现状、法兰接口泄漏的主要影响因素，介绍了专利产品新型法兰密封用垫片的设计特点、试验及应用情况。
关键词：法兰；法兰垫片；密封；O形圈；金属骨架
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
   保证安全供气，其中最重要的环节之一就是杜绝燃气输送过程中的泄漏。造成泄漏的因素有多种，如埋地钢管的电化学腐蚀造成管道穿孔而发生泄漏，由于管道焊接部位发生开裂而产生的泄漏等。但是，管网、厂站的绝大多数泄漏点都是出现在法兰连接处，如1996年西安市某储配站燃气泄漏恶性事故、2005年首钢燃气泄漏恶性事故等。
    城市燃气输配系统中设备、管道连接等可拆连接处最主要的连接形式是法兰连接，尤其在储配站、调压设施、阀门井、计量间等都使用众多的法兰接口。例如：1个标准阀门井至少有5处法兰接口，1套标准的调压装置至少有14处法兰接口，一座储配站的法兰接口更多。截至2007年3月，北京市燃气集团有储配站4座、调压站658座调压箱3022台、阀门井6835个。由此可见，城市燃气输配系统中法兰连接的数量巨大。
    法兰接口通常由两片法兰、螺栓、螺母、垫片组成。垫片是法兰连接接口的主要密封元件，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。从法兰整体安全性来看，最重要的应考虑垫片的密封效果、密封时效及法兰拆卸的可操作性。垫片的种类及其物理状态是法兰接口是否安全可靠的根本，即垫片的实际状态决定着法兰接口密封效果。
    传统的法兰接口的垫片多采用浸油石棉垫片、聚四氟乙烯垫片、金属缠绕垫片等形式。石棉垫片的材质易碎裂，且中间夹层松散，导致管道输送的介质较易发生渗漏现象，因此只能用于中低压管道。另外，石棉垫片维修拆卸时常有与法兰密封面粘连现象，需拆卸清理。聚四氟乙烯垫片密封效果良好，但不可重复使用，且价格昂贵。金属缠绕垫片的密封效果较好，承压较高，但在管道维修时无法重复使用，若出现法兰松动现象就必须更换，不能二次夹紧，造成维修成本增高和材料浪费。
    笔者设计的新型法兰密封用垫片是一种密封效果好、使用寿命长且可重复使用的法兰密封用垫片，可替代传统的法兰垫片。该垫片已经获得专利[1]，并经过产品试验，投入生产。
2 法兰垫片的密封原理和泄漏形式
    燃气输送过程中法兰接口泄漏是指燃气从管道系统内部通过垫片两侧的密封面从内部流向外部。造成泄漏的根本原因是法兰接触面上存在间隙，而管道内外介质的压力差、浓度差则是泄漏的推动力。由于密封面的形式及加工精度等因素的影响，密封面上存在间隙在所难免，这就会造成密封面不完全吻合，从而发生泄漏。要减少泄漏，就必须使接触面最大限度地嵌合，减少泄漏通道的截面积，增加泄漏阻力并使之大于泄漏推动力。对密封面施加压紧荷载，以产生压紧应力，可提高密封面的接触程度。当压紧应力增加到足以引起垫片产生明显的塑性变形时，就可以填补密封面的间隙，堵塞泄漏通道。使用垫片的目的就是利用垫片材料在压紧荷载的作用下较易产生塑性变形的特性，使之填平法兰密封面的微小凹凸，从而实现密封。
    压紧应力能否实现初始密封，与所使用的垫片材料密切相关。不同的垫片材料在相同的压缩量下，压紧应力不同，即在同样的密封要求下所能密封的介质压力不同，或者说在相同的介质压力下，得到的密封性能不一样。
    当管道投入运行后，垫片一方面必须维持这个应力，以保持密封状态；另一方面，由于受到管内燃气压力的作用，密封面被迫发生分离，此时要求垫片能释放出足够的弹性变形，以补偿这一分离量，并且留下足以保持密封所需的应力。此外，这一弹性应变能还要补偿法兰长期运行过程中可能发生的连接结构松弛。
    理论上垫片预紧应力越大，垫片中储存的弹性应变能也越大，补偿法兰面分离和连接结构松弛的能力也越强。但实际使用时垫片预紧应力的合理取值与其材质和结构、密封要求、环境因素、使用寿命以及经济性等有关。
    任何制造或加工方法都不可能形成绝对光滑的理想表面，也不可能实现密封面间的完全嵌合以及密封件本身空隙的完全阻塞，在相互接触的密封面间和密封件的内部总是存在着微小的间隙或通道。因此，对于密封垫片，泄漏不可避免。当介质以一定的压力通过法兰接口时，往往会在密封处出现泄漏。泄漏形式有两种：①由于垫片压紧应力不足、法兰密封面粗糙等原因造成的垫片与法兰密封面之间贴合不紧的界面泄漏；②由于密封材料组织疏松、易被气体浸透而造成的通过密封材料内部孔隙的渗透泄漏。
3 燃气管道法兰密封现状
    目前，燃气管道上所使用的法兰垫片主要有3种：浸油石棉垫片、聚四氟乙烯垫片、金属缠绕垫片。它们除了一次性使用的缺陷外，还存在以下问题：
    浸油石棉垫片由于其主要成分石棉纤维对人体有危害，并且在生产使用过程中的石棉粉尘也会对环境造成污染，因此，石棉制品生产和使用被严加控制。但是，浸油石棉垫片在燃气管道中使用量最大、最广泛。
    一般情况下，随着时间的推移，由于温度、压力的变化、螺栓变形伸长、垫片蠕变松弛、回弹能力下降、垫片材料的老化等因素的综合影响，浸油石棉垫片容易出现界面泄漏和渗透泄漏；聚四氟乙烯垫片回弹量较小，也较易发生界面泄漏；上述两种垫片及金属缠绕垫片一旦产生界面泄漏，就应立即更换。
    因此，目前燃气管道运行人员的日常工作之一就是检查及解决法兰接口的燃气泄漏问题和更换密封垫片。
4 法兰接口泄漏的主要影响因素
   ① 被密封介质特性
   采用同样的密封连接形式，在同样的工况条件下，气体的泄漏率大于液体的泄漏率，在可燃气体中，氢气的泄漏率大于天然气和一氧化碳的泄漏率。这主要是由于被密封介质的物理性质不同而造成的。这些物理性质中，黏度的影响最大。黏度是流体内摩擦力的量度。黏度大的介质，其泄漏阻力大，泄漏率就小。
   ② 工况的影响
   使用工况条件包括介质的压力、温度等。不同的压力，其泄漏率不同。管道内外的压力差是泄漏的主要推动力，压力差越大，介质就越易克服阻力，也就越容易泄漏。
    温度对连接结构的性能有很大的影响。对于非金属垫片，其塑性变形量随温度升高而增大，回弹量随温度升高而减小，蠕变量随温度的升高而增大。随着温度的升高，垫片的老化、蠕变、松驰现象就会越来越严重。因此，温度变化容易造成泄漏。
   ③法兰表面粗糙度
   相同的垫片预紧应力下，法兰表面粗糙度不同，泄漏率也不一样，通常表面粗糙度越小，泄漏量越小，研磨过的法兰密封效果好。在此暂不考虑法兰两个端面由于焊接过程形成的不平行因素。
   ④ 垫片压紧应力
   垫片上的压紧应力越大，其变形量就越大。垫片的变形一方面有效地填补了法兰表面的不平度，使得界面泄漏大为减少；另一方面使得垫片本身内部毛细孔被压缩，泄漏通道的截面积减小，泄漏阻力增加，从而泄漏率大大减小。但如果垫片的压紧应力过大，则易将垫片压溃，从而失去回弹能力，无法补偿由于温度、压力变化引起的法兰面的分离，导致泄漏率增大。此情况尤其体现在浸油石棉垫片及金属缠绕垫片。
   ⑤ 垫片几何尺寸
   a. 垫片厚度
   在同样的压紧荷载、同样的介质压力作用下，泄漏率随垫片厚度的增加而减小。这是由于在同样的轴向荷载作用下，厚垫片具有较大的压缩回弹量，在初始密封条件已经达到的情况下，弹性储备较大的厚垫片比薄垫片更能补偿由于介质压力引起的密封面间的相对分离，并使垫片表面保留较大的残余压紧应力，从而使泄漏率减少。但并不能说垫片越厚密封性越好，这是因为，垫片厚度不同，建立初始密封的条件也不同。由于端面上摩擦力的影响，垫片表面呈三向受压的应力状态，材料的变形抗力较大，而垫片中部，受端部的影响较小，其变形抗力也较小，在同样的预紧荷载下，垫片中部较垫片表面更易产生塑性变性，此时，建立初始密封也越困难。当垫片厚度达到一定值后，密封性能并无改良，甚至恶化。
   b. 垫片宽度
   在一定范围内，随着垫片宽度的增加，泄漏率呈线性递减。这是因为，在垫片有效宽度内，介质泄漏阻力与泄漏通道的长度成正比。但不能说垫片越宽越好，因为垫片越宽，垫片的表面积就越大，若要在垫片上产生同样的压紧应力，宽垫片所需的螺栓压紧力就要比窄垫片大得多。
5 新型法兰密封用垫片的设计特点[1]
   ① 结构形式
   第1种结构为平型垫片，其断面几何形状为椭圆形，见图1。当用于天然气管道时，平型垫片表面非金属部分可以采用丁腈橡胶等橡胶材料，并且在其中嵌装环形金属骨架。金属骨架的横截面为长方形，嵌装在椭圆形橡胶垫片的中心部位。推荐在0.4MPa设计压力下使用这种结构形式的垫片。
 

    第2种结构为O形-平型垫片，在平型垫片的断面内侧边缘连接有0形橡胶圈，见图2。0形橡胶圈的直径为椭圆形垫片厚度的1.2～1.5倍，可起到更好的密封效果。金属骨架的横截面为长方形，嵌装在椭圆形橡胶垫片的中心部位。推荐在1.6MPa设计压力下使用这种结构形式的垫片。
 

第3种结构为加强0形-平型垫片，将上述第2种结构的金属骨架取消，在外侧加装金属加强环，见图3。这种结构的垫片由橡胶半椭圆形橡胶环、O形橡胶圈、金属支架、金属加强环组成，金属支架与金属加强环为一个整体，半椭圆形橡胶环与O形橡胶圈为一个整体，O形橡胶圈的直径为半椭圆形橡胶环厚度的1.2～1.5倍。金属加强环的厚度为半椭圆形橡胶环厚度的0.7倍。半椭圆形橡胶环外侧的凹槽与金属支架承插连接。推荐在4.0MPa设计压力下使用这种结构形式的垫片。
 

    金属骨架、金属加强环能有效地控制橡胶垫片受压时的径向变形量。因此，上述3种新型法兰密封用垫片具有密封效果好、使用寿命长的特点。
    ② 0形-平型垫片的密封原理
    O形-平型垫片是本新型法兰密封用垫片系列产品中结构较典型、使用量较大的一种，其密封原理是：在法兰接口的螺栓拉紧后，O形圈的变形量已达到40%以上，已经足以达到密封条件，因此，法兰接口的主要密封环节是由垫片内侧的O形圈在起作用。O形圈受管道内介质的压力将向外侧变形位移，椭圆形橡胶垫片将承受螺栓拉紧后形成的应力，产生相应的变形，与整体硫化为一体的内置金属骨架一起，有效地控制住内侧O形圈的位移，且对密
封效果起到辅助作用。
6 垫片的试验
因为本密封垫片由金属骨架与非金属材料构成，是一种新型密封垫片，所以还没有一种完全适用的国家标准。试验时参照GB/T 19066.1—2003《柔性石墨金属波齿复合垫片分类》[2]、GB/T 19066.2—2003《柔性石墨金属波齿复合垫片管法兰用垫片尺寸》[3]和GB/T 19066.3—2003《柔性石墨金属波齿复合垫片技术条件》[4]具体进行了2项试验[5]：压缩率及回弹率试验、应力松驰试验。试验结果满足相应标准要求。
7 应用情况
    2005年试制出上述3种形式的样品，由多家燃气设备生产商进行设备组装、气密性等环节的试用，效果颇佳。至今，已有多家燃气设备生产商生产及燃气运营企业使用。
参考文献：
[1] 吕瀛.法兰盘密封用垫圈[P].中国专利：ZL 2005 2 0008550.4.2006-05-03.
[2] GB/T 19066.1—2003，柔性石墨金属波齿复合垫片分类[S].
[3] GB/T 19066.2—2003，柔性石墨金属波齿复合垫片管法兰用垫片尺寸[S].
[4] GB/T 19066.3—2003，柔性石墨金属波齿复合垫片技术条件[S].
[5] 《法兰用密封垫片实用手册》编委会.法兰用密封垫片实用手册[M].北京：中国标准出版社，2005.
 
(本文作者：吕瀛 北京市燃气集团燃气学院 北京 100028)