常紹亞 沈金根 張文成
【摘 要】 本文綜述了非石棉密封墊片的密封原理及基本性能,對(duì)某制冷設(shè)備法蘭連接泄漏故障進(jìn)行分析,對(duì)非石棉密封墊片的選用提出一些建議。
【關(guān)鍵詞】 非石棉墊片 密封 性能
1 密封機(jī)理
密封是防止氣體、液體或者固體的泄漏與組織外部顆粒、流體進(jìn)入密閉空間或管道系統(tǒng)的功用。能起密封作用的零部件稱為密封件。較為復(fù)雜的密封連接稱之為密封結(jié)構(gòu)或密封裝置。密封失效可能是造成能源和材料資源的浪費(fèi)、環(huán)境的污染,甚至設(shè)備的報(bào)廢和人員的傷亡。流體密封是一個(gè)復(fù)雜而較難解決的問題,密封的可靠性不僅與所采用的密封材質(zhì)和密封元件有關(guān),而且與連接結(jié)構(gòu)形式、介質(zhì)特性、工況條件等諸多因素有關(guān)。
2 墊片密封失效分析
2.1墊片泄漏形式
墊片泄漏有兩種形式, 即界面泄漏和滲透泄漏。兩連接件表面,從機(jī)械加工的微觀紋理來看,存在粗糙度和變形的問題,它們與墊片之間總是存在泄漏通道,由此產(chǎn)生的流體泄漏稱為界面泄漏;對(duì)非金屬材質(zhì)的一類墊片而言,從材料的微觀結(jié)構(gòu)來看,本身存在的微小縫隙或細(xì)微的毛細(xì)管,具有一定壓力的流體自然容易通過它們滲漏出來,此稱為滲透泄漏。
對(duì)于滲透泄漏,通過不同材料的復(fù)合或機(jī)械組合形成不滲透性結(jié)構(gòu),或者使用較大的夾緊力使材料更加密實(shí),減少以至消除泄漏.
2.2墊片設(shè)計(jì)選型
墊片的密封特性曲線,墊片壓緊放松到一定程度時(shí)候即出現(xiàn)泄漏,在密封特性曲線上反映這一點(diǎn)的是,也就是所墊片密封所需要的最小壓緊應(yīng)力為,對(duì)應(yīng)于一定的內(nèi)壓,當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力小于時(shí),墊片不能做到有效的密封,所以是墊片密封與未密封的分界點(diǎn),也稱為“漏點(diǎn)”,是壓緊程度的最低極限。如圖1所示。
在開始出現(xiàn)泄漏時(shí),墊片的有效壓緊應(yīng)力與內(nèi)壓之比為:m=σc/Pi,墊片系數(shù)m是設(shè)計(jì)、選擇密封墊的重要參數(shù),保證密封的必要條件是:有效壓緊應(yīng)力σg≥σc
3 失效典型案例分析
3.1事件描述
某制冷行業(yè)公司在生產(chǎn)多年制冷換熱器后,突然出現(xiàn)非石棉墊片存在批量泄漏情況。
3.2失效分析步驟
(1)設(shè)計(jì)選型
經(jīng)核實(shí)此制冷換熱器的非石棉密封墊片設(shè)計(jì)選型符合要求,初始力矩值滿足結(jié)構(gòu)密封需求故可排除設(shè)計(jì)異常
(2)墊片本身材質(zhì)缺陷
安排取得墊片的樣件,主要通過宏觀試驗(yàn)及微觀試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)查。宏觀試驗(yàn)主要通過耐火性試驗(yàn)、抗拉試驗(yàn)、回彈率測(cè)試等型式試驗(yàn),未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。微觀試驗(yàn)通過高清晰度的光學(xué)顯微鏡觀察,未發(fā)現(xiàn)明顯分層等缺陷。即可排除因本身材質(zhì)缺陷造成泄漏通道。
(3)過程裝配工藝缺陷
(a)初步分析:該型墊片目前經(jīng)計(jì)算初始力矩值220N.M,現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)壓縮復(fù)原曲線推斷墊片厚度變化面壓應(yīng)該大于40MPa,滿足氣體密封緊固面壓要求。而從周邊厚度變化的程度推斷,周邊緊固面壓可能僅為5~10Mpa,達(dá)不到密封要求,為此時(shí)泄漏的量較大。從墊片內(nèi)部滲透出來的氣泡較大,內(nèi)部的空隙沒有被充分的壓縮,說明墊片被壓縮的量很小,導(dǎo)致氣體從墊片的內(nèi)部泄漏出來。
(b)提升一定打緊力矩觀察:由于提高了緊固扭矩,墊片的泄漏情況有所好轉(zhuǎn),但仍有各別部位發(fā)生細(xì)微的泄漏。拆下墊片進(jìn)行厚度測(cè)試發(fā)現(xiàn),本次安裝的墊片,周圍厚度變化率達(dá)到5%,根據(jù)壓縮復(fù)原曲線推斷墊片外圍緊固面壓在10~20MPa 左右,比第一次的面壓狀況有所提升,因此反映到墊片的泄漏狀況也有所好轉(zhuǎn)。因此這里可以大致推斷,加大緊固扭矩,提升緊固面壓,能夠有效的改善泄漏狀況,提高密封效果。
(c)觀察表面面壓分布情況;采用感壓紙與墊片同時(shí)安裝,按照220NM 的正常安裝緊固扭矩進(jìn)行緊固。最終取下墊片和感壓紙,觀察感壓紙上的顏色變化。通過設(shè)備最終測(cè)算出墊片對(duì)應(yīng)點(diǎn)所受到的面壓情況,匯總觀察分布.
A:代表的是對(duì)應(yīng)相應(yīng)的螺栓編號(hào)處,墊片內(nèi)徑側(cè)各個(gè)點(diǎn),如表1
B:代表的是對(duì)應(yīng)相應(yīng)的螺栓編號(hào)處,墊片外徑測(cè)各個(gè)點(diǎn),如表2
匯總受力數(shù)據(jù)如下:
從表中數(shù)據(jù)可明顯看出部分區(qū)域面壓值過小不滿足密封要求,特別部分外側(cè)點(diǎn)甚至存在0值情況,導(dǎo)致產(chǎn)生泄漏通道,最終產(chǎn)生泄漏。
(4)分析推斷:
從上述的結(jié)果可以清楚的看到被緊固后所受到的面壓不均勻。由于緊固各個(gè)螺栓所使用的氣動(dòng)工具相同,最終扭力扳手所施加的扭矩也相同。故綜合可判定為螺母摩擦力大且不均勻,最終導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻。
(5)整改措施:
方案 1:在不改變現(xiàn)在所有緊固件的條件下,通過盡量減少接觸面改變墊片裝配結(jié)構(gòu),這樣可以通過減小接觸面積的手段來提高面壓,達(dá)到緊固面壓確保密封;
方案2:選擇配合度更好的螺栓螺母,確保螺栓螺母之間的摩擦損耗降低到最小的程度,最大的保證施加的扭矩可以均勻的作用到墊片上,確保密封面的面壓充足和均勻。
方案3:規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)力矩打緊作業(yè),進(jìn)行逐步打緊,并進(jìn)行對(duì)稱打緊作業(yè),保證受力均勻。
總 結(jié)
非石棉墊片在實(shí)際應(yīng)用中,在不考慮高溫高壓等特殊因素導(dǎo)致泄漏之外,導(dǎo)致泄漏主要因設(shè)計(jì)選型,過程工藝執(zhí)行等因素。此時(shí)做好設(shè)計(jì)選型及規(guī)范過程操作是首先要執(zhí)行到位的。
墊片在運(yùn)用時(shí)應(yīng)考慮遵守盡可能選擇薄、窄的墊片。對(duì)大多數(shù)非金屬板狀墊片而言,其抵抗應(yīng)力松馳的能力隨墊片厚度減少而增加,薄的墊片其周邊暴露于密封介質(zhì)的面積較少,因而沿墊片本體的滲漏也隨之減少。在同樣的螺栓載荷爾蒙下,墊片寬度越窄,墊片應(yīng)力越高,密封壓力也就越大。
【參考文獻(xiàn)】
[1] 顧伯勤. 非石棉密封墊片的性能及應(yīng)用[J]. 化工設(shè)備與管道,2002-02-10