纏繞墊片產(chǎn)品質(zhì)量控制研究

阮春強(qiáng)

摘要：在工業(yè)制造中，金屬纏繞墊片是其生產(chǎn)的部件之一，并且會(huì)廣泛應(yīng)用到不同的機(jī)械設(shè)備中。通過對(duì)金屬纏繞墊片產(chǎn)品的監(jiān)督抽查檢測(cè)，分析了產(chǎn)品在加工制造中常見的質(zhì)量問題，并結(jié)合失效案例分析，總結(jié)了提高金屬纏繞墊片產(chǎn)品質(zhì)量的措施。

關(guān)鍵詞：金屬纏繞墊片；法蘭密封面；壓縮率；回彈率

前言

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械在各行各業(yè)都有著廣泛應(yīng)用，為生產(chǎn)效率的提高提供了技術(shù)支持。在工業(yè)制造中，金屬纏繞墊片是其生產(chǎn)的部件之一，并且會(huì)廣泛應(yīng)用到不同的機(jī)械設(shè)備中。為防止工業(yè)生產(chǎn)中的安全隱患，金屬纏繞墊片技術(shù)要求及設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、標(biāo)識(shí)、包裝、貯存、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)必須嚴(yán)格按照國(guó)家及行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)標(biāo)注規(guī)范進(jìn)行。

1.纏繞式墊片的結(jié)構(gòu)型式與使用范圍

1.1型式與分類

纏繞式墊片一般由成型鋼帶和非金屬材料帶在設(shè)備上按照一定的工藝條件和尺寸等要求纏繞而成，因此具有多道金屬邊與密封面接觸，有“迷宮”密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。纏繞式墊片按產(chǎn)品品種類型可分為基本型金屬纏繞墊片和帶加強(qiáng)環(huán)型金屬纏繞墊片兩類。按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)型式又可分為基本型金屬纏繞墊片（A型）、帶內(nèi)環(huán)型金屬纏繞墊片（B型）、帶外環(huán)型金屬纏繞墊片（C型）和帶內(nèi)外環(huán)型金屬纏繞墊片（D型）4種。同時(shí)纏繞式墊片又可根據(jù)內(nèi)環(huán)、金屬帶、填充帶和定位環(huán)材料的不同，分為不同材料的產(chǎn)品，如柔性石墨金屬纏繞墊片、聚四氟乙烯金屬纏繞墊片等[1]。

1.2選用原則和使用范圍

由于纏繞式墊片對(duì)密封面光潔度要求不高，所以經(jīng)常應(yīng)用于不同的法蘭密封面，其連接型式見表1。

通常在選擇纏繞墊片種類時(shí)，首先要明確墊片的使用工況條件，即工作場(chǎng)合接觸介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)：溫度、腐蝕性、管道內(nèi)的壓力及波動(dòng)、安全要求等情況，并擬定需要達(dá)到的密封等級(jí)，然后按照法蘭密封面的結(jié)構(gòu)形式、制造材料的強(qiáng)度和剛度，確定需要施加的預(yù)緊力值。如對(duì)于質(zhì)軟的不銹鋼法蘭面來(lái)說(shuō)，應(yīng)提高預(yù)緊力來(lái)達(dá)到要求。在這些基本工況條件分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同類型的纏繞式墊片的密封特性，確定其結(jié)構(gòu)型式，如對(duì)于一些工作壓力較高的情況，則宜選用密封面相對(duì)較寬的纏繞式墊片；對(duì)于高溫工作的場(chǎng)合，可以通過調(diào)整填充帶材料的類別來(lái)滿足要求；由于纏繞式墊片具有“彈簧”般的結(jié)構(gòu)（M或V型），所以該種墊片在所有金屬及軟填料墊片中具有最好的彈性，更加適用于溫度和壓力變化較為復(fù)雜和缺乏規(guī)律性的工作場(chǎng)合；此外還應(yīng)綜合考慮墊片結(jié)構(gòu)安裝的難易程度，以及采用不同型式墊片的經(jīng)濟(jì)性等[2]。

2.常見制造質(zhì)量問題及其分析

2.1常見質(zhì)量問題

生產(chǎn)設(shè)備和制造工藝是決定纏繞式墊片產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。目前國(guó)內(nèi)纏繞式墊片的眾多生產(chǎn)廠家制造設(shè)備多種多樣，設(shè)備結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化程度也各不相同。自動(dòng)化程度高的制造設(shè)備可完成添環(huán)、纏繞、焊接等纏繞式墊片全自動(dòng)化的制造工藝生產(chǎn)過程，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量水平和生產(chǎn)效率，但大多數(shù)纏繞式墊片生產(chǎn)企業(yè)還是以半自動(dòng)化或手動(dòng)的生產(chǎn)設(shè)備為主。由于設(shè)備精度較低，制造工藝落后，操作水平不高，因而制造的產(chǎn)品常出現(xiàn)不同情況的質(zhì)量問題。

在多年的產(chǎn)品檢測(cè)和應(yīng)用調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，纏繞式墊片經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量問題主要有以下幾種：

（1）鋼帶冒出和皺褶。鋼帶冒出是指纏繞的金屬帶高于填充帶，見圖1；皺褶是指金屬帶由于褶皺，未能與填充帶緊密的纏繞在一起，見圖2。

以上這2種情況都會(huì)對(duì)密封面造成損傷，使墊片本身的密封性能下降，因此在加工纏繞墊片時(shí)，保證墊片內(nèi)環(huán)或內(nèi)模具在纏繞時(shí)始終保持水平，可有效預(yù)防上述問題的發(fā)生[3]。

（2）壓痕。在搬運(yùn)過程中，由于搬運(yùn)不當(dāng)有時(shí)會(huì)對(duì)密封面造成嚴(yán)重的壓痕，見圖3。明顯的壓痕會(huì)破壞密封面，造成使用泄漏。

（3）傷痕和劃痕。在運(yùn)轉(zhuǎn)或安裝時(shí)，由于操作不當(dāng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)密封面被尖銳物品劃傷所造成的貫穿性傷痕，見圖4；在生產(chǎn)、搬運(yùn)和安裝過程中由于搬運(yùn)不當(dāng)有時(shí)會(huì)使密封面出現(xiàn)劃痕，一般輕微劃痕不會(huì)影響密封性能，但橫向貫穿性傷痕由于損傷的密封面中構(gòu)成的泄漏通道無(wú)法彌補(bǔ)，等于變相減少了密封面寬度，所以當(dāng)介質(zhì)壓力增大時(shí)，介質(zhì)會(huì)沿著傷痕處向外沖擊而造成泄漏[4]。

（4）內(nèi)圈鋼帶過多。纏繞式墊片的密封性能除了需要金屬帶提供強(qiáng)度外，還需要填充帶提供補(bǔ)償，若內(nèi)圈鋼帶過多，則填充帶必然減少，金屬帶之間無(wú)法補(bǔ)償空隙，從而造成皺褶和空洞的出現(xiàn)，見圖5。GB/T4622.3-2007標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)內(nèi)圈鋼帶繞圈數(shù)有明確的要求，生產(chǎn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵照?qǐng)?zhí)行。

2.2常見問題對(duì)壓縮率、回彈率的影響

壓縮率是金屬纏繞墊片產(chǎn)品的重要性能指標(biāo)。墊片壓縮率過大，其在正常的安裝預(yù)緊力下，壓縮量過大，容易造成墊片結(jié)構(gòu)破壞，壓縮率過小，使用時(shí)需要初始安裝預(yù)緊力較大，在正常設(shè)計(jì)的安裝預(yù)緊力下不易達(dá)到密封效果，容易造成介質(zhì)的泡、冒、滴、漏。根據(jù)GB/T4622.3— 2007 《纏繞式墊片技術(shù)條件》規(guī)定，柔性石墨金屬纏繞墊片的壓縮率為18%～30%。

墊片的回彈率是墊片卸載至初始載荷時(shí)，墊片恢復(fù)彈性的能力。墊片的回彈率大表明墊片的補(bǔ)償能力強(qiáng)，密封效果好。按照推薦性GB/T4622.3— 2007《纏繞式墊片技術(shù)條件》規(guī)定，柔性石墨金屬纏繞墊片回彈率≥17%，而當(dāng)前一些企業(yè)產(chǎn)品的回彈率達(dá)不到要求，產(chǎn)品回彈率最低只有13.5%。

纏繞式墊片常見質(zhì)量問題對(duì)產(chǎn)品的壓縮、回彈性能有著不同程度的影響，表2示出了常見問題對(duì)產(chǎn)品壓縮率、回彈率的影響情況。

從表中可以看出，防范質(zhì)量問題對(duì)壓縮回彈性能的重要意義。

2.3其他問題

纏繞式墊片在生產(chǎn)時(shí)還會(huì)出現(xiàn)：（1）外環(huán)鍍鋅層脫落；（2）外環(huán)安裝間隙過大，（3）密封面局部掉落；（4）焊點(diǎn)脫裂等質(zhì)量問題，在產(chǎn)品制造過程中應(yīng)注意防范。

3.典型失效案例分析

3.1翹曲情況與設(shè)置內(nèi)環(huán)

纏繞式墊片的徑向向內(nèi)翹曲是在使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的問題之一。在相同的操作條件下，大直徑尺寸的纏繞式墊片對(duì)這類翹曲特別敏感。例如2016年9月某化工廠使用的柔性石墨纏繞式墊片，在嚴(yán)重?zé)崴沧児r條件下，出現(xiàn)了內(nèi)外徑金屬帶分離的情況；又如2015年11月，某石化廠在安裝聚四氟乙烯纏繞式墊片時(shí)，出現(xiàn)了徑向向內(nèi)翹曲變形現(xiàn)象。2種情況雖然都是由于纏繞式墊片的徑向向內(nèi)翹曲，最終導(dǎo)致墊片應(yīng)用失效，但發(fā)生的原因卻截然不同。第1種情況是由于不銹鋼帶與填料具有不同的熱膨脹系數(shù)（柔性石墨為（2～3）×10-6/℃，304不銹鋼為（17～18）×10-6/℃），在高溫或大的溫度梯度條件下將導(dǎo)致不同材料的熱膨脹值相差較大，從而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，致使纏繞式墊片的徑向向內(nèi)翹曲。而第2種情況是由于在裝配時(shí)，聚四氟乙烯墊片不帶金屬內(nèi)環(huán)導(dǎo)致的。

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)class900的NPS≥24、class1500的NPS≥12和class2500的NPS≥4的所有填料的纏繞式墊片都要求設(shè)置內(nèi)環(huán)，對(duì)內(nèi)環(huán)的尺寸也提出了要求，同時(shí)也提出了內(nèi)環(huán)伸入法蘭內(nèi)孔的最大距離應(yīng)不超過1.5mm，內(nèi)加強(qiáng)環(huán)的材料應(yīng)與金屬纏繞帶的材料一致[4]。

3.2滑移剪切

滑移剪切損壞也是纏繞式墊片在應(yīng)用時(shí)常出現(xiàn)的失效形式，見圖6所示。產(chǎn)生的原因主要有：（1）在加工時(shí)法蘭面平行度未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。（2）法蘭接頭在焊接時(shí)未達(dá)到要求，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的兩法蘭平面的平行度較差；（3）法蘭接頭在安裝時(shí)受力不均且長(zhǎng)期處于該狀態(tài)下使用；當(dāng)變形的接頭處產(chǎn)生泄漏時(shí)，會(huì)對(duì)墊片產(chǎn)生橫向的剪切力，使纏繞墊片發(fā)生屈服變形，并最終導(dǎo)致墊片密封面損壞，從而產(chǎn)生泄漏。通過觀察纏繞墊片周邊的損壞和差異狀況，可以判斷墊片的失效原因，尤其是軟質(zhì)墊片。墊片的失效原因一般有：墊片厚度不當(dāng)、選用不合適、過分壓縮、預(yù)緊力不夠、貯存不當(dāng)、墊片老化和墊片重復(fù)使用等。因此在墊片安裝前，需要確保法蘭接頭的加工和法蘭焊接符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，安裝時(shí)，應(yīng)保證接口處的法蘭受力平衡，接口處無(wú)異物，同時(shí)定期檢查，可以有效地預(yù)防此問題的發(fā)生。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本研究圍繞提高纏繞墊片質(zhì)量展開了深入的研究，旨在促進(jìn)纏繞墊品制造業(yè)的發(fā)展，其中得出的相關(guān)結(jié)論希望能夠引起生產(chǎn)企業(yè)和用戶的重視。結(jié)論如下：盡快采用纏繞式墊片高性能智能化的全自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備制造；需要采用適當(dāng)、科學(xué)的方式生產(chǎn)，加強(qiáng)新材料的研發(fā)，提升原材料的質(zhì)量水平；創(chuàng)新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，做到結(jié)構(gòu)合理、外觀精美和質(zhì)量可靠，達(dá)到或超過世界先進(jìn)水平。

參考文獻(xiàn)：

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