中、低壓法蘭密封計算

世界各國在有關(guān)壓力容器的技術(shù)規(guī)范中，密封計算都歸屬于法蘭設(shè)計或法蘭螺栓連接部分，而且都以法蘭、螺栓的受力分析和計算為主要內(nèi)容。這里不重復(fù)有關(guān)法蘭的計算，重點介紹墊片計算與密封性能的校核。 一、華特斯計算法 目前，我國的《鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定》與英國、日本有關(guān)壓力容器規(guī)范一樣，基本是沿用美國《ASME》規(guī)范，法蘭和密封的設(shè)計采用華斯特法。這種方法在密封性能的計算方面強調(diào)螺栓的強度，華斯特認為：在各種情況下，只要螺栓強度足夠，作用在墊片上的螺栓力不小于設(shè)計值，即能保證墊片和密封面的緊密連接。 1.在操作情況下所需的最小螺栓載荷Fm1（N）和在預(yù)緊螺栓時所需的最小螺栓載荷Fm2（N） 2.墊片計算密封寬度墊片計算密封寬度b可如下確定：當bo≤0.0064m時，b=bo， 從表3-5可見，墊片的有效密封寬度bo不等于墊片與壓緊面的實際接觸寬度N。此因墊圈置于螺栓孔內(nèi)側(cè)時，螺栓力使法蘭產(chǎn)生一定程度的偏轉(zhuǎn)。內(nèi)壓建立后，介質(zhì)壓力產(chǎn)生的軸向力加劇偏轉(zhuǎn)。因此，壓緊力并不是均勻分布在整個接觸面上，二是外緣緊、內(nèi)緣松，介質(zhì)可能滲透到墊圈的某一寬度，而且墊片寬度愈大，這種現(xiàn)象愈嚴重，所以計算寬度b≤bo，DG的計算方法也隨bo變化。 3.螺栓總截面積的計算 二、西德DIN2505法西德標準DIN2505“法蘭連接計算”中，墊片計算部分與我國現(xiàn)行規(guī)范有所不同，其步驟分為下列幾個： （9）計算結(jié)束后，還需作受力圖。將升壓升溫過程中法蘭、螺栓、墊片變形量算出并反映在一張圖上，以便了解在操作情況下，是否因過度松弛，需要在預(yù)緊時采用更高的螺栓力或另選墊片。三、系數(shù)法國內(nèi)有關(guān)單位在探討墊片密封性能設(shè)計方法時曾作過大量工作?，F(xiàn)將該計算方法作一簡介。 四、對三種計算方法的討論（1）《ASME規(guī)范》作為美國的國家標準，在世界上影響很大。其墊片密封性能計算部分的核心是預(yù)緊比壓y與墊片系數(shù)m值的確定。盡管《ASME規(guī)范》每隔3年修訂一次，但四十多年來，y、m值的變化并不大。例如：內(nèi)填石棉的纏繞墊過去y值為4500磅/英寸2，在77年版的《ASME規(guī)范》中修改為7000磅/英寸2。自1957年開始，一些國家的科學(xué)家對規(guī)范中推薦的墊片特性參數(shù)進行了大量的定性或定量的驗證工作，證明：y和m值不僅僅依賴于墊片的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)，還和墊片寬度、法蘭表面光潔度、墊片應(yīng)力、內(nèi)壓、介質(zhì)和所允許的泄漏量有關(guān)。特別是泄漏量和介質(zhì)對y、m值影響較大。這是近代密封技術(shù)研究取得的重大進展。 ①現(xiàn)行規(guī)范m和y值，沒有泄漏量的概念。因為泄漏是一由小到大的連續(xù)過程，如果不規(guī)定泄漏量指標，則無法確定我們在定義中說到的“臨界泄漏點”。所謂墊片的密封性能，只能以墊片在操作條件所能達到的最小泄漏量來衡量。 ②壓力、溫度、介質(zhì)對m、y值也有影響。例如，若使泄漏量相同，采用石棉橡膠墊時，用于氫氣的y與m值分別是用于誰的150倍和25倍。用于誰的m、y值與規(guī)范推薦值較為接近。實驗還證明：在給定一泄漏值的情況下，墊片系數(shù)m與內(nèi)壓呈指數(shù)關(guān)系。 ③科學(xué)家們很早就注意法蘭的表面粗糙度對密封性能的影響。在最早的墊片緊密性實驗（1934年）中，曾使用了不同表面粗糙度的法蘭。1979年，羅特（Raut）在其論文中提到，用石棉纏繞墊做四組不同粗糙度的法蘭密封實驗，結(jié)果表面：y值相同，泄漏量卻不一樣。表面粗糙度最低者，泄漏量最小。（2）DIN2505法（該方法實際上是將DIN2505中作圖部分以計算公式來表示）將法蘭、螺栓、墊片作為一個系統(tǒng)，著眼于墊片在設(shè)計溫度、壓力下的反力、甚至運轉(zhuǎn)周期的影響。通過校核，得出密封是否可靠的結(jié)論，在一定程度上減少了盲目性。對墊片的特性參數(shù)，DIN2505發(fā)考慮到液體和氣體的差別，因此數(shù)值有所不同，這在《ASME規(guī)范》中是沒有的。另外，由于注意到墊片力、介質(zhì)力對法蘭產(chǎn)生的撓度、螺栓的拉伸、墊片的壓縮、各種材料彈性模量在高溫下的降低以及熱脹冷縮，使得計算結(jié)果趨近于實際情況。在華特斯方法中，雖然也考慮到某些因素，如在計算密封寬度b時，計入了法蘭變形對有效接觸寬度的影響，但它不像后兩種方法采用較嚴密的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，而是定性的分析，所以計入的影響也是粗略的。 DIN2505法和系數(shù)法的不足之處在于計算過程較為繁復(fù)，涉及參數(shù)很多，有的需要采用電算。采用這兩種方法的前提是要求安裝時實際使用的預(yù)緊力與計算值確切相符，否則就失去了意義，而在目前要做到這一點是十分困難的。另外在計算過程中，仍然無法避免使用墊片的兩個特性參數(shù)，因此，在計算過程中無法顧及諸如泄漏量、表面粗糙度、裝配應(yīng)力等因素的影響。上述原因，導(dǎo)致了DIN2505法在眾多國家未能推廣應(yīng)用。至于系數(shù)法，國內(nèi)在工程設(shè)計中也較少使用。（3）用于密封計算的華特斯法是一種強度計算方法，它著重于螺栓的強度，而沒有把墊片反力是否足以阻止介質(zhì)泄漏作為著眼點。長期實踐表明：現(xiàn)行的m與y值在使用中“一般認為還是滿意的”，法蘭、螺栓連接系統(tǒng)是安全的，但也存在不同程度的泄漏。華特斯法的優(yōu)點在于它的簡便易行，所以長期為我國和許多國家采用。國內(nèi)外開展對m與y值的重新測定，無疑是對華特斯法的完善。但在目前，人們?yōu)榱吮ｋU起見，經(jīng)常采用一些補救措施。例如，在國外，對處于苛刻條件的法蘭連接處，訂貨時往往制定y與m值加大若干倍數(shù)。在國內(nèi)，采用法蘭螺栓升級的方法來解決某些易漏部位的問題，其目的也是為了增加y值。