静密封的应用十分广泛。有关资料显示,石油化工装置的管道费用约占装置投资的10%~ 30%,一个大型石化企业,静密封点通常在几十万个乃至上百万个,仅一套4 Mt/ a 原油加工和一套70 kt/ a聚丙烯生产装置的静密封点就有 59. 45 * 104个。在石油化工装置压力容器和工艺管道抢修次数中,静密封点泄漏占48%。由于泄漏的大都属于高温、高压、 易燃、 易爆介质木纤维袜子
,对现场抢修和操作人员的生命安全威胁极大。在抢修过程中采取调整和更换垫片处理的占 49. 2%, 调整紧固螺栓处理的占40. 3%,更换法兰和螺栓的占10. 5%。 1 静密封失效因素
静密封主要有垫密封、 胶密封和接触密封三种形式, 依其工作压力又可以分为低压、 中压、 高压和超高压密封。以垫密封为例, 分析认为静密封失效主要有八个方面的因素:垫片的性能、 螺栓的预紧力、 法兰的刚度及其密封面、 铆压机
管道的支承、管道法兰的安装、 工艺操作、 环境因素、在线检验。 1. 1垫片性能
垫片借助于螺栓的预紧载荷通过法兰实施压紧,使其产生弹性塑性变形,填充一对法兰密封面之间的几何间隙,切断或阻止流体泄漏。垫片性能的选择对实现密封的效果影响很大。垫片的比压力 y 和垫片系数m 是反映垫片性能的两个重要参数, 其数值与垫片的种类和材质有关。y 值、 m 值越大, 则表明垫片达到密封时需要的螺栓载荷越大。
垫片的选用应依据对其密封性能诸因素的全面评价,如 y , m 及管系的操作压力、 操作温度、 工作介质、 法兰密封面的形式等。垫片的类型,对于高温、 高压条件,多采用金属垫片; 常压、 中、 低压、中温条件,多采用非金属垫片;对于介于两者之间的条件, 多采用半金属垫片;对于温度、 压力波动频繁的条件电机智能监控器, 则宜选用回弹性好的自紧式垫片。垫片的材料,应满足良好的弹性复原性,适当的柔软性、 不污染密封介质, 不腐蚀密封表面, 且耐工作介质的腐蚀,材质不因低温而硬化脆断,也不因高温而软化塑流, 应具有应力松驰较小的现象。垫片的厚度,在低、 中压的条件下, 宜选用薄垫片,但在工作压力较高的情况下, 则宜选用厚垫片。垫片的宽度,从承受螺栓压紧力分析,垫片宽度越窄越易夹紧,但其宽度的下限通常为大于5 mm,对金属垫片,为了不产生过大的螺栓应力,取小宽度是一个重要原则。非金属垫片一般情况下不得重复使用,石棉橡胶垫片的使用寿命按1. 5~ 2 a控制。 1. 2 螺栓的预紧力
足够的螺栓预紧力,满足垫片 y 的要求是实现可靠密封的一个重要因素。螺栓预紧力的控制: 在管道法兰、 垫片、 螺栓、螺母装配过程中, 螺栓的压紧力不可能全部转化为垫片的应力, 尽管在螺栓的紧固过程中注意到按对角线成对进行紧固,并做到对称、 均匀、 逐渐紧固,达到松紧适度,但事实上在操作过程中不可能保持一致,真正做到这一点非常困难,有诸因素影响螺栓预紧力。如拧紧的工具和方法,操作人员及控制的精确度,螺栓与垫片的蠕变松驰、 温度变化等导致螺栓力相对分散.以上这些影响因素的分析主要围绕法兰、螺栓、垫片是一个整体系统来分析的。事实上影响泄漏的因素还很多。例如介质的易腐蚀, 渗透性就对垫片的材料选择,法兰刚度的选择以及螺栓紧固能力的设计带有诸多要求。总之静密封的使用应该做到:( 1)正确使用垫片。( 2)选用合适的法兰连接形式。(3)正确紧固件和适当的预紧力, 碳钢螺栓的强度大于同型号不锈钢螺栓。
垫片性能的好坏, 如回弹性能、 耐高温性能等,都直接影响到静密封系统的密封性能, 提高垫片的综合性能才能有效提高密封系统的密封可靠性。合适的螺栓预紧力是实现可靠密封的重要因素。螺栓预紧力较小,无法实现有效的密封,预紧力过大则可能导致垫片压溃使垫片丧失回弹性能。在螺栓力的作用下,刚度较差的法兰会产生较大变形,引起密封面的较大偏转, 进而导致泄漏。法兰密封面的形式和表面粗糙度的选择也很重要, 如基本型垫片适用于
与榫槽型密封面的法兰相配。带内加强环的垫片适用于与凹凸型密封面的法兰相配;带内、 外加强环的垫片适用于与凸面型密封面的法兰相配; 带外加强环的垫片也可用于与凸面型密封面的法兰相配。管道的支承主要是满足承重、 限位和防振。管道在工艺运行过程中,发生位移、 弯曲及脱离支架造成静密封失效的情况时有发生。法兰连接的同轴度、 平行度也是影响静密封效果的重要因素, 其同轴度、 平行度越差, 造成静密封失效的可能性就越大。操作条件,如压力、 触摸电视温度和介质性质, 是影响静密封紧密性的重要因素。环境腐蚀包括水腐蚀、 大气腐蚀和土壤腐蚀,对于紧固件而言主要是工业大气腐蚀。污染物的变化、 湿度与温度的变化,均决定着工业大气的腐蚀强度, 对大多数金属材料来说, 二氧化硫、硫化氢和氯将加速腐蚀过程。设备检验的重点主要是:重要生产装置或设备的进、出口法兰连接处。处于生产流程要害部位的管段及工作条件荷载较大、 介质温度较高且易燃、 易爆、 有毒、 承受交变载荷的管段,压缩机、 泵的进出口部位。补偿器、 三通、弯头(弯管)、 大小头及支管的连接处。(管道支、 吊架及其损坏部位附近的管道组成件的连接处) 曾经出现过影响管道安全运行的部位等。
2新型接触式静密封件
近年来 ,在密封件制造行业中领先的俄罗斯及其他国家的某些公司研制和生产了一些新型结构的接触密封件 ,改进了产品的特性并获得了专利权。可卸接合件密封中 ,用得最广泛的静密封件就是平型垫片 ,由非金属材料加工而成 ,可用法兰、 管接头、 环箍及用于各种温度和压力介质的其他连接件的密封。这种垫片在使用过程中 ,物理机械性能不得发生变化,并且具有必要的弹性挠性 ,以补偿在工作条件变化时连接件出现的位移和变形。在设计垫片和法兰连接件时 ,应尽量减少法兰的轴向压缩应力 ,所以垫片的宽度应比法兰宽度窄些 ,而所用的材料应比法兰材料软些。通常 ,密封垫片应采用易变形的材料 (橡胶板、 石棉橡胶板、 氟塑料、 纸板、 石棉和皮革等 )以及复合材料 (石棉与橡胶、 软木与石棉、 纸与环氧树脂 ,软金属与弹性体等 )。选择的垫片材料的技术性能应符合所密封的工作介质的要求。
橡胶被广泛地用于制造可卸式连接件的静密封件 ,因为 ,当形状变化引起变形和位移时一个轮子的代步工具 ,它具有很好的弹性和较小的硬度。良好的弹性可以确保连接件在较低的工作负荷下 ,不致于发生渗透 ,硫化胶的体积变形也很小。硫化胶制成的密封件可在各种气体和液体介质中使用 ,使用压力高达 50 MPa,使用温度可从- 60℃ 到 200℃。硫化胶密封件的缺点是其应力随时间而发生变化 (即应力松弛现象 )。这种表现可以是物理松弛作用 ,也可以是化学松弛作用 ,前者是由于硫化胶大分子中链段的位移和链的振动断裂所致 ,后者则是因硫化胶与氧的作用
(老化)所引起的。松弛速率与温度、密封件的压缩程度、 介质的性质 ,硫化胶的种类有关。有些液体介质会引起硫化胶的溶胀 ,使密封件的体积增大 ,体积变化的程度与其所密封的介质和硫化胶的种类有关。石棉橡胶板是由石棉、 橡胶和填料混合物经硫化加工而成 (有些可不用硫化 ) ,石棉橡胶板可用作水槽、 石油产品、 贮运槽、 贮氧槽的密封垫片。目前生产的石棉橡胶胶板的厚度有0 . 4、0.6、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0mm等多种规格。
石棉是一种纤维结构的矿物质 ,用其制成的垫片可用于高温条件下介质的密封。石棉纤维在高达 400℃ 条件下仍能保持本身的初始强度。在更高的温度下 ,由于结晶水的损失 ,纤维因磨蚀而变成粉末。如果温度达 700℃,这一过程将会瞬间发生。所以 ,石棉材料最高使用温度可以达 470℃(最佳使用温度为 260℃)。石棉几乎可与任何材料混合起来使用。石棉可加工成石棉垫、石棉橡胶板 ,密封填料 ,增强带等等。 (编者按:必须指出 ,石棉是致癌物质,因此现在用得越来越少了)由纸板制作的垫片可用于法兰和其他连接件的密封,生产的纸板有两种型号: A可视化调度系统型为浸渍橡胶的纸板,厚度为0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1.0、1 .5mm。Б型为非浸渍橡胶的纸板 ,厚度为0.3、0.5、0.8、1.0、1.25、1.5、1.75、2. 0、2.25、2.5mm。厚度在0.8mm以下(含0.8 mm)的纸板可加工成板材或者卷材,大于0.8mm的只能做
板材。
3密封材料和元件研究开发的重点和发展趋势
非石棉密封复合材料的进一步研究开发目前虽然已经成功研制开发了多种非石棉纤维橡胶垫片 , 某些产品的性能已经达到甚至超过石棉橡胶板 , 但普遍存在适用温度范围较窄、制造成本较高、抗蠕变松弛和老化性能较差等问题 , 进一步研究的重点之一在于基体材料及增强纤维的选择。由于单纯的有机或无机纤维均不能取得很好的效果 , 混杂纤维仍是首选 , 这样可利用各种纤维的优点而摒弃其缺点。选择的非石棉增强纤维应具有较好的耐高温性能 , 足够的单丝强度和韧性 , 容易进行表面处理 , 与橡胶 (或其他树脂) 粘结力高 , 较高的耐腐蚀和耐溶剂能力 , 还应具有很好的性能价格比。制备中宜采用短纤维以提高材料小变形下的弹性模量和抗破坏能力 , 降低蠕变速度、应力松弛速度和压缩变形的累积速度。由于短纤维的存在能抑制裂纹的扩展 , 从而可改善材料的撕裂强度和冲击韧性 , 同时也使材料的致密性、耐溶胀性、耐温性、耐腐蚀性和尺寸稳定性得到提高。增强纤维之间、纤维与基体之间在理化性能和组织结构等方面存在较大的差别 , 其润湿性一般都不太理想 , 因此提高纤维与基体的界面结合强度 , 是改善非石棉纤维橡胶垫片性能的重要途径 , 这是进一
步研究的另一个重点。此外 , 有必要对复合材料的本构关系、蠕变和松弛特性、基本密封性能以及最小预紧比压和密封系数进行系统研究 , 以便于密封材料的筛选和连接结构的设计。
适合特殊场合使用的密封材料和结构研究在一些超高压快开结构 , 如 CO2超临界萃取装置中 , 螺栓法兰连接结构并不适用 , 现有密封材料和元件的使用效果亦不理想; 在高真空、超高压的工况条件下 , 如果使用金属垫片 , 将使连接结构十分庞大 , 对密封面状态的要求亦将导致制造和维护成本急剧增加; 温度波动剧烈的场合对密封材料和结构的要求更高 , 单一材料的密封元件很难适应这种环境。南京工业大学流体密封与测控技术研究室已成功开发出多种适用于特殊工况的密封元件。如圆柱弹簧外覆薄金属的特种弹性金属垫片既可用于高真空 , 又可用于超高压条件 , 已在核工业和航空航天工业部门得到应用; 对 C 形环密封垫片进行改进 , 由金属与适宜的非金属复合制成的密封元件可适用于超高压快开装置中。适用于温度波动剧烈场合的密封元件的研制是目前密封领域的一个重要研究课题。
纳米材料在静密封领域的应用。纳米材料是近年来科学上的一项重大发现 , 已经成为当今许多学科研究的热点。通常材料尺寸的减小 , 不会引起材料性质的变化 , 但当材料尺寸小
至纳米级时 , 其某些理化性质将发生突变 , 呈现与原来物质差异甚大的特性。利用纳米材料表面严重的配位不足 , 具有极强活性的特点 , 可使其与某些大分子发生键合作用 , 以提高分子间的键力 , 从而使复合材料的强度、韧性大幅度提高。将一些纳米颗粒加入到塑料中去可提高塑料的强度、抗蠕变性能和抗老化性能。为了改善硅橡胶性能 , 可用纳米SiO2部分取代普通 TiO2 , 以提高其强度、弹性和耐磨性。纳米材料还可制成一些高分子材料 , 这些高分子材料可作为新型橡胶材料的补强填料。将纳米氧化铝添加到氧化铝陶瓷中 , 可以增加其韧性和延展性 , 降低其脆性 , 制成高品质陶瓷纤维。以纳米改性橡胶为基体、以纳米改性纤维为增强纤维 , 有望制成新型高性能密封材料和元件。
4 结束语
密封元件的性能直接影响连接结构的紧密性。现代科学和技术飞速发展 , 使过程工业装备日趋高参数、大型化 , 新的工艺不断涌现 , 一些传统的密封材料和结构已经不能满足对系统和装备日趋严格的紧密性要求。因而开发新型密封材料和结构始终是密封技术领域的研究热点。
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