现代密封技术应用 ——使用、维修方法与案例(十)

知为材料
2022-05-05


接上篇 现代密封技术应用 ——使用、维修方法与案例(九)】

现代密封技术应用

——使用、维修方法与案例(十)

第二章   垫片密封的使用维修

......

2.1 垫片密封概述

2.2 垫片密封使用维修方法

2.2.1垫片的选择

2.2.2 垫片的保管

2.2.3垫片的安装

2.2.4密封垫片的替换

......


2.2.5垫片密封的失效

垫片密封失效主要设计八个方面的因素:垫片的性能、螺栓的预紧力、法兰的刚度及其密封面、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. 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,填充法兰密封间的几何间隙,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(表2-4),其数值与垫片的种类和材料有关。y、m值越大,则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;对于温度、压力波动频繁的条件,则宜选用回弹性好的自紧式垫片。垫片的材料,应具有良好的弹性复原性,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,材质不因低温二硬化脆断,也不因高温而软化塑流,应具有应力松弛较小的特点。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。垫片的厚度,从承受螺栓压紧力分析,垫片宽度越窄约易夹紧,但其宽度的下限通常为大于5mm,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1.5~2a控制。

表2-4 常用垫片形式、材料及其m、y值

垫片形式

说明

材料

m

y/MPa

环形平垫

非金属平垫片

纸布和橡胶

无石棉橡胶板

厚度3mm

厚度1.5mm

厚度0.75mm

0.15~1.75

2.0

2.75

3.5

0~7.8

11

25.5

44.8

金属平垫片

无石棉织物

可用多种金属制作

铁或软钢

不锈钢

5.5

6.5

124.1

179.3

齿形金属垫片

金属平垫片用机床加工切削出同心圆

铁或软钢

蒙乃尔合金或4%~6%铬钢

不锈钢

3.75

3.75

4.25

52.4

62.1

69.6

支层式

金属套

无石棉外包金属套

铁或软钢

不锈钢

3.75

3.75

52.4

62.1

缠绕式

金属带夹无石棉带缠绕制作

碳钢

不锈钢或蒙乃尔合金

2.50

3.0

69

69

波纹式

石棉填充

石棉嵌入

波形金属套、无石棉填充

波形金属、无石棉嵌在波纹间

铁或软钢

蒙乃尔合金或4%~6%铬钢

不锈钢

3.0

3.25

3.5

31

38

44.8

环形垫片

八角形、椭圆形

金属环、一般用软铁低碳钢、不锈钢、蒙乃尔合金、镍、铜、铝

铁或软钢

蒙乃尔合金或4%~6%铬钢

不锈钢

5.5

6.0

6.5

124.1

150.3

179.3

2022322

2. 螺栓的预紧力

足够的螺栓预紧力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,有诸多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弛、温度变化等,都导致螺栓力相对分散,见表2-5。

表2-5 螺栓力的分散性

工具或方法

预紧载荷的分散性(%)

工具或方法

预紧载荷的分散性(%)

人工控制扭力扳手

±30

液压拉伸器

±20

气动扭力扳手

±35

千分表控制螺栓伸长

±3~±15

棘轮式扭力扳手

±60~±80

超声波控制螺栓伸长

±1~±10

控制螺母转角

±15

凭操作者感觉

±35

应变仪螺母

±1



由此可见螺栓紧固之后,各个螺栓预紧力相差比较大。为了保持螺栓的预紧力均匀分布和安全可靠,紧固件的选用应按管道运行的工艺条件确定,应遵循以下原则:

1)商品级六角螺栓螺母使用条件:①公称压力PN≤1.6MPa。②非剧烈循环场合。③配用非金属软垫片。④介质为非易燃、易爆及毒性危害程度较大的场合。上述“剧烈循环”场合,是指管道的位移应力δE≥0.8倍的位移许用应力[δ]A,或者当量循环数n≥7000的场合。

2)商品级双头螺柱及螺母的使用条件:①PN≤4.0MPa. ②配用非金属软垫片。③非剧烈循环场合。

3)除上述外,则应选用专用级螺柱(双头螺柱或全螺纹螺柱)和专用级螺母,配用缠绕垫、金属包覆垫、齿形组合垫、金属环垫等半金属或金属垫片,且使用35CrMoA,25CrMoVA等材料制造的高强度螺柱(双头螺柱或全螺纹螺柱)。

4)高温、剧烈循环场合或PN≥16MPa的高压条件下应选用全螺纹螺柱,且使用35CrMoA,25CrMoV、0Cr18Ni9,0Cr17Ni12Mo2材料制造。在石油化工生产过程中,大多数压力管道的运行温度不同于安装时的温度,为了保持法兰连接螺栓的预紧力,高温或低温管道的法兰连接螺栓在试运行时,应按下列规定进行热态或冷态紧固,见表2-6。紧固管道螺栓时,管道最大内压应根据设计压力确定。当设计压力小于或等于6MPa时,热态紧固时的最大内压应为0.3MPa;当设计压力大于6MPa时,最大内压力为0.5MPa。冷态紧固应在卸压后进行,热态紧固和冷态紧固应在保持工作温度2h后进行。特别要指出的是,在高温或低温工艺条件下间断生产的压力管道,每一次开工生产都要按照规定进行热态或冷态紧固,否则就可能产生泄漏,甚至造成火灾、爆炸或中毒事故,这是必须严格实施的工业操作原则。

表2-6 管道螺栓热态、冷态紧固温度

管道工作温度

一次热、冷紧温度

二次热、冷紧温度

250~350

工作温度

>350

350

工作温度

-20~-70

工作温度

<-70

-70

工作温度

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3. 法兰的刚度及其密封面

板式平焊法兰的刚度较差,在螺栓力的作用下,法兰变形引起密封面的转角而导致泄漏,适用于低压及公用工程场合,不得用于易燃、易爆及有毒的场合。带颈平焊法兰刚度较好,适用于中、低压场合中,但不适用于剧烈循环条件下和有频繁大幅度温度循环场合。带颈对焊法兰刚度好,是承载能力最好的法兰形式,也是石油化工装置配管广泛使用的法兰形式。法兰的密封面有四种形式。密封面形式和表面粗糙度对密封的效果影响较大,全平面的密封面,螺栓的预紧力难以达到足够大,当压力较高时垫片容易被吹掉而产生泄漏,密封面表面粗糙度多选择Ra6.3~12.5μm;带颈平焊法兰和带颈对焊法兰,多选用凸面、凹凸面或榫槽面的密封面,密封面的表面粗糙度根据垫片的选用材料和工艺条件分别选用Ra3.2~6.3μm或Ra0.8~1.6μm。

4. 管道支承

管道的支承主要是满足承重、限位或防振。管道在工艺运行过程中,发生位移、弯曲及脱离支架造成密封失效的情况时有发生,因此,管道支吊架的选择和支承点位置的确定很重要。管道支吊架结构形式众多,但仅考虑其功能和用途时,大致可分为四大类,即:承重支吊架,限制性支吊架,恒力支吊架及防振支架,其用途见表2-7。

管道支吊架形式的选择一般应遵循以下原则:

1)应按照支承点所承受的载荷大小和方向、管道的位移趋势、工作温度、保冷或保温、管道的材质等诸多因素选用合适的支吊架。

2)应尽可能选用焊接型的标准管卡、管托和管吊。

3)防止管道产生过大的横向位移及承受冲击载荷。

4)架空敷设的管道热胀冷缩量超过100mm时,应选用加长管托,以免管托滑到管架梁下。

5)管道在支承点处有向上垂直或向下垂直位移时,选用一般刚性支架将阻挡管道的位移,可选用可变弹簧支吊架。

6)管道在支承点有垂直位移且要求支承力的变化范围必须限在80%以内时,管道应采用恒力支吊架。管道支吊架的为止确定,需按相关的技术规定对管道的刚度条件、强度条件进行核算和选用。

表2-7 管道支吊架的分类及用途

名称

用途

                            承重支吊架

刚性支吊架

用于无垂直位移的场合

可调刚性支吊架

用于无垂直位移、但安装误差要求严格的场合

弹簧支吊架

用于有垂直位移的场合

                              限制性支吊架

固定支架

用于在固定点处不允许有线位移和角位移的场合

限位支架

用于限制某一方向位移的场合

导向支架

用于允许管道有轴向位移,但不允许有横向位移的场合

恒力支吊架

用于垂直位移大或要求保持管道在冷热状态下,支吊点的载荷不能变化很大的场合

                              防振支架

减振器

用于需要弹簧减振的场合

阻尼器

用于限制或缓和往复式机泵进出口管道和由地震、风压、水击、安全阀配出反作用力引起的管道振动

5. 管道法兰的安装

工艺管道以法兰连接形成静密封,在工程中应用较为普遍。法兰连接的同轴度、平行度是影响静密封效果的重要因素。其平行度的偏差不大于法兰外径的1.52/1000且不大于2mm,不许用强紧螺栓的方法消除法兰的歪斜,法兰连接的同轴度应保持其螺栓孔中心线偏差一般不超过孔径的5%,以保证螺栓能自由穿入;与转动设备相连接的法兰的平行度、同轴度的允许偏差应符合表2-8的规定。

表2-8 法兰的平行度、同轴度允许偏差

机器的转速/(r/min)

平行度/mm

同轴度/mm

300~6000

≤0.15

≤0.50

>6000

≤0.1

≤0.20

法兰连接在下列情况下,螺栓、螺母应涂以二硫化钼油脂、石墨润滑油或石墨粉:①不锈钢、合金钢制的螺栓、螺母。②管道的设计温度高于100℃或低于0℃。③露天装置。④有腐蚀介质或有大气腐蚀。特别是在工艺管道安装合格之后,管道不得再承受设计以外的任何附加载荷。

6. 工艺操作

工艺操作不当往往会造成静密封失效。压力、温度和介质是管道工艺操作的三项主要指标,超温、超压运行将导致管道尤其是在焊接、法兰、螺栓等几何结构不连接处的局部应力大幅度增加形成峰值应力,有可能产生泄漏或脆性破坏。

控制交变应力,避免螺栓产生疲劳破坏。管道在工艺运行中,承受着交变载荷的作用,这是因为工艺运行中存在着腐蚀过程。在氯碱工业和沿海的石油化工企业中,由于工业大气和大气的腐蚀,造成紧固件失效而引起密封件泄漏的情况时有发生。所以对密封件的紧固需要按规定进行巡检,并及时进行更换,以保证法兰螺栓足够的预紧力。

7. 环境因素

环境腐蚀包括水腐蚀、大气腐蚀和土壤腐蚀,对于紧固件,主要是大气腐蚀尤其是工业大气的严重腐蚀。污染物的变化及湿度与温度的变化,决定着工业大气的腐蚀强度,对于大多数工业结构合金,二氧化硫、硫化氢和氯将加速腐蚀过程。

8. 在线检验与维护

检验重点是: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载荷较大、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。为了防止密封失效,应尽量避免不必要的频繁加压、卸压、升温和降温,避免过大的压力、温度波动,力求做到工艺平稳操作。


(未完,待续)

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