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
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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
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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 |
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 |
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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