中、低压法兰密封计算

世界各国在有关压力容器的技术规范中，密封计算都归属于法兰设计或法兰螺栓连接部分，而且都以法兰、螺栓的受力分析和计算为主要内容。这里不重复有关法兰的计算，重点介绍垫片计算与密封性能的校核。 一、华特斯计算法 目前，我国的《钢制石油化工压力容器设计规定》与英国、日本有关压力容器规范一样，基本是沿用美国《ASME》规范，法兰和密封的设计采用华斯特法。这种方法在密封性能的计算方面强调螺栓的强度，华斯特认为：在各种情况下，只要螺栓强度足够，作用在垫片上的螺栓力不小于设计值，即能保证垫片和密封面的紧密连接。 1.在操作情况下所需的最小螺栓载荷Fm1（N）和在预紧螺栓时所需的最小螺栓载荷Fm2（N） 2.垫片计算密封宽度垫片计算密封宽度b可如下确定：当bo≤0.0064m时，b=bo， 从表3-5可见，垫片的有效密封宽度bo不等于垫片与压紧面的实际接触宽度N。此因垫圈置于螺栓孔内侧时，螺栓力使法兰产生一定程度的偏转。内压建立后，介质压力产生的轴向力加剧偏转。因此，压紧力并不是均匀分布在整个接触面上，二是外缘紧、内缘松，介质可能渗透到垫圈的某一宽度，而且垫片宽度愈大，这种现象愈严重，所以计算宽度b≤bo，DG的计算方法也随bo变化。 3.螺栓总截面积的计算 二、西德DIN2505法西德标准DIN2505“法兰连接计算”中，垫片计算部分与我国现行规范有所不同，其步骤分为下列几个： （9）计算结束后，还需作受力图。将升压升温过程中法兰、螺栓、垫片变形量算出并反映在一张图上，以便了解在操作情况下，是否因过度松弛，需要在预紧时采用更高的螺栓力或另选垫片。三、系数法国内有关单位在探讨垫片密封性能设计方法时曾作过大量工作。现将该计算方法作一简介。 四、对三种计算方法的讨论（1）《ASME规范》作为美国的国家标准，在世界上影响很大。其垫片密封性能计算部分的核心是预紧比压y与垫片系数m值的确定。尽管《ASME规范》每隔3年修订一次，但四十多年来，y、m值的变化并不大。例如：内填石棉的缠绕垫过去y值为4500磅/英寸2，在77年版的《ASME规范》中修改为7000磅/英寸2。自1957年开始，一些国家的科学家对规范中推荐的垫片特性参数进行了大量的定性或定量的验证工作，证明：y和m值不仅仅依赖于垫片的材质与结构，还和垫片宽度、法兰表面光洁度、垫片应力、内压、介质和所允许的泄漏量有关。特别是泄漏量和介质对y、m值影响较大。这是近代密封技术研究取得的重大进展。 ①现行规范m和y值，没有泄漏量的概念。因为泄漏是一由小到大的连续过程，如果不规定泄漏量指标，则无法确定我们在定义中说到的“临界泄漏点”。所谓垫片的密封性能，只能以垫片在操作条件所能达到的最小泄漏量来衡量。 ②压力、温度、介质对m、y值也有影响。例如，若使泄漏量相同，采用石棉橡胶垫时，用于氢气的y与m值分别是用于谁的150倍和25倍。用于谁的m、y值与规范推荐值较为接近。实验还证明：在给定一泄漏值的情况下，垫片系数m与内压呈指数关系。 ③科学家们很早就注意法兰的表面粗糙度对密封性能的影响。在最早的垫片紧密性实验（1934年）中，曾使用了不同表面粗糙度的法兰。1979年，罗特（Raut）在其论文中提到，用石棉缠绕垫做四组不同粗糙度的法兰密封实验，结果表面：y值相同，泄漏量却不一样。表面粗糙度最低者，泄漏量最小。（2）DIN2505法（该方法实际上是将DIN2505中作图部分以计算公式来表示）将法兰、螺栓、垫片作为一个系统，着眼于垫片在设计温度、压力下的反力、甚至运转周期的影响。通过校核，得出密封是否可靠的结论，在一定程度上减少了盲目性。对垫片的特性参数，DIN2505发考虑到液体和气体的差别，因此数值有所不同，这在《ASME规范》中是没有的。另外，由于注意到垫片力、介质力对法兰产生的挠度、螺栓的拉伸、垫片的压缩、各种材料弹性模量在高温下的降低以及热胀冷缩，使得计算结果趋近于实际情况。在华特斯方法中，虽然也考虑到某些因素，如在计算密封宽度b时，计入了法兰变形对有效接触宽度的影响，但它不像后两种方法采用较严密的数学公式推导，而是定性的分析，所以计入的影响也是粗略的。 DIN2505法和系数法的不足之处在于计算过程较为繁复，涉及参数很多，有的需要采用电算。采用这两种方法的前提是要求安装时实际使用的预紧力与计算值确切相符，否则就失去了意义，而在目前要做到这一点是十分困难的。另外在计算过程中，仍然无法避免使用垫片的两个特性参数，因此，在计算过程中无法顾及诸如泄漏量、表面粗糙度、装配应力等因素的影响。上述原因，导致了DIN2505法在众多国家未能推广应用。至于系数法，国内在工程设计中也较少使用。（3）用于密封计算的华特斯法是一种强度计算方法，它着重于螺栓的强度，而没有把垫片反力是否足以阻止介质泄漏作为着眼点。长期实践表明：现行的m与y值在使用中“一般认为还是满意的”，法兰、螺栓连接系统是安全的，但也存在不同程度的泄漏。华特斯法的优点在于它的简便易行，所以长期为我国和许多国家采用。国内外开展对m与y值的重新测定，无疑是对华特斯法的完善。但在目前，人们为了保险起见，经常采用一些补救措施。例如，在国外，对处于苛刻条件的法兰连接处，订货时往往制定y与m值加大若干倍数。在国内，采用法兰螺栓升级的方法来解决某些易漏部位的问题，其目的也是为了增加y值。