亚博竞彩群什么是垫圈?管道用垫片的功能及种类(PDF格式)

亚博竞彩群什么是垫圈?

垫片是运行装置管道系统中法兰连接的基本部件之一。垫圈被定义为夹在机械接头(法兰接头)的两个可分离机械部件之间的密封材料或材料组合，它产生接头中最薄弱的环节。采用不同类型的垫片保证密封的防漏性。在石油天然气、化工、石化等重工业中，广泛使用许多不同类型的垫片。在这篇文章中，我们将探讨垫圈的含义，它们的功能，类型和选择方法。

一个垫片是一种封闭在两个法兰之间的软密封材料，以实现无泄漏密封应用。为确保法兰接头的正常功能和成本效益:-

• 法兰必须非常坚硬和厚重。
• 法兰面应该非常光滑。
• 法兰应该在管道上无张力的情况下关闭
• 法兰应该100%平行。

但这在经济上是不可行的。

管道法兰连接中垫片的功能

管道中的垫片用于在机械组件的两个固定部件(法兰连接)之间形成静态密封。在操作过程中保持防泄漏密封。在所有操作条件下，垫圈材料(在法兰面之间插入半塑料材料)通过外力(螺栓拧紧力)流入配合表面之间的缺陷，并保持紧密密封(密封微小的表面不规则，以防止流体泄漏)。

产生严密密封所需的垫片材料的流量(密封)取决于表面的粗糙度。垫圈必须能够在系统的所有操作条件下保持这种密封，包括极端的温度和压力扰动。因此，重要的是要确保正确的设计和选择垫圈，以防止法兰泄漏问题，并避免昂贵的关闭加工厂。

所以GASKET的主要功能是:

• 为了防止垫圈与法兰表面之间的泄漏，垫片材料必须填充法兰表面的不平整。
• 垫片材料必须克服法兰的不对中，以防止垫片和法兰表面之间的泄漏。
• 通过垫圈的泄漏必须减少到最小的内部压力-排放

工作垫圈

参考上图(图1)，其中显示了作用在垫片上的三个主要力。通常，在施加内部压力之前，通过拧紧法兰上的螺栓来固定垫圈。当在接头中施加内部压力时，端力(流体静力端力)倾向于分离法兰，并降低垫圈上的单位应力(残余应力)。如果流体静力端力足够大，并且流体静力端力与螺栓载荷之间的差值将垫圈载荷降低到临界值以下，则会在压力下发生泄漏。为了更清楚地解释它，我们可以说有三个主要的力作用在任何垫圈接头上。它们是:

• 螺栓载荷它施加初始压缩载荷，使衬垫材料流入表面缺陷处，形成密封。
• 静压端力当系统加压时，倾向于分离法兰。
• 内部压力作用于暴露在内部压力下的垫圈部分，在操作条件下倾向于将垫圈吹出接头和/或绕过垫圈。

尽管由于温度和压力的突然变化可能会产生其他激波力。蠕变松弛是另一个可能出现的因素。施加在关节上的初始压缩力必须满足以下几个目的:

• 无论操作条件如何，初始安装垫圈和将垫圈流入垫圈阀座表面的缺陷处都必须足够。
• 初始压缩力必须足够大，以补偿在操作条件下存在的总流体静力。
• 它必须足以维持垫圈/法兰接口上的残余负载。

现在从实际的角度来看，如果需要保持紧密的连接，垫片上的剩余负载必须是内部压力的X倍。这个未知数“X”是ASME压力容器规范中指定的“m”因子，亚博竞彩群它将根据所使用的垫片类型而变化。实际上，“m”值是垫片上的剩余单位应力(螺栓载荷减去静液端力)与系统内部压力的比值。“m”值越大，设计师就越能保证得到一个紧密的接头。

垫片类型

根据不同的参数，垫片分为以下几类:

• 垫片类型根据垫片材料
• 垫圈的类型取决于垫圈的配置
• 垫片类型根据垫片的表面而定
• 各种类型的垫圈

垫片的种类根据垫片材料而定

根据制造垫片所用的垫片材料，工业应用中广泛应用的垫片有三种类型。他们是

• 非金属垫片
• 半金属或复合垫圈，和
• 金属垫片

非金属垫片

通常，复合板材材料用于平面法兰和低压级应用。非金属垫圈是用非石棉材料或压缩石棉纤维(CAF)制造的。非石棉类型包括芳纶纤维、玻璃纤维、弹性体、聚四氟乙烯(PTFE)和柔性石墨垫片。全端面垫圈类型适用于平板端面(FF)法兰，平环垫圈类型适用于凸起端面(RF)法兰。

半金属或复合垫圈

半金属垫片是金属和非金属材料的复合材料。金属旨在提供强度和弹性，而非金属部分垫片提供一致性和密封性。常用的半金属垫片有螺旋缠绕、金属夹套、凸轮型面以及各种金属增强石墨垫片。半金属垫圈适用于最广泛的温度和压力操作条件。半金属垫圈用于凸面、公母法兰、舌形和槽形法兰。

金属垫片

金属垫圈是由一种或一种金属组合制成所需的形状和尺寸。常见的金属垫圈有环连接垫圈和透镜环。它们适用于高压和高温应用，需要高螺栓载荷来密封。

根据垫片配置选择垫片类型

除了垫片材料的选择外，垫片的结构或配置也很重要。下面的段落解释了四种主要类型的垫圈。

石墨箔垫片

石墨箔的物理和化学性质使其适合作为相对苛刻的操作条件下的密封材料。在氧化环境中，石墨箔可在-200 ~ +500℃的温度范围内使用，在还原气氛中，可在-200 ~ 2000℃的温度范围内使用。由于石墨箔没有粘结材料，因此具有优异的耐化学性，不受大多数商业上使用的常用化学品的影响。它还具有很好的应力松弛特性。

螺旋缠绕垫片

顾名思义，螺旋缠绕垫圈是通过在金属缠绕芯轴的外围缠绕预成形金属条和填料制成的。所有螺旋缠绕垫圈都配置一个定心环。除了控制压缩外，这些环还用于将垫圈定位在螺栓圈的中心位置。内环用于材料(如带有聚四氟乙烯填料的垫圈)有向内屈曲倾向的地方。该环还可以防止衬垫内径和管道内径之间的固体堆积。在真空条件下，如果损坏的部件碎片被拉进系统，该环可以防止损坏。螺旋缠绕垫圈可以在-250到1000°C的温度和从真空到350巴的压力下工作。螺旋缠绕垫圈高达1英寸。直径高达600级要求均匀螺栓应力25,000 psi压缩垫圈。更大的尺寸和级别需要30,000 psi来压缩垫圈。

环连接垫圈

环形连接垫圈通常用于高压管道系统和容器的沟槽法兰。其适用压力范围为1,000至15,000 psi。这些垫圈被设计用来在中等螺栓负荷下提供非常高的垫圈压力。这些接头通常不是压力驱动的。硬度必须小于法兰材料的硬度，以使材料在不损坏法兰表面的情况下正常流动。最广泛使用的环连接垫圈是椭圆形和八角形类型。椭圆类型的垫圈接触法兰表面的曲面，并提供高度可靠的密封。然而，弯曲的形状使得实现精确的尺寸和表面加工更加困难。椭圆垫圈也有只能使用一次的缺点，因此对于必须定期打开的法兰来说，它们可能不是密封的最佳选择。另一方面，由于它们只由直面构成，八角形垫圈通常更便宜，它们可以更精确地尺寸，并且比椭圆型垫圈更容易表面抛光。 However, a greater torque load is required to flow the gasket material into imperfections that may reside on the flange faces. Octagonal gaskets can be used more than once.

波纹金属垫片

这种类型的垫圈可用于各种金属，包括黄铜，铜，铜镍合金，钢，蒙乃尔合金和铝。波纹金属垫圈可以制造成所需的任何形状和尺寸。金属厚度通常为0.25或0.3毫米，波纹间距为1.6、3.2和6.4毫米。密封机制是基于波纹峰与配合法兰之间的点接触

垫片类型根据垫片的表面而定

根据垫圈的表面，有两种类型的垫圈。这两种类型的垫圈最常见的是环形垫圈和全面垫圈。后者顾名思义，覆盖整个法兰面，并通过螺栓孔穿透。它们适用于平面法兰。环形垫圈延伸到法兰螺栓孔的内部，因此是自定心的。它们通常用于凸面或搭接法兰，但也可以用于平面法兰。

其他垫片类型

平环垫圈

平环类型的垫圈广泛应用于任何使用条件允许的地方，因为它们可以很容易地从平板上切割和安装。它们通常由橡胶、纸、布、石棉、塑料、铜、铅、铝、镍、蒙乃尔合金和软铁等材料制成。这些垫圈类型的厚度通常从1/64到1/8英寸。纸、布和橡胶垫圈不建议在120°C以上使用，石棉成分垫圈可以在350°C或稍高的温度下使用，黑色金属和镍合金金属垫圈可以在法兰的最高额定温度下使用。

压缩下的轴向和径向垫片流动

在初始压缩时，垫片将轴向和径向流动。需要轴流来填充法兰表面的凹陷，防止泄漏。除非密封垫受到限制，否则径向流动没有任何用处。当法兰接头被加热时，由于法兰本体和螺栓之间的差异，会产生更大的垫圈压力。这种更大的压力加上通常在高温下垫圈材料的软化导致额外的轴向和径向垫圈流动。为了弥补这一点，法兰螺栓通常在接头加热到正常工作温度后重新紧固第二次或第三次。

薄垫片vs厚垫片

厚垫片将流动径向远比薄垫片的程度。一些薄垫圈在极高的单位压力下几乎没有径向流动。因此，对于高温，薄垫片具有保持永久厚度的优势，而厚垫片将继续径向流动，并可能泄漏，及时，由于由此减少的垫片压力。然而，在尝试最大限度地利用薄垫片的优势时，人们可能会发现所选垫片的厚度不足以密封商业法兰表面的不规则情况。

螺旋缠绕石棉金属垫圈

螺旋缠绕石棉金属垫片结合了厚垫片和薄垫片的优点。虽然一个相对较厚的垫片(最常见的类型是0.175“厚)，其螺旋叠层结构限制石棉填料之间的轴向柔性金属层。这消除了厚垫圈的径向流动特性，并提供弹性以适应不同的使用条件。螺旋缠绕垫圈可用不同的填充材料，如聚四氟乙烯，Grafoil等，以适应流体兼容性。与凸面法兰一起使用的螺旋缠绕垫圈通常有一个内金属环和一个外定心环。

叠层垫圈

叠层垫圈由金属外壳和软填料(通常为石棉)制成。这种垫圈类型可以在大约400°C到450°C的温度下使用，与固体金属平环垫圈相比，需要更少的螺栓负载来安装和保持紧密。

锯齿金属垫圈

锯齿金属垫圈由固体金属制成，并在表面加工同心槽。这大大减少了初次紧固时的接触面积，从而减少了螺栓负荷。当垫圈变形时，接触面面积增大。锯齿型垫圈适用于软垫圈或层压垫圈不理想和螺栓负荷过大的平环金属垫圈。光滑的法兰面应该与锯齿垫圈一起使用。

石棉填充波纹垫圈

波纹垫圈与石棉填充类似于层压垫圈，除了表面是刚性的同心圆环与锯齿垫圈的情况。波纹垫圈比层压或锯齿垫圈需要更小的阀座力，广泛用于低压液体和气体服务。不含石棉的波纹金属垫片比含石棉填充物的波纹金属垫片可以使用更高的温度。

环连接垫圈

两种标准类型的环连接垫圈可用于高压应用。一种是椭圆形截面，另一种是八角形截面。这些环由固体金属制成，通常是软铁、软钢、蒙乃尔合金、4-6%铬和不锈钢。合金钢环应经过热处理使其软化。

推荐环形连接垫圈用于150级法兰连接。当选择环形接头或螺旋缠绕垫圈时，建议线路法兰为焊接颈型。

影响垫圈性能的参数

垫圈的性能受到许多因素的影响。在选择垫片时，必须考虑到所有这些因素:

法兰载荷的影响

所有垫圈材料都必须有足够的法兰压力来压缩垫圈，以确保产生紧密的、不破裂的密封。实现这一目的所必需的法兰压力或最小阀座应力称为“y”因子。这种法兰压力必须均匀地施加在整个阀座区域，以实现完美密封。但在实际使用中，垫片周围的分布并不均匀。最大的力直接施加在螺栓周围的区域。最小的力发生在两个螺栓的中间。法兰设计者必须考虑到这一因素。

内压效应

在使用过程中，一旦对容器施加压力，最初的垫片压缩就会由于作用在垫片上的内部压力(井喷压力)和法兰(流体静力端力)而减小。为此，必须在垫片材料上施加额外的预紧力。美国机械工程师协会(ASME)已经建立了一个“m”或维护因子来解释这个预紧力。“m”因子定义了剩余载荷(原始载荷减去内部压力)必须超过内部压力的多少倍。在此计算中，应考虑常压和试验压力。

温度的影响

环境温度和工艺温度对垫圈材料、法兰和螺栓的影响都必须考虑在内。这些影响包括螺栓伸长，垫片材料的蠕变松弛或热降解。这可以减少法兰负载。工作温度越高，就越需要注意垫圈材料的选择。当系统被加压和加热时，关节会变形。螺栓、法兰和管道之间不同的膨胀系数会产生影响垫圈的力。螺栓连接的相对刚度决定了螺栓载荷中是否有净增益或净损失。柔性接头通常会失去螺栓载荷。

流体效应

被密封的介质，通常是液体或气体，气体比液体更难密封。温度对许多流体的影响使它们变得更具侵略性。因此，在环境温度下可以密封的流体，在较高温度下可能会对垫圈产生不利影响。垫片材料必须能抵抗流体的腐蚀。它应该对系统流体进行化学抵抗，以防止其物理性能受到严重损害。

垫圈的表面光洁度

垫片的表面光洁度——由压在或加工到外表面的沟槽或通道组成——决定了垫片材料在法兰间隙中形成物理屏障所需的厚度和可压缩性。表面处理过细或过浅是不可取的，特别是在坚硬的垫圈材料上，因为光滑的表面可能缺乏所需的抓地力，这将允许挤压发生。另一方面，表面处理过深会产生需要更高螺栓负载的垫圈，这可能会使其难以形成紧密密封，特别是当涉及到大法兰表面时。精细的加工标记应用于法兰表面，与施加流体压力的方向相切也有帮助。对于厚度超过0.5 mm的垫片，建议采用深度约0.125 mm的防滑槽法兰面;对于较薄的垫片，建议采用0.065 mm深的沟槽。在任何情况下，法兰密封面加工时都不应带有沿垫圈密封面径向延伸的工具标记;这样的标记可能会导致泄漏。

垫片厚度的影响

对于给定的材料，较薄的垫片比较厚的垫片能够承受更高的压应力，这是一个普遍的规律。然而，较薄的材料要求较高的表面光洁度。根据经验，垫片的厚度应该至少是法兰表面最大粗糙度的四倍。垫圈必须足够厚，以占据法兰表面的形状，并在螺栓载荷下仍然压缩。在振动不可避免的情况下，应采用比最低要求更厚的垫圈。

垫片宽度

为了减少产生特定垫片压力所需的螺栓负载，建议垫片的宽度不要超过所需的宽度。对于给定的垫圈应力，带窄垫圈的凸起法兰需要的预紧力更小，因此法兰强度比全面垫圈要小。一般来说，高压垫圈往往比较窄。

应力松弛

这一因素是衡量材料在一段时间内的弹性，通常表示为单位时间内损失的百分比。随着时间的推移，由于施加的压力导致材料的流动或变薄，所有垫片材料都会失去一些弹性。在初始松弛之后，垫圈的残余应力应保持不变。

垫圈外径的影响

对于由相同材料制成且具有相同宽度的两个垫圈，外径较大的垫圈将承受更高的压力。因此，建议使用外径尽可能大的垫片。

垫圈设计规范和标准

在指定垫圈时，通常采用下列标准。

• ASME B16.21管道法兰用非金属平垫圈。
• ASME B16.20钢管法兰用金属垫圈，环接头，螺旋缠绕和夹套
• IS2712压缩石棉纤维接头规范。
• BS 3381适用于bs1560法兰的螺旋缠绕垫圈

如何选择垫片?垫片的选择

垫片材料所选择的应是不受使用条件的物理或化学不利影响的产品。

以下因素决定了垫圈的正确选择。

• 垫圈材料应该与流体应用兼容。
• 能够承受系统的压力温度。
• 垫圈的使用寿命
• 垫片材料必须对应用流体具有耐腐蚀性能。
• 垫圈应该是现成的。
• 经济-客户总是喜欢便宜和可靠的垫圈。
• 法兰结构——法兰的厚度对螺栓载荷和阀座应力有影响。薄的和变形的法兰需要更软的垫圈。
• 标准化,
• 质量双端螺栓-
• 发射参数-每个选定的垫圈有不同的发射参数。
• 法兰不对中-法兰最大不对中为0.4毫米。

垫圈材料

根据使用环境、温度和压力的不同，垫圈可以采用如下表所示的各种材料:

金属	非金属	螺旋缠绕垫圈的缠绕条	绕组填充材料
低碳钢	聚四氟乙烯	不锈钢	聚四氟乙烯
不锈钢	压缩石棉	双相钢	石墨
软铁	橡胶	蒙乃尔
Chrome-Moly	陶瓷纤维	钛

彩色编码表用于垫圈类型的识别

螺旋缠绕垫片以不锈钢芯和聚四氟乙烯或石墨为填料材料，是加工工业中应用最广泛的垫片。为了检查和识别，ASME B16.20提供了如下图11所示的颜色编码图:

在环外表面涂上彩色涂层，使检查人员能够识别绕组材料。

垫圈的特性

• 垫圈材料必须是柔软的，以便在法兰的不规则情况下压缩它。
• 密封垫应该是气液密封的，这样就不会泄漏或导致排放。
• 垫片不应在应力和温度的影响下发生蠕变。这可以降低螺栓应力和可能的泄漏。
• 由于应力、温度和压力，垫圈的回弹性应具有静态和动态效应。
• 垫圈必须承受内部压力而不被吹破。
• 垫片应该能够在高温下实现密封。
• 它必须能在不污染介质的情况下抵抗介质的化学攻击。
• 它应该具有防粘性能，以便在打开法兰时，垫圈很容易从法兰上脱落。
• 它必须足够坚固，使安装尽可能容易。

为什么垫圈漏水?

垫圈可能由于以下任何一个或多个原因而泄漏:

• 装配过程中损坏
• 垫片选择差
• 法兰旋转过度
• 由于法兰旋转，垫圈损坏或松弛
• 差动热膨胀导致垫圈损坏
• 装配螺栓载荷不正确
• 热波动引起的负荷损失
• 由于压力和或管道负载，垫圈负载损失
• 垫圈过度松弛
• 垫圈负荷过大

亚博竞彩群垫圈故障所涉及的成本是什么?

• 漏电导致利润低
• 用夹子在线密封的成本
• 重新配对的费用
• 设备更换费用
• 用于解决泄漏的工程和维护时间成本
• 事故报告和其他文书工作
• 环境污染
• 清洁费用
• 可能造成人身伤害
• 拆卸、修理和机加工的成本

亚博竞彩群工程部门可以采取什么措施来防止通过垫圈泄漏?

• 正确选择正确的装配螺栓应力
• 密封位置、约束和宽度正确
• 考虑弯曲载荷、不对中。
• 量化垫圈蠕变/松弛的影响
• 量化温度和压力的影响
• 最大允许装配负荷
• 正确选择垫圈
• 根本原因分析

垫片选择的基本计算

在垫片选择过程中所需的基本计算如下图所示(图12)。

给你的资源不多了…
管道设计及布置
管道应力分析
管道材料
管道接口

参考文献

• https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/gaskets