带压密封夹具设计规范编制说明1doc-合肥通用机械研究院

-1-GB/T××××—200×承压设备带压密封夹具设计规范编制说明前言《承压设备带压密封夹具设计规范》标准由全口锅炉压力容器标准化技术委员会提出并归口。于2007年经国家标准化管理委员会在第五批国家标准制修订计划中批准。在全国锅炉压力容器标准化技术委员会的指导下，该标准主要起草单位翔悦密封材料有限公司，于2005年起进行标准起草准备工作，于2006年上报该标准立项申报稿。为完善充实该标准，全国锅炉压力容器标准化技术委员会于2007年元月在北京召开了有带压密封技术研究和应用单位参加的会议成立标准编制组。为了保证该标准的编制质量，我们组织召开多次会议，确定编制原则和编写大纲。在编制组内成立了《承压设备带压密封夹具设计规范》编制组。完成初稿后经多次修改，并在天津市翔悦密封材料有限公司网站上广泛征求意见。于2008年8月由全国锅炉压力容器标准化技术委员会固定式压力容器分会将征求意见稿在网上向全国征求意见。对提出的建议经认真研究贯彻到本标准中，力求完善准确。1、编制目的和意义带压密封技术在我国于1983年通过省部级技术鉴定，填补了国内空白，属于新型检维修技术。组成带压密封综合技术包括：包容泄漏部位的夹具、填充密封空腔形成新的密封比压的密封剂、注入密封剂的专用工具和为建立新的密封结构实施的封堵操作技术等四部分。通过国内外查新未见同类国家标准，该标准是以多年应用实践为基础，结合已进行的科学实验和检测数据作为依据编制的。带压密封技术施工应用时，保证夹具的稳定，是必要的基础条件。有关夹具强度计算、材料选择、结构应用和尺寸确定，在我国尚没有做为规范夹具设计，确保带压密封密封应用时夹具稳定的统一的国家标准。特别是在夹具包容被封堵泄漏部位结构，避免造成原结构产生极大的附加拉应力，甚至造成结构断裂的恶性事故，在夹具设计时必须考虑的问题。因此，为提高带压密封作业成功率，保证带压密封技术为流程企业连续运行、创造更大的企业经济效益、减少生产装置发生泄漏污染，实现节能目标，有必要通过制定国家标准来规范和提高带压密封整体技术水平。2、标准编制的指导原则在编写过程中我们主要基于标准的内容应要点突出，溯源有科学依据，便于和方便使用，（1）带压密封是涉及多学科、多领域、综合性的现代化的检维修技术。密封剂是该技术组成部分之一，是由高分子有机物和无机物经特殊组分配比混炼制成，通过专用工具产生的高压推力进入密封空腔，在应用中完成全固化过程、达到需要的耐温、耐介质性能。包容泄漏点的夹具和原泄漏结构均为承压构件，发挥金属材料性能，适应封堵漏点需要的密封结构，使夹具在复杂受力状态下通过专有的施工技术保持稳定,是指导夹具设计的原则。同时在应用带压密封技术过程的各种泄漏介质，必须采用不同的夹具材料。（2）该标准的适用范围压力从400Pa(绝压)到30Mpa（表压）,温度从-180℃到800℃和各种介质。夹具包容泄漏结构形成承受内压的密封空腔，夹具成为承压构件。因此，组成夹具的本体、耳板和连接螺栓，均以相应温度下承受内压做为压力源进行强度校核，夹具承受的内压是以泄漏到空腔内的系统压力和完成封堵的密封剂挤压力二项合力为依据。两项合力中，系统压力是以均-2-布载荷作用在夹具上、密封剂挤压力是通过多孔注入到密封空腔内，每一个注入孔附近承受密封剂流动、填满、压实全过程，表现的挤压力，经试验台模拟封堵作业注入操作进行夹具受力后的应力—应变测试，证明在各注入口应力值是不同的，如控制不当，集中载荷的大小差别在十倍以上。为了降低过大的注入集中载荷，必须严格执行多点均匀缓慢注入，通过注入操作控制密封空腔内的密封挤压力，尽量实现夹具均匀受力。最终达到夹具强度计算的合理性。（3）夹具设计参数，主要取自对泄漏部位的现场勘测。夹具设计参数由几何参数和理化参数两部分构成。3、主要条文说明为了帮助标准的使用方正确的理解标准的内容，以便今后标准得到更好的贯彻实施，标准中下列主要条款等内容说明如下：（一）本标准第5章“夹具设计参数勘测”5.1.3对于带压密封的应用进行现场勘测是必要的。带压密封必须针对不同泄漏结构（法兰、管道、阀门、设备）和不同系统压力、温度、介质，完成包容泄漏部位的夹具设计。不仅夹具设计参数是以现场勘测数据为依据，对于决定带压密封的作业环境条件及密封剂的选择和应用都是必要的。5.3.2注：b为确定夹具空腔覆盖宽度尺寸是针对管道泄漏部位的壁厚减薄状况勘测的尺寸。可以根据泄漏点附近原壁厚被腐蚀减薄后的壁厚，决定是否采用隔离式管道夹具，确定密封空腔的宽度等夹具设计尺寸。（二）本标准第6章“夹具设计准则”6.2.1带压密封是在带温带压介质泄漏状态下，通过夹具包容泄漏部位形成空腔并填充密封剂，最终由于递增的注剂压力，达到超过原泄漏压力的密封比压终止泄漏。因此夹具的稳定是带压密封应用的密封保证。6.2.2夹具包容泄漏部位建立的空腔内，注入密封剂产生挤压力是通过注射枪的推力形成的。密封剂挤压力作用到空腔内壁形成内压，应当用提高刚度使内压对夹具不产生变形。6.3.2夹具连接部位的结构应满足强度条件。对夹具承受密封剂挤压力后，经夹具的应力—应变测试表明，夹具产生最大应力分布状况是在本体与耳板组焊的过度区内。封堵作业曾有耳板与本体组焊部部位发生断裂的事故案例。因此要求夹具整体结构应满足强度条件。6.3.3选择夹具结构型式时，不应产生对泄漏缺陷部位形成拉力的受力状态。例如，对异径（大小头）管道焊缝泄漏的夹具结构如图1所示：图1异径管道夹具夫家应力示意这种异径管道夹具在封堵作业时，会产生位移现象。因为空腔内的密封剂挤压力，在小管径端面上所受的推力要大于夹具大管径端面所受的推力。这个位移力为:-3-F=π/4(D02-D12)P（1）式中F—密封剂挤压力产生的位移推力（N）；D0—大管直径(mm);D1—小管直径(mm);P—密封剂挤压力(MPa).由公式（1）可以看出，位移推力的大小取决于异径管的管径差，必须对夹具采取限位移措施。如果限定夹具位移固定点设在小管径段，则密封剂推力，同时作用在缺陷部位，产生拉应力，当应力大于材料强度极限时会将缺陷部位拉断。因此，必须将限位固定点设在大管径段。6.3.4关于夹具与泄漏部位外表面接触间隙的大小，是影响带压密封作业成功率的关键因素之一。从带压密封施工需要间隙量越小越好，但在泄漏结构尺寸测量的准确程度、夹具制造尺寸偏差、热膨胀量计算的准确性等因素都会使间隙量偏大。而过大的间隙量，当封堵泄漏系统压力高、系统温度低都会造成密封空腔内的密封剂在未固化增强前被挤出，造成封堵失败。因此，通过对常用密封剂固化特性和测量准确性及制造公差范围的实际经验，确定采用本标准10.1.2的表9中规定的系统压力和间隙量的关系。6.3.5a）管道夹具密封空腔高度的确定。密封剂由注剂孔进入密封空腔后，堆积填充过程需要一定的时间，在这段时间内，密封剂与系统泄漏介质温度接触，也就是与受热的夹具内壁面接触。以橡胶为基体材料为例，受系统温度作用后，发生碳化分解。大分子变为小分子，与配合剂一起形成复合材料，对热传递起阻挡作用，如果密封剂层厚（即空腔高度大），对外层密封剂起稳定作用，保证外层密封剂的弹性，易于实现密封。如果空腔高度低（即密封剂层较薄），填满空腔的密封剂很快固化，无法实现补注压实的操作过程，即达不到予期的密封比压。当系统温较高配用高的密封剂层，先进入空腔与夹具内壁面接触部份虽然开始固化，但后续的密封剂在一定时间内仍具有粘弹性。有可能按操作规程实现补充注入，也可以在最终注入点提升注入压力，达到压紧和最终实现需要的密封比压。6.3.6b)法兰夹具注剂孔数参照原泄漏法兰连接螺栓数和管道夹具注孔间距小于100mm的规定，目的都是为了缩小密封剂进入空腔后，在注剂孔附近区域实现填满过程的流动距离。因为密封剂常温下呈粘弹性，流动性在承受温度作用后有一个流变性增加的过程。密封剂在填满流动过程与空腔内壁面产生摩擦形成阻力。为了克服阻力完成填满空腔，需要相应的推力。如果密封剂流动距离过大，则推力必然要加大。此时过大的推力，以密封剂在空腔内挤压力，作用于夹具本体和夹具连接螺栓，同时传递到原法兰螺栓上。这种过大的推力形成的密封剂挤压力对夹具稳定是不利的，对原法兰螺栓有可能产生超载断裂的危险。因为原法兰螺栓设计，是以法兰密封予紧力和法兰承受最大内压力二项计算取其大值设定的。密封剂挤压力传递到螺栓上，相当于使法兰螺栓又承受了第三个拉力。法兰螺栓对第三个附加力的影响，全国锅炉压力容器标准化技术委员会会同清华大学和中石化集团公司进行了带压密封技术管道法兰螺栓安全性测试与分析的研究。通过测试和扩大计算，结论为带压密封注入密封剂，严格执行操作规程，法兰螺栓仍处于弹性范围是稳定的。在夹具注剂孔数量设置上的规定和封堵操作规范的注剂压力控制，都是基于夹具和法兰螺栓的安全稳定而规定的。6.3.8国家质检总局在2005年以总局70号令确定带压密封属压力容器和压力管道特种设备作业。对带压密封的从业人员，规定必须取得《特种设备作业人员证》资质。（三）本标准第9章“夹具计算”9.1法兰夹具壁厚计算目前我国还没有专用于带压密封夹具厚度计算公式。由于带压密封夹具的受力状态与圆筒受力近似，因此本标准确定法兰夹具和管道夹具壁厚计算套用GB150《钢制压力容器》的（5-1）圆筒计算公式。-4-确定的依据是：1）自1984年带压密封技术在我国首次通过技术鉴定，在国内应用以来，即使用GB150公式（5-1）进行夹具的壁厚计算。另外根据《压力容器安全技术监察规程》修订说明及条文解释（四），对带压堵漏固定夹具的设计，确定可以选用GB150《钢制压容器》所规定的壁厚强度计算公式。公式中的设计压力值，还必须考虑在向密封剂空腔注入密封剂过程规律予以修正。经过长期实际应用考核，证明对泄漏系统压力较低，夹具内径较小时，计算值偏小。对压力较高，直径较大时计算值接近实际需要。对第一种情况，采用最小厚度不小于14mm，予以修正。经应用考核能满足带压密封夹具壁厚计算的要求。2）参照英国弗曼奈特公司对夹具壁厚计算公式的结构与计算结果均与GB150公式（5-1）相同。9.1.3夹具设计压力的修正夹具壁厚计算公式中的设计压力P，不能简单套用GB150公式（5-1）的定义，需结合带压密封的特点进行修正。规定修正的设计压力为P=PL+5MPa，其原因如下：1）按密封原理只要空腔内密封剂挤压力P系统压力PL即能达到封堵效果。2）注入到空腔已填满的密封剂，有体积缩小过程，使已形成的挤压力下降。3）空腔内密封剂，由于系统温度作用，部分原组份损失，造成挤压力下降。4）注入到空腔的密封剂为填充注剂孔附近区段，产生流动阻力需要增加推力。5）在空腔内已填充的密封剂，需要挤压达到致密需要加大推力。为防止被封堵部分再泄漏，需要在夹具空腔内保持大于系统介质压力密封剂挤压力，即必须提高夹具的作用力。影响提高夹具作用力的因素中，已进行的单项试验测试证实是存在的，但附加力值大小的确定，是在单项测试结论的基础上，结合封堵作业经验综合确定的。泄漏部位由于介质、温度、压力不同，需要不同的带压密封剂挤压力。修正后的设计压力P=PL+5MPa,才能保证新建立的带压密封结构稳定可靠。作用在夹具上的密封剂挤压力是通过带压密封专用工具组成的液压系统与夹具连接成一体，进行注剂操作过程间接测量出来的。9.1.5夹具最小厚度本标准规定夹具厚度不宜小于14mm。是考虑了以下因素：1）提高夹具的刚性稳定。2）夹具注入孔螺纹与注射阀连接尺寸需要。为达到注射阀与夹具注入孔螺纹的连接可靠性，螺纹连接应满足最小螺纹扣数。常用的注射阀螺纹是M12，按带压密封作业要求，注射阀与夹具注剂孔螺纹拧入应不少于6扣。M12的螺距P=1.75mm，拧入长度宜不少于10.5mm。另外考虑夹具标准注剂结构，配有φ4孔通道的加工需要综合确定，夹具最小厚度不宜小于14mm。9.3温度对夹具设计的影响夹具承受泄漏介质温度作用，产生伸长变形，是根据将环形夹具折算成长度，金属材料受热产生线膨胀理论确定的。法兰夹具包容泄漏法兰间隙后，形成环形结构，受热后夹具断面各个方向均产生线