流体静密封技术

化工装备密封技术(SealingTechnologyforChemicalEngineeringEquipment)主讲人:刘炳成实现以人为本—健康安全环保经济—现代化生产新理念青岛科技大学机电工程学院电话:[phone]E-mail：[e-mail]，主要内容2一．垫片密封二．法兰密封三．高压与自紧密封垫片的定义•垫片是一种夹持夜两个独立的连接件之间的材料或材料的组合，其作用是在预定的使用寿命内，保持两个连接件间的密封。垫片必须能够密封结合面，并对密封介质不渗透和不被腐蚀，能经受温度和压力等的作用。图3-1　垫片-螺栓-法兰连接垫片密封一般由连接件（如法兰）、垫片和紧固件（如螺栓和螺母等）等组成。影响密封效果的因素，除了垫片本身的性能外，还取决于系统的刚性和变形、组合面的粗糙度和不平行度、紧固载荷的大小和均匀性等。尼桑（NISSAN）汽缸垫三菱（MITSUBISHI）4G63BK汽缸垫1、垫片密封结构及工作原理7图2-1垫片密封的结构1—螺母，2—螺栓，3—垫片，4—法兰♫属于强制型、中低压密封结构1、垫片密封结构及工作原理8图2-2高压自紧密封1—螺母，2—主螺栓，3—压环，4—密封垫，5—浮动顶盖，6—筒体，7—垫圈♫属于高压自紧式密封结构垫片密封分类•按密封原理（即密封垫片受力情况）：强制型密封、自紧式密封和半自紧式密封三类。强制型密封：完全靠外力(如螺栓)对垫片施加载荷；自紧式密封：主要利用介质的压力对垫片施加载荷；半自紧式密封：上述两种方法兼而有之。•按操作压力：中、低压和高压密封。低压密封：P1.6MPa；中低压密封：1MPaP10MPa；高压密封：10MPaP100MPa；超高压密封：P100MPa。9垫片泄漏的方式穿漏（Penetration）OP渗漏（Percolation）10Verysmall——small——big——grossLEAK两种方式：穿漏（界面泄漏）、渗漏。•第一种泄漏占了总泄漏量的80％一90％；•第二种泄漏占总泄漏量的10％一20％：•第三种被称为吹出(blowout)泄漏．属于一种事故性泄漏。第一种泄漏通常可通过不同材料的复合或机械组合形成不渗透性结构．或者使用较大的夹紧力使材料更加密实，减少以至消除泄漏；第二种和第三种与垫片材料性质、接头的机械特征、密封而的性质与状态、密封流体的特性以及紧固件夹紧程度等有关。它们也是解决垫片密封设计、安装、使用以及密封失效分析等问题的关键12垫片密封的机理（1）垫片应力的定义密封表面上垫片接触压强(单位接触面上的压力，MPa或N/m2)FFPσg（2）初始预紧F（螺栓预紧载荷）M=KFd或F=M/Kdσgi=F/Ag目的：填平密封表面形状不平度、波度、粗糙度等，达到初始密封。13M（螺栓扭矩）密封机理•初始密封应用：垫片用于对两个连接件密封面产生初始装配密封和保持工作密封。要产生初始密封的基本要求是压缩垫片，使其与密封面间产生足够的压力，通常称为垫片预紧应力，也有称初始垫片比压，以阻止介质通过材料本身的渗透，同时保证垫片对连接件有较大的顺应性，即垫片材料受压缩后发生的弹性或弹塑性变形能够填塞密封面的变形和表面粗糙度，以堵塞界面泄漏的通道。15（3）工作密封σgo=η（σgiAg-pB）/Ag目的：正常操作状态保持持续密封（4）允许泄漏率标准PVRC紧密度水平紧密度等级质量泄漏率应用场合TightnessLevelMassleakagerateApplications（mg/s/mm.dia.）T1（经济）≤2×10－1公用（水、空气）工程T2（标准）≤2×10－3一般要求T3（紧密）≤2×10－5易燃、中、高度毒性介质T4（严密）≤2×10－7极度毒性介质、高真空T5（极密）≤2×10－9核装置16（5）零逸出的概念A、零逸出很微小的只凭听、看感觉不能发现的易挥发性物质（有机化合物VolatileOrganicCompound“VOC”）的合格泄漏量。通常用敏感的气体检漏仪，如有机蒸汽分析仪测量逸出气体的体积浓度，以百万分率，即“ppmv”表示。B、允许逸出量人为规定的最低限度的逸出量。17一个典型的有机合成化工厂，有超过3500连接部件因含有或接触5％的挥发性有害空气污染物而成为逸出点。18逸出—泄漏的新含义之一（6）垫片泄漏的原因•1）设计引起的泄漏①法兰或法兰密封面型式选择不当。对有一定压力、强渗透性气体，应选用凹凸面或榫槽面法兰，不宜选用平面法兰；对于低压、高温介质和要求预紧力大的金属复合型垫片，不应单按其压力等级选用法兰，而要考虑温度的影响，适当提高所选法兰的等级。②垫片材料选用不当。正确选用垫片材料十分重要，因垫片材料选用有误而造成的泄漏事故很多。③法兰、螺栓材料选择不当。例如，化肥厂变换炉的人孔法兰螺栓，过去般采用碳钢，高温下产生蠕变，螺栓力下降，容易产生泄漏。改用耐高温的35CrMo钢后，解决了泄漏问题。19（6）垫片泄漏的原因•2）制造、安装与操作引起的泄漏①法兰和垫片的加工精度未达到技术要求；密封面有碰伤、划痕，特别是径向贯穿划痕，对密封性能有严重影响；②螺栓或垫片材料误用，同一法兰下采用不同材质螺栓等；③预紧螺栓时操作不当，造成垫片压偏、压损或法兰翘曲；④法兰密封面不清洁，粘附各种杂物；⑤管路法兰存在偏口、错口、张口情况；⑥设备操作不稳定，压力、温度波动大或超过允许值；⑦由于设备管路振动引起螺拴松动等。20back21影响密封性能的因素垫片密封件的功能要求和性能要求垫片的种类和性能非金属垫片金属复合型垫片金属垫片2、垫片密封的种类及性能影响密封性能的因素：22•密封面的表面状况；•密封面的接触宽度；•流体的性质；•流体及环境的温度；•垫片材质及制造品质；•密封面比压；•外部条件的影响。2、垫片密封的种类及性能垫片密封件的功能要求：23使密封件与配偶件紧密接合；阻止内部介质向外泄漏并防止外部杂质的内渗（抗渗透）；能有效抵抗使密封部位和密封件变形的机械力；能抵抗具有破坏作用的化学物品（介质或外部环境）和高温；不受因温度变化或配偶件的膨胀和收缩而导致的预紧力丧失的影响；容易安装和拆卸；密封件本体结构的一体性和耐流体冲刷性。2、垫片密封的种类及性能垫片密封件的性能要求：24不泄漏（抗流体穿透性能）；良好的压缩性和回弹性；较低的蠕变和应力松驰率；抗压性；耐温性能良好；广泛的化学适应性；符合环保要求。2、垫片密封的种类及性能2、垫片密封的种类25种类繁多，按材料和结构分为三大类：非金属垫片：橡胶、石棉橡胶板、柔性石墨、聚四氟乙烯等，截面形状大多为矩形。金属复合型垫片：有各种金属包垫、金属缠绕垫；通常采用金属与非金属组合复合的形式。金属垫片：有金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫、八角垫、双锥环、C形环、中空O形环等。均用金属材料制成，不会产生渗透泄漏。按照密封分类的原则，上述垫片中的第一、第二和第三类的金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫属于强制密封，而其余则为半自紧或自紧式密封。26⑴垫片密封材料的基本要求及其垫片性能表征⑵常用静密封材料和元件⑶静密封材料和元件的最新发展⑷密封材料和元件研究开发的重点和发展趋势⑸结语3、垫片密封材料27⑴垫片密封材料的基本要求及其垫片性能表征垫片的密封能力垫片密封材料表面流动性较好的整体回弹性能密封材料的理化性能应力松弛、蠕变老化、硬化、脆化介质稳定性温度、介质、力学状态温度、介质物理和化学侵蚀28方程（1）～（4）垫片材料和元件的性能表征密度、横向抗拉强度、柔软性、耐油性、烧失量…...压缩回弹特性、蠕变和应力松弛特性…...与泄漏率相联系…...力学性能基本密封特性垫片材料的性能垫片的性能29密封元件的蠕变总是存在的，温度越高，蠕变量越大。密封元件的塑性变形量随压紧应力的增大而增大，压缩曲线和回弹曲线均非直线且不重合，具有非线性和非保守性。密封元件的基本密封特性是一个综合性指标，它与介质、工况条件、密封元件的结构和材料特性等有关。30⑵常用静密封材料和元件植物材质、矿物纤维、橡胶、塑料、金属等均可用作静密封材料。最常用的有橡胶、石棉、非石棉纤维、聚四氟乙烯、柔性石墨以及诸多种类的金属和合金。31石棉是一种含结晶水的硅酸盐，分为温石棉和蓝石棉(强酸性介质)石棉的化学性能稳定、机械强度高，具有较好的耐热、耐蚀性能。石棉橡胶板具有良好的耐热性、抗蠕变松弛性和耐化学腐蚀性，又具有较好的柔软性和弹性，且价格低廉。石棉橡胶板的安全使用温度为－50℃～400℃。其适用压力范围一般不超过5MPa。石棉32具有优良的化学稳定性，可适用于多种腐蚀性介质,聚四氟乙烯无毒，无污染。使用温度一般在－196℃～200℃范围内。耐热性能、抗蠕变性能差。在PTFE中按一定比例掺入不同性能的材料，可以明显改善其耐热性和冷流性。聚四氟乙烯33可制成各种不同形状的密封垫片。特点是耐高压、适应温度范围广、化学稳定性好。带有增强骨架的柔性石墨垫片，可适应压力10MPa、温度－200℃～550℃、PH0-14的各种流体。柔性石墨对介质有一定污染。柔性石墨34用在高温、低温、高真空、超高压或强腐蚀性、放射性流体等工况条件下。金属垫片的种类很多，常用的有中空O型环，金属环及金属波形、平形、齿形密封垫片等。常用的材料有软钢、铜、铝、银、不锈钢、铬钢、蒙乃尔合金等。金属垫片密封要求较大的密封比压，法兰面应具有足够的硬度和表面光洁度。金属平垫不适用于温度、压力波动较大的场合。金属垫片35由金属和非金属材料可以制成金属包覆垫片、缠绕式垫片、非金属贴覆垫片等复合（组合）密封垫片。其压缩、回弹性能好、与法兰表面贴合能力强。能在高温、低温、冲击振动等循环交变载荷等各种苛刻条件下，保持优良的密封性能。金属垫片36⑶静密封材料和元件的最新发展1、改性聚四氟乙烯2、膨胀聚四氟乙烯密封材料3、非石棉纤维复合密封材料4、钛缠绕式垫片和镍铜合金缠绕式垫片37①、改性聚四氟乙烯玻璃纤维碳纤维青铜粉二硫化钼聚合物填充＋耐磨性；－强度、韧性－线膨胀系数、＋导热率，抗压强度、耐蠕变性、耐磨耗性改性聚四氟乙烯＋耐压性，散热性＋刚性、硬度、抗蠕变性、电绝缘性、导热性、耐磨性；－摩擦系数＋强度、硬度、耐磨性，基体与纤维的结合能力388％～10％的玻璃纤维、3％～5％的二硫化钼填充聚四氟乙烯耐高低温，具有优异的自润滑性、较小的透气性、良好的化学稳定性和力学性能，可制成O型、Y、U、L、J等各种形式的密封元件，其使用压力可达30～40MPa。back39特点：1)、品质优异。具有高度的柔韧性、可压缩性，优异的抗酸、碱耐腐蚀性、抗老化、耐蠕变，自润滑性好，摩擦系数低和抗张强度高。2)、使用方便、快捷。其使用温度为－218℃～320℃，使用压力可达20MPa，可适用于PＨ值0～14的环境。②、膨胀聚四氟乙烯密封材料40③、非石棉纤维复合密封材料芳纶纤维玻璃纤维碳纤维矿渣棉芳砜纶纤维非石棉纤维复合材料无害；密封性能好；水、蒸汽、油、烃类和中强度酸碱；205℃气密性好；一般温度下多数介质；耐饱和蒸汽的温度小于250℃高温、高压、高性能；易切割；蒸汽、热油、碳氢化合物温度和压力不高；成本低密封性能好；水、蒸汽、油、中等极性有机溶剂、中强酸、弱碱41利用纤维的混杂效应，综合有机和无机纤维各自的优点，制备无石棉密封材料成了目前垫片材料的一个主要研制和应用方向。国产非石棉纤维橡胶垫片的使用温度在－40℃～＋300℃的范围内，使用压力等级小于5.0MPa。国外非石棉纤维橡胶垫片的使用温度一般为－40℃～＋370℃，（最高480℃，碳纤维），使用压力等级达到7.0MPa，可用于密封水、饱和蒸汽、惰性气体、不饱和脂族烃、汽油、中强度酸碱。42密封性能优越，泄漏率小于1.0×10-5cm3/s。为大型化、高参数、强腐蚀等特殊工况条件的系统和设备提供了可靠的密封元件，可满足普通缠绕式垫片（不锈钢非金属填料组合）无法满足的使用要求。④、钛缠绕