不锈钢缠绕垫应用建议

邱砚明，徐树林，牟力波，刘艳鹏 ，焦刚毅

(1.哈电集团 中央研究院，哈尔滨 黑龙江 150028；2.哈尔滨电机厂有限责任公司, 哈尔滨 黑龙江 150028)

0 概 况

本文以不锈钢石墨缠绕垫为例，依据技术专著、国家标准阐述该缠绕垫的垫片系数的含义、有效宽度与实际密封宽度、垫片预紧压应力与操作时压应力 、垫片操作工况的剩余压应力的关系,垫片宽度的选择以及使用中的注意事项等，给出此类垫片应用中的一些建议，供本专业参考。

1 垫片系数m、y [1]

m——在临界泄漏时，垫片单位面积压力的剩余值(垫片2倍有效宽度单位面积上的残余压应力)与密封操作压力Pw的比值,无量纲；

y——垫片预紧状态下需要的有效密封宽度内的最小压应力值，MPa。

2 垫片有效密封宽度b

垫片实际密封宽度和有效密封宽度不相同，垫片基本密封宽度b0是垫片密封接触宽度的一半，这是这种垫片采用的密封面的结构特点所决定的，垫片的实际宽度至少是有效宽度b的2倍，详见下面的表1，具体计算在GB 150-2011《压力容器》第7.5.1.2中有明确的计算公式：

表1 垫片实际宽度(N)与有效宽度(b)的关系表

N——缠绕垫片密封接触面宽度,mm；

b——垫片有效密封宽度，mm。

N/2≤6.4,b=N/2；

3 各工况下垫片压应力

以操作压力Pw为20 MPa，DN300的法兰密封,材料以奥氏体不锈钢石墨缠绕垫为例：

HG/T 20631-2009《钢制管法兰用缠绕式垫片(Class系列)》中的垫片尺寸D2=317.5,D3=368.3，D2、D3位置见图1,垫片有效宽度b=9.02,垫片压紧力中心圆直径DG=350.27

预紧时垫片需要的最小压紧力：

Fa=πDGby

=π×350.27×9.02×69

=684 575.53 N

DG——垫片压紧力中心圆直径，mm；

垫片承压面积：

A=π(368.32-317.52)/4

=27 362.2 mm2

预紧时需要的垫片平均压应力：

σ0=Fa/A

=684 575.53 /27 362.2

=25.02 MPa

实际预紧时垫片需要的最小压紧力(抵抗液体轴向力及垫片工况条件下的必须的密封残余表面压应力)：

WP=0.25πDG^2Pw+2πDGbmPw

=0.25π×350.27^2×20+2π×350.27×9.02×3×20

=3 117 735.71 N

实际预紧时垫片的最小压应力：

σp0=Wp/A

=3 117 735.71 /27 362.2

=113.94 MPa

操作时垫片需要的最小压紧力：

Fp=2πDGbmPw

=2π×350.27×9.02×3×20

=1 190 566.14 N

操作时垫片实际的最小压应力：

σp1=Fp/A

=1 190 566.14 /27 362.2

=43.51 MPa

垫片操作工况下实际的垫片系数(mp)值：

mp=σp1/Pw=43.51/20

=2.18

依据上面的计算方法，列出各压力工况的相关数据，将统计列入下面的表2。

表2 DN300不锈钢缠绕垫片各操作压力下的垫片压应力值

如表2所述，预紧垫片的平均压应力到达69 MPa时，其操作压力为12.11 MPa。垫片的预紧压应力是包含了抵抗液体轴向力与垫片在内压情况下需要的压应力的残余值，因此垫片的预紧力大于预紧时垫片需要的最小压紧力为πDGby 。

4 缠绕垫片试验数据

跟据GB/T 4622.3-2007《缠绕式垫片技术条件》及GB/T 14180-1993《缠绕式垫片试验方法》，DN80缠绕垫水介质试验压力为1.3×25=32.5 MPa, 蒸汽介质压力试验压力为1.1×25=27.5 MPa,垫片的理论需要的预紧压应力为垫片有效宽度下的69 MPa,垫片实际的预紧压力值要克服液体轴向力后还要保证密封必须的残余压应力值，见表3。

表3 缠绕垫标准试验数据

DN80缠绕垫片,Φ120.7/Φ92.2,b=6.75,DG=107.19 mm。

下面以水介质压力试验为例。

理论上的垫片预紧时需要的最小压紧力：

Fa=πDGby

=π107.19×6.75×69

=156 920.74 N

垫片承压面积：

A=π(120.72-92.22)/4

=4 765.52 mm2

理论上的垫片预紧时需要的最小压应力：

σp0=Fa/A

=156 920.74/4 765.52

=y/2

=32.93 MPa

预紧时垫片实际的最小压应力：

σp1=(FD+Fp)/A

=(0.25πDG^2Pc+2πDGbmPc)/A

=(0.25×107.192×32.5+2×107.19×6.75×3×32.5)/4 765.52

=154.6 MPa

操作状态下垫片的残余最小压应力值：

σp=Fp/A

=443 471.66/4 765.52

=93.06 MPa

操作状态下垫片实际的垫片系数m的值：

mp=σp/Pc

=93.06/32.5

=2.86

从DN80缠绕垫片的实验数据知道，垫片最大的平均压应力不大于154.6 MPa.这个试验验证的是操作压力25 MPa的缠绕垫片的密封性能.根据HG/T 20615-2009《钢制管法兰(Class系列)》，缠绕垫片的适应的操作压力是在454.5 ℃时能承压17.2 MPa,常温时能承压42 MPa，且垫片公称压力都有公称尺寸相对应的限制. 因此，非标缠绕垫片密封结构可以参考这个试验的计算数值及HG/T 20615-2009《钢制管法兰(Class系列)》来选用适应的操作压力。

5 关于垫片在操作时需要的垫片最小压应力值

垫片系数由密封试验临界泄漏状态的垫片压紧力除以有效垫片面积及密封压力得出，而垫片系数m在原始测定时，对垫片面积取为2bπDG(认为在操作时，起密封作用的面积是2倍垫片有效面积)，为此使垫片保持最小的密封压紧力为(2b)πDGbmPw=2bπDGbmPc。考虑有效宽度b的因素，垫片实际宽度是有效宽度的2～6倍，实际操作时垫片的平均压应力只是操作压力的m/3～m倍。垫片宽度是12.8 mm及其以下的才是操作压力的m倍，垫片宽度超过12.8 mm的其垫片压力都在操作压力的m倍以下，所以垫片的在操作时需要的垫片最小压应力值应该是(m/3)Pw～m Pw, 因为此缠绕垫片的m=3，因此垫片的在操作时需要的垫片最小压应力值应该在 Pw～3 Pw之间。

6 需要的最小垫片宽度N

根据GB 150-89《钢制压力容器》,给出下面的计算公式

(1)

Ab——法兰螺柱总面积，m2；

[σ]b——法兰螺柱常温下许用应力，MPa.

由(1)式可知，垫片的承压面积是：

A=πDGNmin2y

(2)

从上面的公式(2)可以看出，其要求对垫片表面的平均压力不能超过缠绕垫片的2倍比压力值，即2×69=138 MPa，但依据HG/T 20631-2009《钢制管法兰用缠绕式垫片(Class系列)》中的数据显示缠绕垫能承受住239.27 MPa的面压应力值，仍能很好的实现密封功能，为此GB 150-1998取消了这个限制。

由垫片的初始预紧状态下需要的最小垫片压紧力公式Fa=πDGby=πDG(Nmin/2)y=πDGNmin 0.5y可以推出垫片最低的平均压应力值不能低于0.5y,依据HG/T 20631-2009《钢制管法兰用缠绕式垫片(Class系列)》DN300缠绕垫数据239.27/69≈3.4即有下面的公式(3)成立：

(3)

设计非标准的垫片，要参考上述公式(3)来校核垫片的宽度，这一宽度是根据常温状态下垫片需要的宽度，目前没有资料显示考虑高温工况而需要额外增加多少宽度的叙述。非标垫片的设计同样建议参考HG/T 20631-2009《钢制管法兰用缠绕式垫片(Class系列)》及HG/T 20610-2009《钢制管法兰用缠绕式垫片(PN系列)》中的有成功使用经验的标准法兰使用垫片的宽度值。

7 缠绕垫结构尺寸

依据GB/T 4622.2-2008《缠绕式垫片 管法兰用垫片尺寸》,缠绕垫的结构尺寸见图1及表4。

图1 缠绕垫结构示意图

D1——内环内径，mm;

D2——密封元件内径，mm;

D3——密封元件外径，mm;

D4——定位环外径，mm;

T——密封元件厚度，mm;

T1——内环/定位环厚度，mm。

ΔTmax——缠绕垫片的极限压缩尺寸，mm；

ΔTpmax——缠绕垫片服役时的极限压缩尺寸，mm。

如图1和表4所示，缠绕垫操作时的极限压缩量即表4 的ΔTpmax。

关于缠绕垫片的公称通径，参考文献GB/T 4622.2-2008《缠绕式垫片 管法兰用垫片尺寸》中最大取DN3000， 结合公称等级建议参考HG/T 20631-2009《钢制管法兰用缠绕式垫片(Class系列)》及HG/T 20610-2009《钢制管法兰用缠绕式垫片(PN系列)》选取。

8 可采用限位结构的情况

任何压力等级都可以采用限位结构，而低压力工况不值得采用。当连接法兰时，螺栓预紧，在缠绕垫片平面上产生的平均面压力超过了1.0y MPa时就可以采用限位结构，本案推荐在缠绕垫片预紧平均压应力超过2.0y MPa时采用限位结构，当超过3.4y MPa时，一定要采用限位结构。因为超过此压力数值目前没有试验数据支撑，当垫片压力大到承载极限后会失去回弹性能，进而失去密封功能。采用限位结构液体的轴向力就不由垫片承担而是由结构限位台阶来承受这部分的压力，这样就减少了垫片的压应力。特别推荐的是当遇到垫片的轴向力及弯矩力变动很大的场合，这种工况的缠绕垫片采用限位结构设计是比较合适的，最贴切的例子是塔器的设备法兰，由于塔器风载的因素会造成设备法兰承受很大的弯矩力，而这种弯矩力又不确定方向，容易使缠绕垫密封失效。缠绕垫片限位结构如图2所示。

图2 缠绕垫限位结构示意图

例如人孔类的密封垫结构，因没有额外的附加载荷，尽管预紧力远远的超过了yMPa,但垫片的压缩厚度没有超过缠绕垫片服役时的极限压缩尺寸ΔTpmax就可以不采用限位结构。采用限位结构的最大优点是预紧螺柱力用于抵抗液体轴向力的那部分力以及类似风载荷等的轴向弯矩由限位平面承担，不用担心过高的预紧力以及偏心的载荷引起的密封面的压紧力不一致造成垫片过压而失去密封性能,而缠绕垫片承载的压力完全是满足操作状态下需要的最小垫片的压力值2πDGbmPc。

9 垫片适应的操作压力

依据GB/T 4622.3-2007《缠绕式垫片 技术条件》和GB/T 12385-2008《管法兰用垫片密封性能试验方法》，缠绕垫片加载预紧应力是70±1，取低值为69 MPa，介质轴向力由试验设备的螺栓承担，令Fa=Fp,πDGby=2πDGbmPc=2πDGbmPw,则有下面的(4)式成立 。

(4)

Fa——预紧状态下需要的最小垫片压紧力，N;

Fp——操作状态下需要的最小垫片压紧力，N。

(4)式中，当法兰的操作(计算)压力等于11.5 MPa时，垫片有效宽度内仍能工作在小于69 MPa的面压力下，这个操作压力值是此类垫片非常适合的内压值.无论是垫片预紧还是操作状态，垫片从理论上就能保证密封性能。实际操作时螺栓的预紧力是包含介质内压的轴向力0.25πDG^2Pw的，而这部分压在垫片上的力是短暂的，待设备运行时就卸载掉了.依据GB/T 14180-1993《缠绕式垫片试验方法》的垫片试验，对于DN80的垫片其操作压力可以达到25 MPa。

根据第5节的阐述，实际操作时垫片的平均压应力只是操作压力的m/3～m倍，则有下面的(5)式成立。

(5)

(5)式说明，采用限位结构压在垫片上的压力完全是用于介质的密封，液体的轴向力等其它的所有外力都由限位平面去承担，那么密封采用比较宽的缠绕垫片就能够胜任34.5 MPa的介质的工作压力的密封.又由于GB/T 14180-1993《缠绕式垫片试验方法》仅做到公称压力是25 Mpa的缠绕垫的试验，试验的过载系数是1.3，因此试验实际加载内压值是1.3×25=32.5 MPa,此类缠绕垫片的操作压力不推荐超过25 MPa。关于操作压力在11.5～25 MPa之间的，要结合垫片的结构尺寸。当垫片施加包含介质轴向力的预紧力时，垫片的压缩尺寸没有达到垫片服役时的极限压缩尺寸ΔTpmax的话，该垫片可以使用；当实际操作预紧力时，还没有达到预期的预紧力时，缠绕垫片的厚度压缩量就已经超过了ΔTpmax，这说明垫片的耐压不足，需要更换垫片或者需要校核一下垫片的宽度值。HG/T 20631-2009《钢制管法兰用缠绕式垫片(Class系列)》中最大公称压力达到42 MPa, HG/T 20610-2009《钢制管法兰用缠绕式垫片(PN系列)》中最大公称压力达到16 MPa。 根据上述的阐述，此类垫片操作压力在11.5 MPa以下可以放心使用。

10 密封结构选用缠绕垫时需要特别注意的事项

法兰因与相连的管道或者壳体相焊接时，会因法兰环抗弯刚度小而微微变形，这种很小的变形有可能影响密封。如图3所示。

图3 法兰密封用不锈钢缠绕垫结构尺寸图(单位：mm)

定性的观察图3，与筒节壳体的焊接，其焊接收缩力会造成沿法兰环的顺时针或者逆时针的弯矩，这个弯矩会引起法兰环的偏转，又因为法兰环材料不可能完全轴对称，使得焊接收缩引起的法兰环偏转因位置不同会有所不同，这会影响到密封面的平面度，也就会影响密封面的密封效果。本案法兰环宽度是200，法兰环高度是290，法兰环内边缘距法兰中心是700,本案认为当法兰环内边缘距中心达其宽度的1.5倍，且法兰环高度与宽度相当时，法兰环与壳体焊接时容易引起法兰环的偏转，本缠绕垫装配压缩量是1.2 mm,如果因密封面偏转引起某处多压缩0.1 mm，或者是某处又少压缩0.1 mm，这会严重影响缠绕垫片的密封效果。因此，法兰与筒节焊接后是否需要做消除焊接应力的热处理，是否需要焊接完成后再次加工密封面、是否需要热处理后加工密封面。本案认为，DN600及其以上的公称尺寸的法兰密封面，设计、制作工艺部门要慎重考虑是否再次加工密封面，保证密封面的平面度要求，以能确保此类垫片的密封效果。

11 小 结

(1)缠绕垫片的密封宽度，选用标准法兰就采用标准法兰提供的标准垫片，非标准法兰参考标准法兰及本文第6节中的计算式(3)来确定缠绕垫片的密封宽度；

(2)缠绕垫片预紧平均压应力超过了1.0y MPa时就可以采用限位结构，本案推荐在缠绕垫片预紧平均压应力超过2.0y MPa时采用限位结构，当超过3.4 y MPa时，一定要采用限位结构。还有类似塔器设备法兰(承受偏心载荷、风载核和地震载荷)的工况场合也建议采用限位结构。当采用限位结构时，推荐预紧压缩量为表4的ΔTpmax；

(3)尽管缠绕垫片的耐压试验工况不低于25 MPa,耐热操作工况不低于350 ℃，但在实际设计中，当设计压力超过10 MPa(也要考虑操作温度)，就不采用缠绕垫片了，而是采用金属O型垫(空心或者实心)、椭圆型垫(空心或者实心)、八角垫或者透镜垫;

(4)尽量采用内外都有加强圈类型的缠绕垫片，原因是缠绕金属片的焊口在压紧力作用下易分开，从而丧失密封性能；

(5)尺寸超过DN600的缠绕垫密封面，当焊接等有影响密封面刚度的情况下要考虑焊接(或者热处理)完成后再加工密封面。