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文 献 综 述 垫片密封是工业装置中广泛采用的静密封形式[1]。金属缠绕式垫片(简称缠绕式垫片)是其中应用最广泛的静密封垫片之一，典型的结构基本上是由具有Ｖ型截面的金属缠绕带和非金属填料带在同一芯轴上交替缠绕而成的，具有多道密封的作用，且回弹性和密封性能好、对介质和温度的适应性强、耐压范围广、安装预紧力小、能吸收振动和冲击等优良特性，因此在炼油、化工、火电、核电等诸多工业部门中广泛应用[2]。但是国内的缠绕式垫片，不论在制造工艺和应用上，还是在检测手段和质量监督上都存在着一定的问题，突出表现在按任意的或类同的工艺生产的垫片对所有压力级别都适用。不区分压力等级制造和使用，无疑会影响其密封潜力的有效发挥，难以保证实际工况对密封提出的紧密性程度的不同要求，也脱离法兰连接的实际[3]。可见，为使缠绕式垫片满足不同的使用工况，保证各种工况条件下联接的紧密性，必须建立垫片的分级设计理论，开发分级制造技术[4]。 1 研究意义 国内静密封件厂家对不同工况和压力等级缠绕式垫片的生产仅体现在尺寸和选材的不同上，没有考虑结构和工艺参数对垫片性能的影响，从而造成垫片质量不高，应用受到限制[5]。据初步统计，国内石化、电力行业公称通径不大于600的缠绕式垫片，一般用在10 MPa以下;公称通径大于800的缠绕式垫片，较多地使用在5.0MPa甚至更低压力的场合，从而使缠绕式垫片适用于高温、高压、低温、高真空及温度压力剧烈波动工况的特点没有得到充分发挥[6]。随着石油化工等现代工业的飞速发展，在对各种密封结构的操作工况日趋苛刻以及整个社会对节约能源、保护环境和经济效益等日益重视的情况下，研究缠绕式垫片的分级技术，对于提高我国缠绕式垫片的质量可靠性和性能稳定性，提供符合国际先进标准要求的产品，最大限度地满足国内市场与国际市场的需要，以及提高我国石油化工等企业的静密封水平和经济效益，无疑都具有重要的意义[7]。 2 缠绕式垫片生产现状 缠绕式垫片目前仍采用人工操作机械缠绕，其制造工艺流程如图1所示。图1可见，缠绕式垫片的制造过程可分以下几个阶段： 图1 缠绕式垫片的制造工艺流程 (a) 准备阶段：填充材料和金属缠绕带材料的质量检验和裁切。 (b) 成型阶段：金属缠绕带(和填料带)的预成型(V型、U型或W型)。 (c) 缠绕阶段：将预成型的金属缠绕带绕在芯轴或内环上，并按工艺要求点焊好，然后加入填料带和金属缠绕带相间缠绕，至规定的外径后点焊并剪断缠绕带，最后装环。 (d) 包装阶段：缠绕式垫片的检验、标注、包装。 目前，国内从事缠绕式垫片生产的厂家为数众多，其中大部分是地方性的小型企业，多处于生产无标准、工艺无规程、成品无检验、设备无控制的落后状态，以至使国内缠绕式垫片的性能差异很大，其使用效果也达不到国外同类产品的水平。特别是传统的制备工艺劳动密集程度较大，生产效率难以提高，产品成本也难以降低。因此，如何提高缠绕垫片生产的工艺水平，降低产品的成本消耗，就成为缠绕垫片发展的一个主要方向[1]。 3 国内外标准 3.1 国内标准 国标规定：缠绕式垫片适用于管法兰及压力容器法兰，适用的压力等级为PN2.5～25.0MPa，适用的公称直径为DN10～900mm。 在国标中，对缠绕式垫片的结构做出了4种规定：a)基本型(A型);b)带外加强环型(B型);c)带内加强环型(C型);d)带内外加强环型(D型)[8]。 3.2 国外标准 美标规定：缠绕式垫片适用于美国ASME /ANSIB16. 5[9]，ASME B16. 47和API-6A各标准中的各种管法兰及设备法兰，适用的压力等级为150～2 500psig(pressures in pounds per squareinch， gage)，相当于公制PN2. 0～42. 0MPa，适用的公称直径为NPS1/2"～60"，相当于公制DN15～1 500mm。 在美标中，对缠绕式垫片的结构型式仅做出了2种规定：a)带中心环型;b)带中心环及内环型[8]。 4 试验研究 4.1 技术要求 缠绕式垫片的设计是根据施加足够大小的螺栓载荷将垫片压缩到规定的厚度[7]。为使垫片的性能不脱离法兰连接的实际，ASME B16.20规定[12]：对于压力级别为Class150、300、600，名义管子尺寸为15、20、25mm的垫片，在法兰接头上承受172MPa的均匀螺栓应力时，厚度为4.5mm的垫片将被压缩到3.30.13mm;对于其他尺寸和压力级别的垫片，在法兰接头上承受207MPa的均匀螺栓应力时，厚度为4.5mm的垫片将被压缩到3.30.13mm。 4.2 试件 试件按照文献[10]的要求，试件为名义尺寸100mm带内外环的不锈钢柔性石墨缠绕式垫片，其结构型式见图2，外形尺寸见表1。 图2 缠绕式垫片结构型式 表1 垫片外形尺寸 4.3 试验方法 试验分力学性能和密封性能两种。进行力学性能试验是为了测定垫片在规定压缩量下的预紧应力;进行密封性能试验是为了测定预紧应力与计算值接近的特定结构的垫片在该预紧应力和1.1倍公称压力下的泄漏率。参照GB/T1262290测定垫片压缩率、回弹率的试验方法[11]以及文献[10].测定垫片泄漏率的试验方法，并按照文献[12]的压缩要求，每种结构的垫片试验3片。 试验温度为20℃ ，初始载荷为1.4MPa，压缩量为1.2mm，试验介质为99.9%的纯氮，最大试验压力为1.1倍公称压力[7] 4.4 试验结果分析 （1）垫片压缩回弹试验曲线分析结论 通过调整金属缠绕带V形角度、柔性石墨带厚度和成型压力，在规定压缩量下预紧应力与计算值接近的不同结构垫片的压缩回弹试验曲线见图3，主要力学性能指标见表2。 图3 垫片压缩回弹试验曲线 同一名义尺寸不同压力级别的缠绕式垫片，在标准的螺栓应力和规定压缩量下，预紧应力各不相同。同一压力级别不同名义尺寸的缠绕式垫片，在标准的螺栓应力和规定压缩量下，预紧应力虽有所不同，但绝大部分在某一应力水平附近波动。据此，可实现缠绕式垫片的生产按压力等级区分。 2)垫片密封特性 上述预紧应力与计算值接近的不同结构垫片在该预紧应力下的泄漏率LR和介质压力p的关系见图4 图4 介质压力与泄漏率关系 在预紧应力下，垫片的泄漏率随介质压力的升高而增大，在1.1倍公称压力下单位时间的标准体积泄漏率数量级达到10-4。表明该结构的垫片可用于相应压力级别的管法兰上，且具有较低的泄漏率。通过调整垫片结构及控制制造工艺，可获得符合紧固件要求且具有较低泄漏率的垫片[7]。 通过试验表明，缠绕垫片质量及性能的好坏除与材料有关外，主要表现在其结构参数、加工工艺参数等方面[13]。因此，对于不同压力等级、不同使用工况条件，特别是高温高压或温度压力波动频繁的场合，可选择不同材料、不同结构、不同工艺参数的匹配，制造垫片，保证产品有足够的适应苛刻工况的能力，确保实际使用中密封联接系统的安全可靠性[4]。 5 缠绕式垫片分级制造的结构和工艺参数 缠绕式垫片可依据其基本性能和适用工况分级。工况主要是指垫片适用的温度、压力和介质;垫片基本性能可从两方面来描述，一是其力学性能， 包括压缩回弹特性、蠕变和应力松弛特性等;二是其基本密封特性，它是与泄漏率相联系的，是衡量垫片综合性能的主要指标[4]。 应根据使用的压力级别采用不同的结构或工艺参数制造缠绕垫片， 使其适用于不同压力级别的法兰时， 满足力学性能和密封性能要求[14]。 （1)垫片结构参数 垫片结构参数包括钢带的成型角度以及石墨带的厚度和宽度等[14]。 研究中采用的金属带厚度为0.2mm;填料带厚度为0.5mm、宽度为5.8mm。图5所示，设成形前金属平带的宽度为b1，成形金属带直边宽度为b2，高度为h，角度为2α，则在满足成形后金属带宽度为4.3mm的条件有 2b2 2h／cosα=b1 (1) 2b2 2htanα=4.3 (2) 图5 成形金属带的几何形状和尺寸 成形前金属平带宽度b;取5.1、5.3和5.5mm三种，则由式(l)和(2)可得到成形金属带的几何尺寸如表2所示[15]。 表2 金属带的几何尺寸 按照计算得到的成形金属带结构尺寸，结合不同的工艺参数制造垫片，并对垫片的性能进行试验，便可确定最佳的垫片结构参数[4]。 （2)垫片制造工艺参数 除了垫片的结构参数外，工艺参数亦显著影响垫片的性能。工艺参数主要是指垫片制造过程中的压紧力和金属带的拉紧力，这两个参数直接影响垫片的缠绕密度。在压紧轮后加一小型气缸、成形金属带盘轴上安装电磁离合器，通过专用控制器调节气缸内气体压力和施加于电磁离合器上的激磁电压分别调节压紧力和金属带拉紧力的大小 [15]。设压紧轮上的压紧力为Fc，则 FC=πpd /4 （3） 式中 FC压紧轮上的压紧力 d气缸活塞直径 p气缸内气体压力 改变压力p，就可调节垫片缠绕时的压紧力。 电磁离合器的转矩可由式(4)计算 M=KμDavU （4） 式中 M电磁离合器的转矩 K与电磁离合器结构有关的常数 μ摩擦片间的动摩擦因数 Dav摩擦面的平均直径 U激磁电压 若成形金属带盘直径为D，则金属带的切向拉紧力为 Ft= 2KμDavU/D （5） 式中 Ft金属带的切向拉紧力 D成形金属带盘直径 改变激磁电压U便可调节金属带拉紧力的大小。 金属带压紧力和拉紧力的连续精确可调，是制造高质量垫片的重要条件。依据经验选定一系列数值后，结合不同的垫片结构参数制造产品，并对产品的压缩回弹特性、蠕变和应力松弛特性以及基本密封特性进行试验，就可使产品的性能与结构和工艺参数取得最佳匹配[4]。 6 结语 缠绕式垫片的分级应以其基本性能和适用工况为依据。工况主要是指垫片适用的温度、压力和介质。垫片基本性能主要包括压缩回弹特性、蠕变特性、应力松弛特性和基本密封特性。垫片的基本密封特性是与泄漏率相联系的，是衡量垫片综合性能的主要指标。 缠绕式垫片的分级设计制造可通过其结构参数和制造工艺参数的优化来实现。合理选择金属带和填料带的厚度、成形金属带的宽度、高度、角度等垫片的结构参数以及制造过程中金属带压紧力和拉紧力等制造工艺参数制造产品，并对产品的基本性能进行试验，就可使产品的性能与结构和工艺参数取得最佳匹配。 缠绕式垫片分级设计制造技术的推广应用将有助于促进垫片生产企业的技术改造，提高我国密封件设计、制造和应用水平[4]。 参考文献： [1]谢苏江，谢俊敏. 金属缠绕垫片的制备及发展[J]. 化工装备技术. 2006(05): 65-69. 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