开云 开云体育开云 开云体育开云 开云体育在流体静密封中，以外加载荷产生压紧应力的强制垫片密 封使用量最大，主要用于中低压密封和小直径的高压密封， 由其外加载荷的连接形式而言，常用的有法兰连接与螺纹
螺纹连接一般用于小直径的管道、阀门密封，而法兰连接 在各种压力设备和管道中应用极广。 本章仅讲述法兰垫片的设计。
泄漏渠道：法兰密封面与垫片界面。 法兰密封面表面粗糙度：影响密封性能的主要形状因素。 试验：法兰密封面粗糙度为3.2μm、用金属包石棉垫密封 压力为0.49MPa的空气时，有微漏现象；当粗糙度的值减 少到1.6μm时，就可密封。 加工要求：有表面粗糙度和平面度两项。对不同垫片的要 求不同，表3—4列出了使用不同垫片时法兰密封面的粗糙 度要求。 法兰密封面形状公差(主要是平面度)要求：在25mm长度上 对于软垫片为0.25mm；对于金属垫片为0.025mm。
随W 增大，h 减小，按平行平面缝隙(宽B、长l )，对液 体介质，当流动为紊流时，单位宽度体积泄漏量为：
显然，一个仅靠m、y定性表示的“零泄漏”的“紧密” 连接，已变成一个过时的概念。
由于材料表面粗糙度的随机性、材料加卸载过程的非线性 (对非金属材料更严重)，垫片接触表面的变形规律和泄漏 量的变化规律很难由数学模型导出。 工程上通常采用实验和加约束条件的方法给出工程设计方 法和设计参数，现在国内外大多数法兰垫片密封设计仍采 用ASME“规范”的m、y系数法。 现在，由ASME的PVRC经过20多年实验研究的基于法兰 垫片密封面变形过程和泄漏量的新的设计方法（PVRC法） 和设计参数已基本成熟，并开始应用。 该方法仍然是实验统计方法。
目前，国内法兰垫片设计（“规范”法）中的y系数表示 能达到初始密封0.01MPa流体所需要的外加垫片应力。没 有考虑流体性质及泄漏量的定量，不可靠。
⑴. 法兰密封面型式 4)、其他密封面型式的法兰 图3一14(a)为采用橡胶O形圈和金属中空O形环的法兰密封
图3一14(b)为梯形槽法兰密封面，可配合八角垫和椭圆垫。 图3一14(c)为透镜垫密封结构，法兰密封面是锥面，专用
有平面、凹凸面、榫槽面及锥形密封面等。 密封面为一光滑平面，有时也在密封面上车有二条截面为 三角形的同心圆沟槽(俗称水线(a)所示。 适用于平面法兰的垫片有各种非金属平垫片、包覆垫片、 金属包垫、缠绕式垫片(可同时带内环或外环或内外环)。 结构简单，加工方便，便于防腐衬里的施工，故可在公称 压力P2.45MPa时使用。在0.6MPa压力以下、温度不高的 场所尤为适宜。 但与密封垫片的接触面积较大(特别是管道用宽面法兰)， 密封所需的压紧力大，安装时垫片不易定位．预紧后，垫 片易在半径方向变形移动。对聚四氟乙烯等摩擦系数较小 的垫片，不宜使用该种密封面。另外，当垫片要重复利用 时(如缠绕垫)，密封面上不车制三角沟槽。
该法兰密封面由一榫面和一槽面配合组成，垫片臵于槽内， 如图3一13(c)所示。 适用垫片：金属和非金属平垫、金属包垫、缠绕垫(基本 型)等。垫片在槽内各个方向被约束，不会被挤出变形， 压紧应力变化小，垫片宽度可小一些，从而压紧面积最小 (只足平面和凹凸面法兰的52％一68％)，垫片受力均匀， 密封性很好。 可用于高压、易燃、易爆、有毒介质等密封要求严格的场 合。这种密封面垫片安装时对中性好，但密封面加工和更 换垫片较为困难。
⑵.密封性能—泄漏率的影响因素 3)法兰垫片接触面形状 主要包括：接触面直径、宽度、密封面型式、接触面粗糙 度和形位及尺寸公差等。 工程设计中仅把直径和宽度作设计参数，而其他以约束条 件限定。 4)载荷情况 主要包括：加载时垫片上压紧应力、工作时压紧应力、垫 片螺栓上紧均匀性和分散性的影响、设计和实际螺栓力差 距等。
⑵.密封性能—泄漏率的影响因素 主要影响因素：流体性质、法兰垫片材料性能、法兰垫片 接触面形状以及载荷情况四个方面。
1)密封流体性质 主要包括：工作压力P、温度T、大气压力P0、流体密度ρ、 流体粘度μ、饱和蒸汽压与温度关系(液相汽化)等。 2)法兰垫片材料性能 主要包括：两类材料的弹性极限、强度极限、表面硬度及 塑性。 两粗糙表面的变形主要决定于软材料性能，工程设计中一 般确定法兰材料比垫片材料硬，故密封设计参数仅与垫片 材料的性能有关。
随h 减小，泄漏量将大幅度减小。h 进一步减小，在固体 表面张力的作用下，压差流趋于零。但所需的外载荷较大， 法兰螺栓结构增大。
对气体，临界前等温流动质量泄漏量： G ph3 B / l 减小h 使G大幅度减小。h 进一步减少，流道内最小尺寸 将与气体分子平均自由程同数量级，泄漏流动进入分子流 动状态，G将很小。
加载后，接触面材料产生弹塑性变形，实际接触表面积Ar 随载荷增大而增加，h 随载荷增大而减少。
h变化值与表面粗糙度、载荷等关系：根据表面粗糙度形 状和分布曲线、载荷大小、材料弹性极限、强度极限、表 面层硬度及塑性由随机分布曲线方法得到。 实际接触面积Ar可直接由表面硬度和载荷W确定：
⑴.概述 两种设计方法： ①“规范”方法：“具有环形垫片的螺栓法兰连接计算规 则” 。 垫片在安装时螺栓预紧载荷： Wm 2 bDG y
式中：y—最小预紧垫片应力； m—最低操作垫片应力是介质压力的m倍，以增加螺 栓载荷，不致出现由于流体静压在容器端部引起的载荷将 密封面分离而导致泄漏。
⑴.概述 两种设计方法： ①“规范”方法：“具有环形垫片的螺栓法兰连接计算规 则” 。 关键：紧密的螺栓法兰垫片接头必须在安装时将垫片预紧 到一定的载荷；操作时，垫片上必须保持足够的最低载荷。 特点：操作和预紧载荷均基于“规范”推荐的m和y系数。 对每种类型和材料的垫片有一个或一组m和y系数，与密 封介质性质、压力、温度等无关。 按照m和y代表的概念，“规范”只考虑接头或是“不漏” 或是“漏”。即只考虑所设计的螺栓垫片法兰接头在结构 上能否保证安全，能否保证接头达到紧密不漏。 实际上m、Kaiyun App下载 全站y是非规定性的，只是用来确定垫片安装和操作 状态下需要的建议值。
增大压力，螺栓受的拉力加大，并进一步发生弹性伸长变 形，两法兰间距增大，垫片接触表面压缩变形开始恢复。 垫片将宏观的弹性变形部分回复(回弹)以弥补螺栓伸长变 形，但在残余螺栓压紧力下仍保持接触，且两接触表面塑 性变形不变，使原h几乎不变，流体泄漏量得到控制。 设预紧时，在内压力P0(=0.01MPa)下为泄漏为Q0。工作时 加内压P，若h几乎不变，则泄漏量Q=(P／P0)Q0。 可见：若能保证初始预紧在很低内压P0下的Q0很小，则可 控制实际工作时流体泄漏率。 预紧载荷越大，初始流量Q0越小；工作时泄漏率就越小。
由一凹面和一凸面组合而成，垫片放臵在凹面内，图3— 13(b)所示。 适用垫片：各种非金属平垫片、Kaiyun App下载 全站包覆垫、金属包垫、缠绕 垫片(基本型或带内环)、金属波形垫、金属平垫、金属齿 形垫。 特点：垫片不易被挤出(外侧约束、内侧受压)，装配时便 于对中，故工作压力范围比平面法兰宽，用于密封要求较 严的场合， 由于内侧无约束，对操作温度高、封口直径大的设备，使 用该种密封面时，垫片仍存在被挤出的可能。垫片内侧变 形使垫片压紧应力减小，会导致密封失效。采用榫槽面法 兰或带有两道止口的凹凸面法兰才能密封。Kaiyun App下载 全站
流体密封摩擦学：固体表面的真实形状由表面形状误差、 表面波度和表面粗糙度三部分组成。接触密封面很小，且 表面形状误差和表面渡度在不大的载荷下即可由材料的弹 性变形弥补，则影响泄漏的主要是表面粗糙度。 两个粗糙的密封面接触，将两表面的空隙折成平均间隙值 即为间隙高度h，可近似为：
在P作用下，垫片密封面的压缩应力将进一步增大，弹塑 性变形加大，密封面的h将进一步减小。 流体泄漏流动由两方面因素确定： 一方面，h 减小使流量以h三次方比例减小；
另一方面，P的增大使流量成正比地增加。 由于外压和自紧作用产生的载荷与P成正比，虽h与载荷 为非线性关系，但大多数情况下流体泄漏量将随P增大而 减少，使自紧密封的可靠性大大优于强制密封，故高压高 温密封最好设计成自紧密封结构。 对中低压密封，由于自紧密封结构较复杂、造价成本高、 自紧效果又不明显，大多仍采用强制密封。
三是法兰密封面和垫片表面之间间隙的穿漏。 对大部分工业领域仅考虑穿漏即可。
泄漏量(率)：与流体性质、接触面几何形状有关。 接触面几何形状：决定于法兰密封面和垫片密封面初始几
实现以人为本— 健康 安全 环保 经济 —现代化生产新理念 主讲人： 郝木明，孙鑫晖
⑴.概述 两种设计方法： ①“规范”方法：“具有环形垫片的螺栓法兰连接计算规 则” 。
密封；此外，不断出现的新的结构或材料的垫片需要补充 新的系数，促使美国ASME锅炉和压力容器委员会要求压力 容器研究委员会(PVRC)重新评价这些垫片系数。
