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如何选择合适的法兰垫圈?

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如何为管道应用选择正确的垫圈?为了选择合适的法兰垫圈,管道工程师应考虑以下4个关键因素:流体类型,工艺温度/压力,无组织排放法规,其他一般考虑因素。虽然垫圈是整个管道系统中相对便宜的组成部分,但它们对其可靠性和完整性至关重要:从中期和长期来看,节省几美元的垫圈可能会造成更大的灾难,请小心!

法兰垫圈的选择

法兰垫圈应根据多种工艺因素进行选择,如工作温度/压力、管道输送的流体类型、法兰类型、尺寸、压力等级、材料等级和规格。现在让我们深入研究这些因素:

如何选择法兰垫圈

流体类型

选择合适类型的垫片的第一个标准当然是管道输送的流体类型——以及流体的温度和压力。

不同的流体需要不同的垫圈材料,以确保法兰接头在很长一段时间内工作。

耐化学性图表显示了不同的法兰垫圈材料如何抵抗特定的温度、压力和流体。

压缩垫圈耐化学性图表

垫片材料 最高温度(F) 最大压力(psi) 垫片厚度 垫片服务推荐
-40 ~ 225 150 1/16到1/4 气体,无机酸和碱。优异的耐候性/耐磨性。
三元乙丙橡胶 -40到212 150 1/16到1/4 水、蒸汽、动植物油、含氧溶剂。优异的耐候性。
天然(纯胶) -20 ~ 140 One hundred. 1/32到1 酸,有机盐和碱。无毒的。生产耐磨。柔软。
氯丁橡胶 -20到170 150 1/32到2 石油和汽油。优异的耐候性。
氯丁橡胶-布插入 -20到170 150 1/32到1/4 石油和汽油。优异的耐候性。处理运动。抗拉强度高。
丁腈(NBR, Buna-N) -25到170 150 1/32到2 油/芳香族燃料、矿物油、动植物油、溶剂和液压油。可提供商业,溢价和FDA等级。
SBR(红色橡胶) -20到170 150 1/32到1/4 空气,热水/冷水。
SBR -布插入 -20到170 150 1/16到1/4 空气、热水/冷水、饱和蒸汽/低压蒸汽。非常适合高压缩负载。处理运动。
硅胶 到400年 150 1/32到1/4 高温空气或水(不是油或蒸汽)。柔软。可在FDA级。
乙烯基 20至160 150 1/16到1/4 水,氧化剂。优异的耐候性/耐磨性
氟橡胶 到400年 150 1/32到1/4 油/芳香族燃料、矿物油、动植物油、溶剂和液压油。

推荐的垫圈服务材料

垫片材料 最高温度(F) 最大压力(psi) 蠕变松弛(%) 推荐垫片服务
无石棉垫片
无石棉/三元乙丙橡胶 800 1200 15 蒸汽/含氧溶剂/温和有机酸/碱。优良的老化性能。
无石棉/海帕伦 400 900 40 强有机和无机酸/油/芳香烃,强氧化剂。
无石棉/氯丁橡胶 800 1200 15 燃料/油。良好的通用材料。
无石棉/腈 800 1500 15 蒸汽/石油/燃料/溶剂。优异的通用材料,具有广泛的耐化学性。
非石棉/丁腈(金属插入) 850 2500 15 热气体。高负荷/压力环境。可与镀锌低碳钢箔或网插入。
无石棉/ SBR 800 1500 15 蒸汽/工业气体,低压/低温。
纯聚四氟乙烯 500 800 35 - 55 优异的耐化学性。
填充聚四氟乙烯 500 1200 11-40 优异的耐化学性。
填充聚四氟乙烯-金属插入 500 2500 20. 优异的耐化学性。316 SS穿孔芯。
膨胀聚四氟乙烯 600 3000 30. 优异的耐化学性。高度可压缩。
碳或石墨/丁腈 840 1900 20. 非常适合蒸汽。除强氧化剂外,具有优异的耐化学性。
碳或石墨/SBR 900 2000 14 非常适合蒸汽。除强氧化剂外,具有优异的耐化学性。
纯柔性石墨 950 2100 5 除强氧化剂外,具有优异的耐化学性。可用层压或均质。
纯柔性石墨金属插入 950 2800 7 除强氧化剂外,具有优异的耐化学性。可与316不锈钢箔,网或唐芯。可用层压或均质。
金属垫片
600 非常适合蒸汽。除强氧化剂外,具有优异的耐化学性。
黄铜 500 非常适合蒸汽。除强氧化剂外,具有优异的耐化学性。
GHL 212 除强氧化剂外,具有优异的耐化学性。可用层压或均质。
Grafoil® 800 除强氧化剂外,具有优异的耐化学性。可与316不锈钢箔,网或唐芯。可用层压或均质。
1000 强度与300系列不锈钢相似,但更坚韧,密度更低。优异的耐氯化物溶液(海水)和漂白溶液。
软铁,低碳钢 1000 柔软。在水中会腐蚀。主要用于浸在液态碳氢化合物中。
不锈钢304 1000 一种通用的,柔软的,耐腐蚀的,非磁性的不锈钢,不会在高温下硬化。
不锈钢316 1000 强度不如304,但在化学溶液中更耐腐蚀(有限范围的氧化酸除外)
不锈钢321 1600 比304强。用于在较高温度下需要类似304的性能时。
不锈钢347 1600 比321更耐腐蚀,硬度更高。
不锈钢410 1200 通常被称为“Chrome”。这种不锈钢在热处理时会变硬。它具有很强的磁性、坚硬和强度,但不是很耐腐蚀。
不锈钢430 1400 比410耐腐蚀,但热处理时不会变硬。这种不锈钢是柔软的,没有比300系列不锈钢更强。
1400 在中等温度下具有良好的耐腐蚀和耐侵蚀性能。
蒙乃尔 1500 镍/铜合金家族,提供更大的耐腐蚀性和耐腐蚀性比镍单独。尤其适用于海水应用。
铬镍铁合金 2000 镍/铬合金家族,无磁性,耐高温腐蚀。
Hastelloy 2000 镍/铬/钼合金系列,用于高温下的高腐蚀性化学环境

工艺温度和压力

选择合适的垫片材料要考虑的第二个因素是管道系统的工作温度和压力。

特别是,垫圈材料应能够承受工艺预期的最高温度和压力(高温应用的最高预期温度-压力,低温应用的最低温度)。

常见垫圈材料的温度-压力等级如下图所示,作为一般参考。

垫圈和温度垫圈和温度

垫片不应在工艺预期的最高温度和压力下蠕变,否则,法兰接头将失效,产生泄漏。

法兰垫片应能承受管道中预期的最大压力;这通常是试验压力,在环境温度下至少可以是法兰额定压力的2倍。

排放法

在为工艺选择正确类型的垫圈时,安装国的无组织排放法规也应考虑在内。

事实上,更严格的无组织排放法规可能会推动有关法兰接头的法兰和垫圈的具体决定。

其他一般方面

选择要使用的垫片类型时要考虑的其他关键因素有:

a)管道振动和振荡:垫片应能承受可能影响管道的振动和振荡

b)流体污染风险:对于某些应用,重要的是使用不会污染管道输送的流体的垫圈(例如;制药和食品应用,或天然气管道)

c)法兰腐蚀:有些法兰材料,如奥氏体不锈钢,容易发生应力腐蚀开裂。在选择垫圈类型和材料时应考虑这一事实

d)完整性:有毒液体需要完全防泄漏密封,以防止土壤污染或对人类生命的威胁。因此,更紧密和更坚固的垫圈可能是这些类型应用的自然选择(例如带有外圈的螺旋缠绕垫圈vs.非石棉垫圈)

e)在垫圈失效时产生的财务风险:尽管垫圈对管道材料总成本的影响相对较低,但选择错误的垫圈可能会产生巨大的财务影响,在这方面的节省可能对承包商和最终用户都是危险的,可能会受到处罚

作为一般参考,下表按用途、管道温度和压力额定值以及法兰面类型列出了推荐的垫片类型:

垫圈选择指南

影响垫圈性能的因素有哪些?

垫圈的性能受到许多因素的影响。在选择垫片时,必须考虑到所有这些因素:

法兰载荷

所有的垫圈材料都必须有足够的法兰压力来压缩垫圈,以确保产生紧密的、不破裂的密封。实现这一目标所需的法兰压力或最小阀座应力称为“y”因子。这种法兰压力必须均匀地施加在整个阀座区域,以实现完美密封。但在实际使用中,垫片周围的分布并不均匀。最大的力直接施加在螺栓周围的区域。最小的力发生在两个螺栓的中间。法兰设计者必须考虑到这一因素。

管道系统中的压力

在使用中,一旦对容器施加压力,最初的垫片压缩就会由于作用在垫片上的内部压力(井喷压力)和法兰(流体静力端力)而减小。为此,必须在垫片材料上施加额外的预紧力。美国机械工程师协会(ASME)已经建立了一个“m”或维护因子来解释这个预紧力。“m”因子定义了剩余载荷(原始载荷减去内部压力)必须超过内部压力的多少倍。在此计算中,应考虑常压和试验压力。

管道系统温度

环境温度和工艺温度对垫圈材料、法兰和螺栓的影响都必须考虑在内。这些影响包括螺栓伸长,垫片材料的蠕变松弛或热降解。这可以减少法兰负载。操作温度越高,就越需要注意垫圈材料的选择。当系统被加压和加热时,关节会变形。螺栓、法兰和管道之间不同的膨胀系数会产生影响垫圈的力。螺栓连接的相对刚度决定了螺栓载荷中是否有净增益或净损失。柔性接头通常会失去螺栓载荷。

流体类型

被密封的介质,通常是液体或气体,而气体比液体更难密封。温度对许多流体的影响使它们变得更具侵略性。因此,在环境温度下可以密封的流体,在较高温度下可能会对垫圈产生不利影响。垫片材料必须能抵抗流体的腐蚀。它应该对系统流体进行化学抵抗,以防止其物理性能受到严重损害。

垫圈外径

对于由相同材料制成且具有相同宽度的两个垫圈,外径较大的一个将承受更高的压力。因此,建议使用外径尽可能大的垫片。

垫片厚度

对于给定的材料,较薄的垫片比较厚的垫片能够承受更高的压应力,这是一个普遍的规律。然而,较薄的材料要求较高的表面光洁度。根据经验,垫片的厚度应该至少是法兰表面最大粗糙度的四倍。垫圈必须足够厚,以占据法兰表面的形状,并在螺栓载荷下仍然压缩。在振动不可避免的情况下,应采用比最低要求更厚的垫圈。

垫片宽度

为了减少产生特定垫片压力所需的螺栓负载,建议垫片的宽度不要超过所需的宽度。对于给定的垫圈应力,带窄垫圈的凸起法兰需要的预载荷更小,因此法兰强度比全面垫圈要小。一般来说,高压垫圈往往比较窄。

垫圈表面光洁度

垫片的表面光洁度——由压在或加工到外表面的沟槽或通道组成——决定了垫片材料在法兰间隙中形成物理屏障所需的厚度和可压缩性。表面处理过细或过浅是不可取的,特别是在坚硬的垫圈材料上,因为光滑的表面可能缺乏所需的抓地力,这将允许挤压发生。另一方面,表面处理过深会产生需要更高螺栓负载的垫圈,这可能会使其难以形成紧密密封,特别是当涉及到大法兰表面时。精细的加工标记应用于法兰表面,与施加流体压力的方向相切也有帮助。对于厚度超过0.5 mm的垫片,建议采用深度约0.125 mm的防滑槽法兰面;对于较薄的垫片,建议采用0.065 mm深的沟槽。在任何情况下,法兰密封面加工时都不应带有沿垫圈密封面径向延伸的工具标记;这样的标记可能会导致泄漏。

应力松弛

这一因素是衡量材料在一段时间内的弹性,通常表示为单位时间内损失的百分比。随着时间的推移,由于施加的压力导致材料的流动或变薄,所有垫片材料都会失去一些弹性。在初始松弛之后,垫圈的残余应力应保持不变。

5的反应

  1. 感谢您分享这篇关于选择法兰垫圈的内容。我从推荐垫圈服务材料中学到的。如果您需要更多关于防结扎衬垫访问面板的信息,请告诉我们。

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