如何选择合适的法兰垫片?

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如何为管道应用选择合适的垫圈?在选择合适的法兰垫片时,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、其他一般注意事项。虽然垫圈是整个管道系统中相对便宜的部件,但它们对其可靠性和完整性至关重要:使用垫圈节省几美元可能会在中长期造成更大的灾难,请小心!

法兰垫圈选择

法兰垫圈应根据多个工艺因素进行选择,如操作温度/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:

如何选择法兰垫片

流体类型

选择正确垫片类型的第一个标准当然是管道输送的流体类型以及流体温度和压力。

不同的流体需要不同的垫片材料,以确保法兰接头能够长时间工作。

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。

压缩垫圈耐化学腐蚀图表

垫片材料 最大温度(F) 最大压力(psi) 垫片厚度 垫片服务推荐
丁基 -40至225 150 1/16到1/4 气体,无机酸和碱。很好的天气/耐磨性。
三元乙丙橡胶 -40至212 150 1/16到1/4 水、蒸汽、动植物油、含氧溶剂。优秀的耐候性。
自然(纯胶) -20至140 One hundred. 1/32到1 酸、有机盐和碱。无毒。耐磨。软的
氯丁橡胶 -20年到170年 150 1/32到2 石油/汽油。优良的耐候性。
氯丁橡胶-插布 -20年到170年 150 1/32至1/4 石油/汽油。优良的耐候性。处理运动。高的抗拉强度。
腈(NBR、丁腈橡胶) -25年到170年 150 1/32到2 油/芳香燃料、矿物油、动植物油、溶剂和液压油。有商用、高级和FDA等级可供选择。
红色的橡胶(SBR) -20年到170年 150 1/32至1/4 空气,水热/冷。
SBR -插布 -20年到170年 150 1/16到1/4 空气、热水/冷水、饱和/低压蒸汽。非常适合高压缩负载。处理运动。
硅树脂 到400年 150 1/32至1/4 高温空气或水(不是油或蒸汽)。软的可在FDA级。
乙烯基 20到160 150 1/16到1/4 水,氧化剂。很好的天气/耐磨性
氟橡胶 到400年 150 1/32至1/4 石油/芳烃燃料、矿物、动植物油、溶剂和液压流体。

推荐的垫圈应用材料

垫片材料 最大温度(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 强有机酸和无机酸/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。
无石棉/丁腈(带金属嵌件) 850 2500 15 热气体。高负载/压力环境。可采用镀锌低碳钢箔或网片。
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 优秀的耐化学性。
填充聚四氟乙烯 500 1200 11-40 优秀的耐化学性。
填充PTFE -金属插入 500 2500 20. 优秀的耐化学性。316不锈钢穿孔岩心。
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/腈 840 1900 20. 优秀的蒸汽。除强氧化剂外,具有良好的耐化学性。
碳或石墨/ SBR 900 2000 14 优秀的蒸汽。除强氧化剂外,具有良好的耐化学性。
纯柔性石墨 950 2100 5 除强氧化剂外,具有良好的耐化学性。可用层压或均匀。
纯柔性石墨-金属嵌入 950 2800 7 除强氧化剂外,具有良好的耐化学性。可提供316不锈钢箔,网或唐芯。可用层压或均匀。
金属垫片
600 优秀的蒸汽。除强氧化剂外,具有良好的耐化学性。
黄铜 500 优秀的蒸汽。除强氧化剂外,具有良好的耐化学性。
GHL 212 除强氧化剂外,具有良好的耐化学性。可用层压或均匀。
Grafoil® 800 除强氧化剂外,具有良好的耐化学性。可提供316不锈钢箔,网或唐芯。可用层压或均匀。
1000 强度与300系列不锈钢相似,但更坚硬,密度更低。优异的耐氯溶液(海水)和漂白溶液。
软铁,低碳钢 1000 柔软。会在水中被腐蚀。主要用于浸泡在液态碳氢化合物中的地方。
不锈钢304 1000 一种通用的,柔软的,耐腐蚀的,无磁性的不锈钢,在加热下不会变硬。
不锈钢316 1000 不像304那样坚固,但在化学溶液中更耐腐蚀(除了有限范围的氧化酸)
不锈钢321 1600 强于304年。在更高的温度下需要类似于304的性能时使用。
不锈钢347 1600 比321更耐腐蚀、更硬。
不锈钢410 1200 通常称为“铬”。这种不锈钢经过热处理后会变硬。它具有高磁性、硬度和强度,但不耐腐蚀。
不锈钢430 1400 耐腐蚀性能优于410,但热处理后不硬化。这种不锈钢柔软,强度不超过300系列不锈钢。
1400 在中等温度下具有良好的耐腐蚀性和抗侵蚀性。
蒙乃尔 1500 一种镍/铜合金系列,其抗腐蚀性和侵蚀性比单独使用镍更高。特别适用于海水应用。
铬镍铁合金 2000 一种镍/铬合金系列,无磁性,耐高温腐蚀。
哈氏合金 2000 用于高温高腐蚀性化学环境的镍/铬/钼合金系列

工艺温度和压力

选择合适的垫圈材料的第二个因素是管道系统的工作温度和压力。

特别是,垫圈材料应该能够承受工艺所需的最高温度和压力(高温应用的最高预期温度-压力,低温应用的最低温度)。

下图所示的是普通垫圈材料的温度-压力额定值,作为一般参考。

垫圈和温度垫圈和温度

垫圈不应在工艺预期的最高温度和压力下蠕变,否则,法兰连接将变得无效,产生泄漏。

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

逃亡的排放法规

在为工艺选择合适的垫圈类型时,还应考虑安装国的易挥发排放法律。

事实上,更严格的排放法规可能会推动有关法兰和垫圈的具体决定,用于法兰连接的工艺。

其他一般方面

选择垫圈类型的其它关键因素是:

a)管道振动和振动:垫圈应能承受可能影响管道的振动和振动

b)流体污染风险:对于某些应用,使用不污染管道输送的流体的垫圈是很重要的(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,容易产生应力腐蚀开裂。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漏密封,以防止土壤污染或威胁人类生命。因此,对于这些类型的应用,更紧、更强的垫片可能是自然选择(例如,带外圈的缠绕垫片与非石棉垫片)

e)金融风险发生的垫片失败:尽管垫圈有一个相对低成本对管道材料总成本的影响,错误的选择垫片可能产生巨大的财务影响和储蓄在这方面为承包商可能是危险的,可能会受到惩罚,和最终用户

作为一般参考,下表列出了按应用场合、管道温度和压力等级以及法兰面类型推荐的垫圈类型:

垫片的选择指南

什么因素影响垫片的性能?

垫圈的性能受许多因素的影响。在选择垫片时,必须考虑所有这些因素:

法兰的负载

所有垫圈材料必须有足够的法兰压力来压缩垫圈,以确保密封紧密、不破裂。实现这一目标所需的法兰压力或最小阀座应力称为“y”系数。这种法兰压力必须均匀地应用于整个阀座区域,以实现完美的密封。然而,在实际使用中,垫圈周围的分布并不均匀。最大的力作用在螺栓周围的区域。最低的力发生在两个螺栓之间的中间位置。法兰设计人员必须考虑这个因素。

管道系统中的压力

在使用中,一旦压力施加到容器上,最初的垫圈压缩会由于作用在垫圈上的内部压力(爆裂压力)和法兰(流体静压端力)而减小。考虑到这一点,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”或维护系数来解释这种预紧力。“m”因素定义了剩余负载(原始负载减去内部压力)必须超过内部压力的多少倍。在计算时,应考虑正常压力和试验压力。

管道系统中的温度

必须考虑环境温度和工艺温度对垫片材料、法兰和螺栓的影响。这些影响包括螺栓伸长、垫片材料蠕变松弛或热降解。这可能会导致法兰负载的减少。操作温度越高,就越需要谨慎地选择垫圈材料。当系统被加压和加热时,关节就会变形。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负载是否有净增益或损失。一般来说,柔性接头会失去螺栓载荷。

流体类型

被密封的介质,通常是液体或气体,气体比液体更难密封。温度对许多液体的影响使它们变得更具侵略性。因此,可在环境温度下密封的流体可能会在较高温度下对垫片产生不利影响。垫圈材料必须能够抵抗流体的腐蚀性侵蚀。它应该对系统流体具有化学抗性,以防止其物理性质受到严重损害。

垫片外径

对于两种材料相同、宽度相同的垫圈,外径较大的那一种能够承受较高的压力。因此,建议使用外径尽可能大的垫圈。

垫片厚度

对于给定的材料,一般的规则是,较薄的垫圈能够处理比较厚的一个较高的压应力。然而,更薄的材料要求更高的表面光洁度质量。根据经验,垫圈的厚度至少要比法兰表面的最大表面粗糙度厚四倍。垫圈必须足够厚,以占据法兰面形状,并在螺栓负载下仍然压缩。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,建议不要使垫片的宽度超过必要的宽度。对于给定的垫圈应力,带窄垫圈的凸面法兰需要更少的预负荷,因此比全面垫圈更少的法兰强度。一般情况下,高压垫圈往往比较窄。

垫片表面光洁度

垫圈的表面光洁度(包括压在或加工在外表面上的凹槽或通道)控制垫圈材料所需的厚度和可压缩性,以在法兰之间的间隙中形成物理屏障。不需要太细或太浅的光洁度,尤其是在硬垫圈材料上,因为光滑表面可能缺少所需的抓地力,这将允许发生挤压。另一方面,表面处理过深会产生需要更高螺栓负载的垫片,这可能导致难以形成紧密密封,尤其是当涉及大型法兰表面时。与施加流体压力方向相切的法兰面上的精细加工标记也会有所帮助。对于厚度大于0.5mm的垫圈,建议使用带有约0.125mm深防滑槽的法兰面;对于较薄的垫圈,建议使用0.065 mm深的槽。在任何情况下,都不得在法兰密封面上加工径向延伸穿过垫片密封面的工具标记;这样的标记可能会导致泄漏。

应力松弛

这个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的百分比损失。随着时间的推移,由于施加的压力导致材料流动或变薄,所有垫圈材料都会失去一些弹性。在一些初始松弛后,残余应力应该保持不变的垫片。

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