鱼骨垫-一种承载垫片密封的革新设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)艾志(南京)环保管接技术股份有限公司 作者:赵晶玮

  垫片密封一直都是工业安全生产的关键。该文分析了传统垫片在载荷力过大或者系统工况波动下存在的不足,提出了革新性的鱼骨垫片创新设计,介绍了鱼骨垫片的结构和密封原理,通过测试数据的对比显示,鱼骨垫不仅极大地降低了密封泄漏率,而且显著提高了生产、环境和人员健康的安全保障,为极端环境下更可靠、更牢固的密封问题提供了新的解决方案。

  引言

  垫片在确保工业的安全生产中一直都起着极其重要的作用,尤其是在石油、燃气、化工、造纸和发电等这些与流体相关的行业中,比如那些供挥发性化学物质和高压蒸汽通过的管道。工厂里有成千上万这种管道的连结点、象法兰、泵阀座、换热器和反应器舱盖之类。所以可靠而有效的密封一直都是安全生产的关键,而真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为垫片则是确保密封有效可靠的关键。

  理论上,一个好的垫片需要同时具备坚韧性和回弹性,但事实上,要想真正有效地做到这两点,其实是非常难的。一般情况下,在高温高压的工况下,超过90%工程师最先想到的一定是用缠绕垫和齿型垫进行密封。这两种最传统而保守的选择有什么问题吗?有问题就是在实际操作中,落后的设计根本无法同时做到既强韧又灵活。于是大家都在等待一种新设计的诞生,有时候,我们需要鱼和熊掌可以兼得。

1、传统垫片的种类

  缠绕垫发明于1912年,由金属钢带缠绕密封填料两部分组成,见图1。相较于单一材质的垫片,缠绕垫在强度和非金属的密封性能上具有明显的优势。但在现场操作中,维修人员便很快发现这些性能没法做到100%的可靠。

鱼骨垫-一种承载垫片密封的革新设计

图1 缠绕垫结构

  当焊接结点在内端的时候,缠绕垫时常会出现散架的现象,由此便会导致松散的金属钢带被吸入管道系统,造成法兰处发生泄漏,这种情况会直接威胁生产的安全和稳定性。除此之外,这些情况也会造成缠绕垫散架,比如螺栓扭力过大,压力高峰值过大,温度的波动等。因此需要一种更好的设计来应对这些状况:一种可以让垫片在极端环境下更可靠更牢固的设计。这种有明显改进后的设计出现在1976年,一种叫做齿型垫的垫片,见图2。齿型垫由一个一体成型的金属骨架组成,骨架的上下两面做沟槽处理,并在沟槽处填充非金属密封材料。相对缠绕金属带,这种一体的金属构造的优点是,强度增加且不会出现金属带松散的情况。但也同时带来的问题是,缺乏弹性,导致回弹性较差。

  除了缠绕垫和齿型垫,还有一部分专业设计垫片的出现,但这些设计却没有一个进入等待革新的主流市场,这些垫片加起来的占有率还不到小众市场的10%。例如,包覆垫和金属环垫都完全依赖“金属对金属”进行密封,效果并不理想;还有一种波齿垫,波形金属构造覆着非金属密封填料,理论上近乎完美:牢固,有弹性,耐压,不会损伤法兰表面。但是,它依然有一个致命的缺点:波齿垫的厚度与其他所有垫片都不同。为了保证波齿垫的弹性,金属的波形层必须要薄,但是一旦波形层厚度变薄,它的总厚度就不符合一般法兰设计的要求。理论上,更换一个更薄的垫片不是什么大问题,甚至可以被认为是一个优势(这点需要另一篇文章详细说明);但到了现场,大多数工程师对此仍然顾虑重重。

鱼骨垫-一种承载垫片密封的革新设计

图2 齿型垫结构

2、新型鱼骨垫片

  鱼骨垫也是一种垫片,一种突破传统设计,为高温高压下的密封问题提供最终解决方案的新型垫片,这是我们研发设计的一种可以承载革新重任的新设计。鱼骨垫由艾志环保管接技术股份有限公司研发,受到国际专利保护。正如其名,鱼骨垫主要有3个组成部分:鱼骨形一体成型的金属骨架,朝向流体的多层同轴斜齿,在垫片上下双面贴覆非金属的密封填料,如石墨或者聚四氟乙烯(PTFE)。客户可以自由选择是否需要加强型内环。无论哪种选择,鱼骨垫都可以和传统设计的垫片交替使用,比如同外径,内径,厚度的缠绕垫和齿形垫。图3所示是鱼骨垫的基本结构,上下两面贴覆石墨或者PTFE,组成复合垫片。

鱼骨垫-一种承载垫片密封的革新设计

图3 鱼骨垫的基本结构

  鱼骨垫最明显的优势是它具备缠绕垫理论上的弹性和齿型垫理论上的强度。您肯定会问,那不就是所有传统设计的合体吗?其实鱼骨垫自身独特的特性远不止于此。

  首先,我们之前说过鱼骨垫的其中一个结构:所有朝向流体介质的斜齿,即使是靠近中心环的斜齿。这样的设计使得鱼骨垫可以在系统流体压力下获得自密封力,以此推动靠近中心环的斜齿打开法兰构成一个初密封。压力越大,密封效果越佳。齿型垫是不具备这一特质的,而对缠绕垫是否有自密封性一直都存有争议。无内环的缠绕垫可以具有自密封性,但是散架的可能性极大。这就是为什么按照美国API 和新版ASME的规定一般缠绕垫必须带有增强性内环。可结果是,一旦加上内环缠绕垫又会丧失大部分的自密封能力。

  再者,鱼骨垫的斜齿结构呈月牙形,因此,在月牙形的顶端,斜齿接触的不会是一个点,而是一个面。而月牙斜齿的底端牢固且有弹性。我们来比较下缠绕垫和齿型垫,缠绕垫的金属钢带朝向法兰被压至45°角,而齿型垫的齿就更加尖锐,对法兰表面的伤害极大。因为这个原因而损毁的法兰替换成本还是极高的。

3、对比测试

  我们把鱼骨垫片与其他类型的垫片进行了对比测试,测试项目和测试结果见表1~表3。

表1 鱼骨垫与缠绕垫、齿型垫的泄漏率对比

鱼骨垫-一种承载垫片密封的革新设计

表2 鱼骨垫™与缠绕垫、齿型垫的TA-LUFT 测试对比

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表3 鱼骨垫™ 与缠绕垫的抗压溃性能测试比对

鱼骨垫-一种承载垫片密封的革新设计

4、结论

  表1~表3 可以说明,鱼骨垫相较于之前的缠绕垫、齿型垫设计有以下优点:高强度和高弹性的平衡;可以和同规格任意传统垫片替换使用;不会损伤法兰;结构不会散架。

  那现场的工程师们会问:“我们需要用鱼骨垫来替换掉现在所有的垫片吗?”其实我们不会这样建议,至少这不是首选的方法,可以先从问题发生最多的区域开始替换。这是一些可以自查的问题:哪个部分是最常需要维护的(法兰的再次紧固,替换密封实效的垫片还是大设备上实效的垫片)?哪个部分的垫片最容易被压坏?缠绕垫在哪里最容易散架?哪里的法兰替换成本高,需要重点保护?

  “可我为什么要换一个更好的垫片呢?”“世上哪有一种设计可以做到100%完美呢?”那我们的问题是:生产中,怎样的安全才叫绝对的安全?1%的泄漏是不是就可以接受?如果不是,那0.1%呢?又能接受吗?这就是我们想说的,没有任何一个准确的数字可以足够说明我们的目标。我们的目标就是用最先进的技术,最合理的成本,将泄漏率减少到最小,真正实现最安全,最稳定的生产。

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