如何选择正确的法兰垫圈?

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如何为管道应用选择正确的垫圈?选择合适的法兰垫片,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,瞬时性排放规律,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组件,但它们对管道系统的可靠性和完整性至关重要:使用垫圈节省了几美元,但从中长期来看,可能会造成更大的灾难,请小心!

法兰垫圈选择

法兰垫圈应根据多种工艺因素进行选择,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、规格等。现在让我们深入研究这些因素:

如何为法兰选择垫片

流体类型

选择正确的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,以确保法兰连接能够长期工作。

耐化学腐蚀图表显示了不同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 最大温度(F) 最大压力(psi) 垫片厚度 建议垫片服务
-40年到225年 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年到212年 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年到140年 One hundred. 1/32至1 酸、有机盐及碱。无毒的。生产耐磨。柔软。
氯丁橡胶 -20到170. 150 1/32至2 石油和汽油。优秀的耐候性。
氯丁橡胶-布插入 -20到170. 150 1/32至1/4 石油和汽油。优秀的耐候性。处理运动。高拉伸强度。
腈(NBR,Buna-N) -25年到170年 150 1/32至2 油/芳香燃料、矿物、动植物油、溶剂和液压油。可提供商业,优质和FDA等级。
SBR(红色橡胶) -20到170. 150 1/32至1/4 空气,热/冷水。
布插入 -20到170. 150 1/16到1/4 空气,热水/冷水,饱和/低压蒸汽。适用于高压缩负载。处理运动。
硅胶 到400年 150 1/32至1/4 高温空气或水(非油或蒸汽)。柔软。可获得FDA级。
乙烯基 20到160 150 1/16到1/4 水,氧化剂。优异的天气/耐磨性
viton 到400年 150 1/32至1/4 油/芳香燃料、矿物、动植物油、溶剂和液压油。

推荐的垫圈服务材料

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。优秀的老化特性。
非石棉/低价 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。
非石棉/丁腈 800 1500 15 蒸汽/石油/燃料/溶剂。优良的通用材料,具有广泛的耐化学性。
非石棉/腈(带金属插入) 850 2500 15 热气体。高负载/应力环境。可提供镀锌低碳钢箔或网状件。
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岁 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。
填充聚四氟乙烯-金属插入 500 2500 20. 优秀的耐化学性。316 SS穿孔核心。
扩展PTFE. 600 3000. 30. 优秀的耐化学性。高度可压缩。
碳或石墨/腈 840 1900 20. 优秀的蒸汽。除了强大的氧化剂外,耐化学性优异。
碳或石墨/ SBR 900 2000 14 优秀的蒸汽。除了强大的氧化剂外,耐化学性优异。
纯柔性石墨 950 2100 5 除了强大的氧化剂外,耐化学性优异。可用层压或均匀。
纯柔性石墨-金属插入 950 2800 7 除了强大的氧化剂外,耐化学性优异。提供316 SS箔,网状或唐核心。可用层压或均匀。
金属垫片
600 优秀的蒸汽。除了强大的氧化剂外,耐化学性优异。
黄铜 500 优秀的蒸汽。除了强大的氧化剂外,耐化学性优异。
GHL. 212 除了强大的氧化剂外,耐化学性优异。可用层压或均匀。
Grafoil®. 800 除了强大的氧化剂外,耐化学性优异。提供316 SS箔,网状或唐核心。可用层压或均匀。
1000 与300系列不锈钢相似的强度,但更难以致密。优异的抗氯溶液(海水)和漂白溶液。
软钢,低碳钢 1000 柔软。会被水腐蚀。主要用于浸泡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,在高温下不会变硬。
不锈钢316. 1000 强度不如304,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。当在更高的温度下需要类似304的性能时使用。
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”。这种不锈钢热处理后会变硬。它具有很高的磁性,硬度和强度,但不是很耐腐蚀。
不锈钢430. 1400. 更耐腐蚀,410,但热处理时不会硬化。这种不锈钢柔软,不超过300系列不锈钢。
1400. 在中等温度下具有良好的耐腐蚀和耐冲刷性能。
蒙乃尔 1500 一种镍/铜合金,比镍本身具有更强的抗腐蚀性和耐蚀性。特别适用于海水应用。
铬镍铁合金 2000 一种镍/铬合金,无磁性,耐高温腐蚀。
Hastelloy 2000 一种镍/铬/钼合金族,用于高温下的高腐蚀性化学环境

工艺温度和压力

选择正确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)。

普通垫圈材料的温度-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

垫圈不应在该工艺预期的最高温度和压力下蠕变,否则,法兰连接将失效并产生泄漏。

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,在环境温度下至少是法兰额定压力的2倍。

逃亡的排放法规

在为一个工艺选择正确类型的垫片时,也应考虑安装国的易消失的排放法律。

事实上,更严格的瞬变排放法规可能会促使有关法兰和垫圈的具体决定,用于该工艺的法兰连接。

其他的一般性质

要考虑使用要使用的垫圈类型的其他关键因素是:

a)管道振动和振荡:垫圈应承受可能影响管道的振荡和振动

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片很重要(例如;制药和食品应用,或天然气管道)

c)凸缘腐蚀:一些法兰材料,如奥氏体不锈钢,受到应力腐蚀裂缝的影响。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(例如带外环的螺旋缠绕垫圈与非石棉垫圈)。

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,下表按应用场合、管道温度和压力等级以及法兰面类型列出了推荐的垫圈类型:

垫片的选择指南

影响垫片性能的因素有哪些?

垫片的性能受到许多因素的影响。在选择垫片时,必须考虑所有这些因素:

法兰的负载

所有垫片材料必须具有足够的法兰压力来压缩垫圈,以确保发生紧密,不间断的印章。凸缘压力或最小座位应力,必须实现这一点是“Y”因子所必需的。必须在整个座椅区域均匀地施加该法兰压力以实现完美的密封。然而,在实际服务中,垫圈周围的分布不均匀。最大的力量施加在直接围绕螺栓的区域上。最低力发生在两个螺栓之间的中间。法兰设计师必须考虑这个因素。

管道系统中的压力

在服务中,一旦将压力施加到容器,通过作用在垫圈(井喷压力)和凸缘(静液压末端力)的内部压力减小了初始垫圈压缩。要考虑到这一点,必须将额外的预载放在垫圈材料上。ASME建立了“M”或维护因子,以占该预加载。“M”系数定义了剩余负荷(原始负载减去内部压力)必须超过内部压力的次数。在该计算中,应考虑正常压力和测试压力。

管道系统的温度

必须考虑环境温度和工艺温度对垫圈材料、法兰和螺栓的影响。这些影响包括螺栓伸长、垫片材料的蠕变松弛或热降解。这可以导致法兰负载的减少。操作温度越高,需要对垫片材料的选择越小心。当系统被加压和加热时,接头就会变形。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载荷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攻击性。因此,在环境温度下可以密封的流体,在较高温度下可能对垫圈产生不利影响。垫圈材料必须能抵抗来自流体的腐蚀。它应该能够抵抗系统流体的化学特性,以防止其物理性能受到严重损害。

垫片外直径

对于由相同材料和相同宽度制成的两个垫圈,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圈。

垫片厚度

对于给定的材料,一般规律是,较薄的垫片比较厚的垫片能够处理较高的压缩应力。然而,更薄的材料要求更高的表面光洁度质量。根据经验,垫片的厚度应该至少是法兰面最大表面粗糙度的四倍。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片。

垫圈宽度

为了减少产生特定垫圈压力所需的螺栓负载,建议不要将垫圈的宽度超过必要的范围。对于给定的垫圈应力,带有窄垫圈的凸面法兰需要的预载更少,因此比全面垫圈的法兰强度更小。一般来说,高压垫圈往往很窄。

垫圈表面完成

垫片的表面光洁度——由压入或加工在表面上的沟槽或沟槽组成——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。光洁度太细或太浅是不受欢迎的,特别是在硬垫片材料上,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,光洁度太深会导致垫片需要更高的螺栓负载,这可能会使其难以形成紧密密封,特别是当涉及大法兰表面时。精细加工标记应用到法兰面,切线的方向所施加的流体压力也可能是有益的。对于厚度超过0.5 mm的垫片,建议使用深度约为0.125 mm的防滑槽的法兰面;对于更薄的垫片,沟槽深度建议为0.065毫米。在任何情况下,法兰密封面都不应加工有沿垫圈密封面径向延伸的刀痕;这样的标记可能会导致泄漏。

应力松弛

这个因素是对材料在一段时间内的弹性的衡量,通常用每单位时间的损失百分比来表示。随着时间的推移,由于施加的压力导致材料的流动或变薄,所有的垫圈材料都会失去一些弹性。在一些初始松弛之后,垫圈的残余应力应该保持恒定。

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