CN105042234A

CN105042234A - Mmc型垫片及法兰连接设计方法

Info

Publication number: CN105042234A
Application number: CN201510185903.6A
Authority: CN
Inventors: 周先军; 文卫朋
Original assignee: Shandong Huayi Science & Technology Development Co Ltd; China University of Petroleum East China
Current assignee: Shandong Huayi Science & Technology Development Co Ltd; China University of Petroleum East China
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2015-11-11

Abstract

本发明公开了一种管法兰密封垫片——MMC型垫片及其法兰连接设计方法。新型垫片包括金属基体和设置在金属基体内侧表面的柔性覆层。所述金属基体由两个金属环单体叠合，并通过其外缘焊接在一起，在金属基体内侧形成密封焊缝；所述金属环单体外环表面凸出其内环表面，且金属环单体内环外表面为齿形或波形的同心环形沟槽；所述软性覆层复合在金属环单体内环的同心环形沟槽表面，软性覆层表面凸出金属环单体外环表面。所述设计方法基于紧密度原则及金属与金属接触型法兰连接特点，并提出垫片参数σ_MMC。本发明具有压力自密封特性，既满足高温高压的密封要求，又能在交变载荷下保证密封应力恒定，同时减少法兰偏转改善垫片应力分布，可实现长周期低泄漏的目标。

Description

MMC型垫片及法兰连接设计方法

技术领域

本发明属于管法兰密封垫片技术领域,尤其适用于高温高压及交变载荷工况下。

技术背景

现代工业的发展尤其是大型石化企业、火力发电和核电站对密封要求越来越严格，要求既能密封较高压力又能适应压力、温度的波动。传统密封垫片大多依靠强制密封，不仅法兰系统结构尺寸大而且常常因压力、温度的波动引起泄露。

发明专利内容

本发明旨在解决密封较高内压时压力、温度波动等交变载荷引起的泄露问题。提供了一种新型管法兰密封垫片——MMC型垫片及其法兰连接设计方法，它克服了传统密封垫片不适合压力、温度波动的场合，在相同的预紧力下可以密封较高内压。

本发明主要由金属基体(1)和柔性覆层(2)组成。金属基体(1)由两片金属环单体叠合，并通过其外缘焊接在一起，在金属基体(1)内侧形成密封焊缝(3)；金属基体(1)外环表面凸出其内环表面，且其内环外表面为齿形或波形的同心环形沟槽；软性覆层(2)复合在金属环单体(4)内环的同心环形沟槽表面，软性覆层(2)表面凸出金属环单体(4)外环表面。金属基体(1)的材质可选用碳钢、奥氏体不锈钢、镍合金和钛合金，柔性覆层(2)选用柔性石墨。在操作工况下，介质压力进入密封焊缝(3)迫使密封面紧紧压向法兰表面，产生附加接触应力提高密封性能。金属基体(1)外环承受的追加部分螺栓力用以补偿压力和温度波动等引起的垫片应力减小，确保垫片应力维持在规定紧密性水平上的最小垫片应力，同时由于金属基体(1)外环凸台的作用还可以抑制法兰偏转、改善垫片应力分布、防止垫片被压溃。

针对本发明垫片提出了相应的法兰连接设计计算方法，此计算方法以法兰接头紧密度为准则，考虑金属与金属接触型法兰连接的特点，从而保证法兰连接系统的完整性和密封性。此设计计算方法引入垫片参数σ_MMC，σ_MMC是指发生MMC(法兰面与金属基体外环接触)时的垫片应力，其大小取决于垫片的属性可以由试验测试。当垫片应力大于σ_MMC时，表明法兰面与金属基体外环已经接触。

本发明具有如下优点：利用自密封原理和金属基体外环结构使其既满足高温高压的密封要求，又能在压力、温度等交变载荷下维持密封应力恒定；新型垫片法兰连接设计方法保证法兰连接系统的完整性和密封性，较为精确的确定螺栓预紧载荷，为新型垫片的使用提供理论指导。

附图说明

图1：本发明专利MMC型垫片管法兰连接系统

1.法兰2.MMC型垫片3.螺栓4.螺母

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明专利作进一步说明：

如图1所示本发明专利MMC型垫片管法兰连接系统，包括法兰(1)、MMC型垫片(2)、螺栓(3)、螺母(4)。所述MMC型垫片(2)与所述法兰(1)通过螺栓(3)和(4)连接在一起。

在装配工况下，施加螺栓力，石墨环首先压缩变形，法兰密封端面与MMC自密封发生金属与金属接触后，垫片达到一定压缩量并达到规定紧密性水平，继续追加一定的螺栓力，追加的那部分螺栓力主要由金属基体外环承担，在操作工况下，介质压力进入密封焊缝迫使密封面紧紧压向法兰表面，产生附加接触应力提高密封性能。压力波动由自密封结构补偿，金属基体外环承受的追加部分的螺栓力用以补偿压力和温度波动等引起的垫片应力减小，确保垫片应力维持在规定紧密性水平上的最小垫片应力，同时由于金属基体外环的作用还可以抑制法兰偏转、改善垫片应力分布、防止垫片被压溃。垫片的石墨环首先发生接触，在此期间螺栓力全部作用在石墨环上。随着螺栓力的不断增加，法兰密封面与垫片金属基体外环逐渐靠近直至发生接触，即产生金属与金属接触。

螺栓载荷设计过程如下：

(1)根据实际需要确定紧密度等级T_C。

(2)选择拟采用的垫片型式和材料的垫片常数G_b、a_、G_S、σ_MMC。

(3)确定设计紧密度T_pmin＝18.023T_cP，垫片装配应力对应的装配紧密度：T_pn＝18.023T_cP_T，式中P_T＝1.5P(P的1.5倍系数考虑装配时拧紧螺栓以满足液压试验要求，此外也考虑到对高温接头而言，螺栓材料的室温许用应力大于操作温度下的许用应力)。

(4)保证操作时达到T_pmin，装配时需要的垫片应力：

σ_a＝G_b(T_pn)^a

操作时需要的垫片应力：

σ_m＝G_s(T_pn)^x

式中，x＝lg(σ_a/G_S)/lgT_p

若σ_a值大于σ_MMC值说明满足此紧密度时法兰面已经与限制环接触，若σ_a值小于σ_MMC值说明满足此紧密度时法兰面与限制环还未接触，取较大值作为装配时垫片应力σ₀。

(5)预紧状态下的螺栓载荷和螺栓截面积

预紧状态下的螺栓载荷：

W₁＝π×D_G×b×σ₀

D_G—垫片压紧力作用计算直径，mm；b—垫片有效密封宽度螺栓截面积：

A = \frac{W_{1}}{{[σ]}_{f}}

[σ]_f常温下法兰材料的许用应力，MPa。

(6)操作状态下的螺栓预紧力和螺栓截面积

操作时需要的最小螺拴载荷W₀等于介质压力产生的轴向力W与装配时需要的最小垫片压紧力之和，即

W₀＝W₁+W

—内压作用于法兰端面上的轴向力

螺栓截面积：

A_{1} = \frac{W_{0}}{{[σ]}_{f}^{t}}

设计温度下法兰材料的许用应力，MPa。

(7)螺栓设计

比较A和A₁，选较大值作为螺栓截面积A₀，然后选定螺栓个数n，即可根据A₀确定螺栓直径。实际螺栓截面积A_b＞A₀。

法兰强度计算以及法兰强度判定条件均按美国机械工程师学会(ASME)相关标准进行计算和评定。

上面以举例方式对MMC型垫片及其法兰连接设计方法进行了说明，但本发明专利不限于上述具体实施例，凡基于本发明专利所做的任何改动或变型均属于本发明专利要求保护的范围。

Claims

1.MMC型垫片，其特征在于：所述新型垫片包括金属基体(1)、软性覆层(2)。其中所述金属基体(1)由两片金属环单体(4)叠合，并通过其外缘焊接在一起，在金属基体(1)内侧形成密封焊缝(3)；所述金属环单体(4)外环表面凸出其内环表面，且金属环单体(4)内环外表面为齿形或波形的同心环形沟槽；所述软性覆层(2)复合在金属环单体(4)内环的同心环形沟槽表面，软性覆层(2)表面凸出金属环单体(4)外环表面。

2.MMC型垫片法兰连接设计方法，其特征在于：所述设计方法基于紧密度原则及金属与金属接触型法兰连接特点，提出垫片参数σ_MMC。

3.根据权利要求1所述MMC型垫片，其特征在于：所述金属环单体(4)的材质为碳钢、奥氏体不锈钢、镍合金和钛合金；所述柔性覆层(2)的材质为柔性石墨。

4.根据权利要求1所述MMC型垫片，其特征在于：所述金属基体(1)由两个金属环单体(4)叠合，并通过其外缘焊接在一起，在金属基体(1)内侧形成密封焊缝(3)。

5.根据权利要求1所述MMC型垫片，其特征在于：所述金属环单体(4)外环表面凸出其内环表面，且其内环外表面为齿形或波形的同心环形沟槽。

6.根据权利要求1所述MMC型垫片，其特征在于：所述软性覆层(2)复合在金属环单体(4)内环的同心环形沟槽表面，软性覆层(2)表面凸出金属环单体(4)外环表面。

7.根据权利要求2所述MMC型垫片法兰连接设计方法，其特征在于：所述设计方法基于紧密度原则及金属与金属型法兰连接特点，提出垫片参数σ_MMC。