CN116481736A - 法兰垫片密封性能试验装置和分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供法兰垫片密封性能试验装置，包括数显加载试验机、上法兰、下法兰、测试缠绕垫样品和固定支座法兰；所述固定支座法兰的上端固定安装有下法兰，所述下法兰的上端设有可上下移动的上法兰，所述数显加载试验机设置在所述上法兰的上端，所述测试缠绕垫样品安装在所述上法兰和所述下法兰之间，所述数显加载试验机为试验提供规定的垫片预紧应力且能控制恒定的加载、卸载速度。
Description
技术领域
本发明涉及使用法兰垫片作为阀门密封元件的技术领域，特别涉及使用垫片作为阀门法兰连接端部位的密封形式。
背景技术
阀门是否泄漏是判断阀门质量的关键指标，阀门的泄漏分为内漏和外漏两种类型。内漏是指启闭件与阀座之间的泄漏；外漏是指壳体、阀杆与填料、阀体连接端部位的泄漏。外漏直接导致流体介质的泄漏、环境污染甚至安全事故的发生。
法兰垫片密封是阀门设备中最常用的一种防止泄漏的连接密封形式，被广泛的应用于石油、化工及其他压力容器及工业管道上。随着工业技术的不断进步、传统的密封垫片如石棉橡胶垫和石棉缠绕垫已不再应用。目前主流的密封元件采用回弹性能较好的柔性石墨金属缠绕垫，但在其选用过程中，是参考阀门的压力等级和口径大小，来选择缠绕垫片的宽度和厚度；但实际情况下，垫片的密封性能受垫片的密度、垫片的宽度、垫片的厚度、垫片的压缩量、垫片上所受的螺栓预紧力、以及密封面的粗糙度等多种因素影响。所以仅依靠口径和压力等级来选型的方法存在严重的不足，这就造成了阀门在后续使用过程中密封连接处的垫片产生泄漏的现象。
请参考附图2的法兰垫片密封结构，主要由阀盖、阀体、缠绕垫片、螺母以及螺柱组成，通过调整螺母的拧紧力达到阀盖与阀体的密封，通常设计时阀盖和阀体间留有一定的间隙以便后续装配时来调整垫片的压缩量。这种方式使垫片没有恒定的压缩量，通常会造成同一阀门装配时出现压缩量或大或小，造成阀门正式使用时出现连接处的外漏。
本发明的目的在于提供法兰垫片密封性能试验装置和分析方法，已解决上述背景技术中提到的问题。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供法兰垫片密封性能试验装置，包括数显加载试验机、上法兰、下法兰、测试缠绕垫样品和固定支座法兰；所述固定支座法兰的上端固定安装有下法兰，所述下法兰的上端设有可上下移动的上法兰，所述数显加载试验机设置在所述上法兰的上端，所述测试缠绕垫样品安装在所述上法兰和所述下法兰之间，所述数显加载试验机为试验提供规定的垫片预紧应力且能控制恒定的加载、卸载速度。
优选的，试验介质为氦气。
优选的，还包括压力源，所述压力源的输出端将氦气加压到预定值后通过所述固定支座法兰的管道伸入所述上法兰和所述下法兰之间的空腔内。
优选的，还包括氦质谱检漏仪，所述氦质谱检漏仪用于检测所述测试缠绕垫样品的密封性。
优选的，所述上法兰和所述下法兰的弹性模量为159GPa～210GPa，所述上法兰和所述下法兰的密封面硬度应为40HRC～50HRC，所述上法兰和所述下法兰的密封面表面粗糙度Ra应在3.2μm～6.3μm范围内。
使用上述法兰垫片密封性能试验装置的分析方法，采用如下步骤：
步骤1、先检查整个试验装置完整性及使用性能是否满足试验要求；
步骤2、打开上法兰，清洗整个法兰密封面，然后将测试缠绕垫样品放置在下法兰的凹槽内；
步骤3、接通电源，开始启动数显加载试验机，校准零位，此时显示位移与载荷均为“0”；
步骤4、通过压力源输入P0的压力，同时通过数显加载试验机施加位移量ΔT1，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第一次密封试验下位移量ΔT1和载荷F1；
步骤5、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量ΔT2，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第二次密封试验下位移量ΔT2和载荷F2；
步骤6、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量ΔT3，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第三次密封试验下位移量ΔT3和载荷F3；
步骤7、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量ΔT4，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第四次密封试验下位移量ΔT4和载荷F4；
步骤8、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量ΔT5，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第五次密封试验下位移量ΔT5和载荷F5；
步骤9、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量时，发现位移量稳定在ΔT6左右，已经达到垫片的压缩极限，并通过氦质谱检漏仪检测，未发现泄漏，打开试验装置后，发现垫片一些部位已经变形，记录第六次密封试验下位移量ΔT6和载荷F6。
优选的，试验过程中测试缠绕垫样品预紧力的波动在规定值的±2％。
优选的，当垫片预紧力不大于35MPa时，加载、卸载速度为0.2MPa/s；当垫片预紧力大于35MPa时，加载、卸载速度为0.5MPa/s。
优选的，压力源的波动值在规定值的±2％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过数显加载试验机输出不同的载荷在缠绕垫片上，记录仪器的载荷和位移，通过氦质谱检漏仪检查垫片的密封性；这样可以得出垫片的最优压缩量，从而能够模拟阀门在装配时，垫片所需的最佳尺寸参数，包含垫片的密度、垫片厚度、垫片宽度以及垫片的压缩量。
附图说明
图1为本发明所述的法兰垫片密封性能试验装置；
图2为本发明所述的法兰垫片密封结构；
图3为本发明所述的缠绕垫片结构；
图4为本发明所述的缠绕垫片试验受力模拟图示；
图5为本发明所述的改进后的法兰垫片密封结构。
图中：1、数显加载试验机；2、上法兰；3、测试缠绕垫样品；4、下法兰；5、压力源；6、固定支座法兰；7、氦质谱检漏仪；13、金属带；14、填充带；15、螺母；16、螺柱；17、弹簧垫圈；18、阀盖；19、阀体。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常连接的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一
请参阅图1、图3、图4，法兰垫片密封性能试验装置，包括数显加载试验机1、上法兰2、下法兰4、测试缠绕垫样品3和固定支座法兰6；所述固定支座法兰6的上端固定安装有下法兰4，所述下法兰4的上端设有可上下移动的上法兰2，所述数显加载试验机1设置在所述上法兰2的上端，所述测试缠绕垫样品3安装在所述上法兰2和所述下法兰4之间，所述数显加载试验机1为试验提供规定的垫片预紧应力且能控制恒定的加载、卸载速度。
请着重参考图1，试验介质为氦气，还包括压力源5，所述压力源5的输出端将氦气加压到预定值后通过所述固定支座法兰6的管道伸入所述上法兰2和所述下法兰4之间的空腔内，还包括氦质谱检漏仪7，所述氦质谱检漏仪7用于检测所述测试缠绕垫样品3的密封性，所述上法兰2和所述下法兰4的弹性模量为159GPa～210GPa，所述上法兰2和所述下法兰4的密封面硬度应为40HRC～50HRC，所述上法兰2和所述下法兰4的密封面表面粗糙度Ra应在3.2μm～6.3μm范围内。
使用上述法兰垫片密封性能试验装置的分析方法，采用如下步骤：
步骤1、先检查整个试验装置完整性及使用性能是否满足试验要求；
步骤2、打开上法兰，清洗整个法兰密封面，然后将测试缠绕垫样品放置在下法兰的凹槽内；
步骤3、接通电源，开始启动数显加载试验机，校准零位，此时显示位移与载荷均为“0”；
步骤4、通过压力源输入P0的压力，同时通过数显加载试验机施加位移量ΔT1，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第一次密封试验下位移量ΔT1和载荷F1；
步骤5、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量ΔT2，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第二次密封试验下位移量ΔT2和载荷F2；
步骤6、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量ΔT3，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第三次密封试验下位移量ΔT3和载荷F3；
步骤7、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量ΔT4，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第四次密封试验下位移量ΔT4和载荷F4；
步骤8、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量ΔT5，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第五次密封试验下位移量ΔT5和载荷F5；
步骤9、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量时，发现位移量稳定在ΔT6左右，已经达到垫片的压缩极限，并通过氦质谱检漏仪检测，未发现泄漏，打开试验装置后，发现垫片一些部位已经变形，记录第六次密封试验下位移量ΔT6和载荷F6。
试验过程中测试缠绕垫样品预紧力的波动在规定值的±2％，当垫片预紧力不大于35MPa时，加载、卸载速度为0.2MPa/s；当垫片预紧力大于35MPa时，加载、卸载速度为0.5MPa/s，压力源的波动值在规定值的±2％；泄漏测量采用氦质谱检漏仪进行检测，该种方法无需抽真空，只需将吸枪放在垫片周围并来回移动，即可检测泄漏量，检测精度达到10-7～10-10atm.cc3/second。
实施例二
请着重参考附图3，缠绕垫片主要有材质为304的金属带13和材质为石墨的填充带14构成，对于垫片缠制后，其密封面不允许再进行任何机械加工或预压处理。缠绕垫片具体参数名称如下：
D1为缠绕垫片内径，单位为mm；
D2为缠绕垫片外径，单位为mm；
T为缠绕垫片厚度，单位为mm；
W为石墨填充带的重量，单位为g；
N为缠绕垫片的宽度，按如下公式计算：
单位为mm；
ρ为石墨填充带的密度，按如下公式计算：
单位为g/cm3；
缠绕垫片选取后应在温度21℃～30℃、相对湿度(50±6)％的环境下放置至少48h。
实施例三
试验条件：试验条件按照下表的规定，
实施例四
密封性能试验参数名称如下：
W0为石墨填充带重量，单位g；
T0为石墨填充带原始厚度，单位mm；
ρ0为石墨填充带原始密度，单位g/mm3；
N0为石墨填充带原始宽度，单位mm；
P0为试验介质压力，单位MPa；
Fn为第n次密封试验下的试验载荷，单位KN；
qmn为垫片上预紧比压，单位MPa；
ΔTn为第n次密封试验下的石墨填充带压缩量，单位mm；
Qn为第n次密封试验下的石墨填充带压缩率，
Vn为第n次密封试验下的石墨填充带体积，单位mm3；
ρn为第n次密封试验下的石墨填充带压缩后密度，单位g/mm3；
垫片密封性能的参数及分析方法请参照下表：
垫片密封性能的参数及分析方法
实施例五
试验数据分析：
1)垫片上预紧比压达到qm2后才能达到密封的作用；预紧比压在qm2～qm5之间时，随着比压的进一步增加密封效果会进一步增加；当预紧比压超过qm6时，垫片已经超过压缩极限出现损坏的现象。
2)密封垫片的密封性能随着压缩率Qn的增加而增加，当压缩率达到Q4～Q5之间时，密封性能达到最佳效果；当压缩率超过Q6时，密封元件已经达到压缩的极限值，此时虽能达到密封效果，但实际上缠绕垫片已经损坏，长时间的使用会出现泄漏。
3)密封垫片的密封性能随着密封密度ρ的增加而增加，当密度超过ρ6时，石墨填料失去了回弹的功能，长时间使用会出现泄漏。
试验结论：
1)通过本试验得出缠绕垫片在压缩率达到Q4～Q5之间时，密封效果佳。进一步分析试验数据，得出当压缩率取值为Q5时即缠绕垫片压缩量达到ΔT5时，既能满足密封性能且垫片的稳定性能最佳。
2)通过上述1)的结论，参看图5，提供给技术人员一种改进后的法兰垫片密封结构的设计方法，即阀盖18和阀体19结构设计时只留(T0-ΔT5)的设计间隙，此间隙保证缠绕垫片20的压缩量为ΔT5，通过螺母15、螺柱16以及弹簧垫圈17保证装配时阀盖与阀体零间隙配合，进而保证每台阀门密封连接位置处装配尺寸一致。
上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.法兰垫片密封性能试验装置，其特征在于：包括数显加载试验机(1)、上法兰(2)、下法兰(4)、测试缠绕垫样品(3)和固定支座法兰(6)；
所述固定支座法兰(6)的上端固定安装有下法兰(4)，所述下法兰(4)的上端设有可上下移动的上法兰(2)，所述数显加载试验机(1)设置在所述上法兰(2)的上端，所述测试缠绕垫样品(3)安装在所述上法兰(2)和所述下法兰(4)之间，所述数显加载试验机(1)为试验提供规定的垫片预紧应力且能控制恒定的加载、卸载速度。
2.根据权利要求1所述的法兰垫片密封性能试验装置，其特征在于：试验介质为氦气。
3.根据权利要求2所述的法兰垫片密封性能试验装置，其特征在于：还包括压力源(5)，所述压力源(5)的输出端将氦气加压到预定值后通过所述固定支座法兰(6)的管道伸入所述上法兰(2)和所述下法兰(4)之间的空腔内。
4.根据权利要求3所述的法兰垫片密封性能试验装置，其特征在于：还包括氦质谱检漏仪(7)，所述氦质谱检漏仪(7)用于检测所述测试缠绕垫样品(3)的密封性。
5.根据权利要求4所述的法兰垫片密封性能试验装置，其特征在于：所述上法兰(2)和所述下法兰(4)的弹性模量为159GPa～210GPa，所述上法兰(2)和所述下法兰(4)的密封面硬度应为40HRC～50HRC，所述上法兰(2)和所述下法兰(4)的密封面表面粗糙度Ra应在3.2μm～6.3μm范围内。
6.使用上述权利要求1-5中任意一项所述的法兰垫片密封性能试验装置的分析方法，其特征在于：采用如下步骤：
步骤1、先检查整个试验装置完整性及使用性能是否满足试验要求；
步骤2、打开上法兰，清洗整个法兰密封面，然后将测试缠绕垫样品放置在下法兰的凹槽内；
步骤3、接通电源，开始启动数显加载试验机，校准零位，此时显示位移与载荷均为“0”；
步骤4、通过压力源输入P0的压力，同时通过数显加载试验机施加位移量ΔT1，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第一次密封试验下位移量ΔT1和载荷F1；
步骤5、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量ΔT2，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第二次密封试验下位移量ΔT2和载荷F2；
步骤6、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量ΔT3，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第三次密封试验下位移量ΔT3和载荷F3；
步骤7、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量ΔT4，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第四次密封试验下位移量ΔT4和载荷F4；
步骤8、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量ΔT5，并通过氦质谱检漏仪检测，记录第五次密封试验下位移量ΔT5和载荷F5；
步骤9、重复步骤4，通过数显加载试验机施加位移量时，发现位移量稳定在ΔT6左右，已经达到垫片的压缩极限，并通过氦质谱检漏仪检测，未发现泄漏，打开试验装置后，发现垫片一些部位已经变形，记录第六次密封试验下位移量ΔT6和载荷F6。
7.根据权利要求6所述的分析方法，其特征在于：试验过程中测试缠绕垫样品预紧力的波动在规定值的±2％。
8.根据权利要求6所述的分析方法，其特征在于：当垫片预紧力不大于35MPa时，加载、卸载速度为0.2MPa/s；当垫片预紧力大于35MPa时，加载、卸载速度为0.5MPa/s。
9.根据权利要求6所述的分析方法，其特征在于：压力源的波动值在规定值的±2％。
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