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缠绕垫片匹配凹凸面法兰
更新时间 2021-08-13 09:44 阅读
一台DN1000的U形管式a型换热器[1]在制造进 行壳程水压试验时，壳体法兰与管板间的垫片密封 处发生泄漏，现场发现缠绕垫片部分从管板与壳 体法兰凹面间隙中压出。换热器施工图中壳体法 兰垫片选用JB/T4705-2000的B22-1000-4.0不锈 钢+柔性石墨缠绕垫片，壳体法兰/16MnⅢ系以垫 片PN4.0DN1000的密封面尺寸为基准进行的非标 设计，螺柱/螺母则选用HG/T20634-2009的40- M42x3材料为25Cr2MoVA/30CrMo，换热器的设计 参数见表1。
此U形管式a型换热器壳体法兰垫片JB/T4705的 B22-1000-4.0宽度为25mm。按壳程设计参数对壳体 法兰用SW6计算软件程序[2]进行计算校核，虽然螺柱 和法兰均通过计算校核合格（法兰结构尺寸及校核计 算略），但垫片最小宽度（见表2）值得讨论。
表2中A b系按螺柱HG/T20634-2009的40- M42×3计算取值，其它数据按SW6计算，而N min则按 GB150-1989中式（7-3）[3]计算得出。 虽然GB150-1998中删除了N min计算公式[4]，但对 垫片宽度仍然规定“垫片在预紧状态下受到最大螺栓 载荷的作用,可因压紧过度而失去密封性能。为此垫片 须有足够的宽度,其值可按经验确定”，即要求设计 在计算法兰选用垫片时仍然要考虑N min。然而，SW6 计算程序未有“校核N min”的提示，这就需要设计者 “按经验确定N min”，尤其是选用低公称压力等级垫 片标准用在高设计压力法兰接头时更应值得注意。 N min计算公式是为保证垫片能在弹性状态下工作 不被“压溃”而控制垫片单位面积上的预紧力小于4y 的措施[5]。现以标准压力容器法兰[6]JB/T4703-2000 中法兰FM800-6.4和法兰FM1000-4.0为例，校核配 用垫片JB/T4705的N min，以说明N min计算公式的有效 性。
标准法兰凸面直径即管板外径（垫片与密封面 接触外径）一般较垫片外径小2mm，当凸/凹法兰与 垫片对中安装时，宽度25mm的垫片实际接触宽度为 24mm。两例标准法兰的垫片N min校核结果显示，所选 标准垫片实际接触宽度均大于N min。可见，标准压力 容器法兰配用的JB/T4705垫片宽度是基于原GB150- 1989中式（7-3）并考虑加工和安装偏差而积累的经 验值。 本文案例，即使是在理想的凹面法兰/垫片/管 板对中安装状态下，垫片实际接触宽度也小于仅以设 计参数校核的垫片N min，若考虑法兰制造与安装的偏 差，就更难以满足垫片N min的要求。
按压力容器法兰标准JB/T4700技术条件要求， 凹凸密封面的凹面/凸面直径公差分别按GB/T1801 的H12/h12级，对于本例法兰的凹面直径公差为 0～+1.05，凸面直径公差为-1.05～0。而凹面直径较 凸面直径大3mm，考虑加工偏差后，凹面直径比凸面 直径大3～5mm。当凹面法兰/垫片/凸面管板安装不 对中而偏向一侧时，或垫片与凹面法兰不同心，或管 板与凹面法兰不同心，或法兰/垫片/管板同时偏心， 都会出现垫片一侧的接触面宽度小于垫片理想接触宽 度24mm的情况，极端情形下的垫片实际接触宽度可 能为20mm。这就容易造成安装时使垫片一侧外露量 大即该处密封面接触宽度小而成为泄漏点，或将该处 垫片压溃而从凹凸面间隙中挤出，呈现壳程水压试验泄漏后的情形。
缠绕垫片用于凹/凸密封面法兰接头尤其是管壳 式a型换热器（壳体法兰凹面/管板凸面）不仅存在因 安装对中问题而易“压溃”，而且当直径较大时容易 “散架”，并且缠绕垫片标准本身也存在不完善[7]。 1）缠绕垫片标准未有给出成型钢带的几何尺寸， 只规定了缠绕用钢带厚度的范围值0.15～0.25mm， 而未对绕带的V角等具体规定； 2）未有参照美国API标准规定“缠绕垫片密封面 两侧非金属带均匀突出金属钢带0.15mm”而影响垫 片的密封性能； 3）其它技术要求按GB/T4622.3，则不方便用户 对缠绕垫片的质量直观检验与验收。为此，已有成功 使用经验的H型复合垫片便应运而生。
综上对低公称压力等级的缠绕垫片选用在高设计 压力的凹/凸面法兰接头密封泄漏的讨论，应引起相 关各方对凹凸密封面法兰选用缠绕垫片及垫片N min的 注意。 1）设计在应用SW6计算法兰时，应考虑所选垫片 的N min。相关标准应列出适用于公称压力等级下的垫 片N min经验值，以便设计参照确定。 2）凹/凸面法兰接头尤其是管壳式a型换热器经 常选用的缠绕垫片，不仅存在 “压溃”与 “散架” 问题，而且缠绕垫片标准本身也需要完善。
此U形管式a型换热器壳体法兰垫片JB/T4705的 B22-1000-4.0宽度为25mm。按壳程设计参数对壳体 法兰用SW6计算软件程序[2]进行计算校核，虽然螺柱 和法兰均通过计算校核合格（法兰结构尺寸及校核计 算略），但垫片最小宽度（见表2）值得讨论。
表2中A b系按螺柱HG/T20634-2009的40- M42×3计算取值，其它数据按SW6计算，而N min则按 GB150-1989中式（7-3）[3]计算得出。 虽然GB150-1998中删除了N min计算公式[4]，但对 垫片宽度仍然规定“垫片在预紧状态下受到最大螺栓 载荷的作用,可因压紧过度而失去密封性能。为此垫片 须有足够的宽度,其值可按经验确定”，即要求设计 在计算法兰选用垫片时仍然要考虑N min。然而，SW6 计算程序未有“校核N min”的提示，这就需要设计者 “按经验确定N min”，尤其是选用低公称压力等级垫 片标准用在高设计压力法兰接头时更应值得注意。 N min计算公式是为保证垫片能在弹性状态下工作 不被“压溃”而控制垫片单位面积上的预紧力小于4y 的措施[5]。现以标准压力容器法兰[6]JB/T4703-2000 中法兰FM800-6.4和法兰FM1000-4.0为例，校核配 用垫片JB/T4705的N min，以说明N min计算公式的有效 性。
标准法兰凸面直径即管板外径（垫片与密封面 接触外径）一般较垫片外径小2mm，当凸/凹法兰与 垫片对中安装时，宽度25mm的垫片实际接触宽度为 24mm。两例标准法兰的垫片N min校核结果显示，所选 标准垫片实际接触宽度均大于N min。可见，标准压力 容器法兰配用的JB/T4705垫片宽度是基于原GB150- 1989中式（7-3）并考虑加工和安装偏差而积累的经 验值。 本文案例，即使是在理想的凹面法兰/垫片/管 板对中安装状态下，垫片实际接触宽度也小于仅以设 计参数校核的垫片N min，若考虑法兰制造与安装的偏 差，就更难以满足垫片N min的要求。
按压力容器法兰标准JB/T4700技术条件要求， 凹凸密封面的凹面/凸面直径公差分别按GB/T1801 的H12/h12级，对于本例法兰的凹面直径公差为 0～+1.05，凸面直径公差为-1.05～0。而凹面直径较 凸面直径大3mm，考虑加工偏差后，凹面直径比凸面 直径大3～5mm。当凹面法兰/垫片/凸面管板安装不 对中而偏向一侧时，或垫片与凹面法兰不同心，或管 板与凹面法兰不同心，或法兰/垫片/管板同时偏心， 都会出现垫片一侧的接触面宽度小于垫片理想接触宽 度24mm的情况，极端情形下的垫片实际接触宽度可 能为20mm。这就容易造成安装时使垫片一侧外露量 大即该处密封面接触宽度小而成为泄漏点，或将该处 垫片压溃而从凹凸面间隙中挤出，呈现壳程水压试验泄漏后的情形。
缠绕垫片用于凹/凸密封面法兰接头尤其是管壳 式a型换热器（壳体法兰凹面/管板凸面）不仅存在因 安装对中问题而易“压溃”，而且当直径较大时容易 “散架”，并且缠绕垫片标准本身也存在不完善[7]。 1）缠绕垫片标准未有给出成型钢带的几何尺寸， 只规定了缠绕用钢带厚度的范围值0.15～0.25mm， 而未对绕带的V角等具体规定； 2）未有参照美国API标准规定“缠绕垫片密封面 两侧非金属带均匀突出金属钢带0.15mm”而影响垫 片的密封性能； 3）其它技术要求按GB/T4622.3，则不方便用户 对缠绕垫片的质量直观检验与验收。为此，已有成功 使用经验的H型复合垫片便应运而生。
综上对低公称压力等级的缠绕垫片选用在高设计 压力的凹/凸面法兰接头密封泄漏的讨论，应引起相 关各方对凹凸密封面法兰选用缠绕垫片及垫片N min的 注意。 1）设计在应用SW6计算法兰时，应考虑所选垫片 的N min。相关标准应列出适用于公称压力等级下的垫 片N min经验值，以便设计参照确定。 2）凹/凸面法兰接头尤其是管壳式a型换热器经 常选用的缠绕垫片，不仅存在 “压溃”与 “散架” 问题，而且缠绕垫片标准本身也需要完善。
