張　波

（克拉瑪依市恒和設(shè)備維修技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 833699）

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二氧化碳汽提塔螺紋法蘭用透鏡墊泄漏原因分析

張波

（克拉瑪依市恒和設(shè)備維修技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 833699）

摘 要：透鏡墊比壓力不足是產(chǎn)生泄漏的根本原因。精確計(jì)算了法蘭螺栓的緊固力矩，并針對傳統(tǒng)緊固方式存在的問題將螺栓改進(jìn)為液壓拉伸型。

關(guān)鍵詞：透鏡墊；比壓力；螺栓緊固；泄漏

一、密封機(jī)理介紹

某化肥廠70×104t/a尿素裝置汽提塔在裝置首次開工時(shí)，上、下封頭與管道連接的螺紋法蘭密封元件透鏡墊均出現(xiàn)了不同程度的泄漏，影響裝置開工。

造成泄漏的根本原因是由于接觸面上存在間隙，而接觸面兩側(cè)的壓力差、濃度差則是泄漏的推動(dòng)力。由于密封面的形式及加工精度等因素的影響，密封面上存在間隙在所難免，這就會造成密封面不完全吻合，從而發(fā)生泄漏。要減少泄漏，就必需使密封面最大程度地嵌合，即減小泄漏通道的截面積、增加泄漏阻力，并使之大于泄漏推動(dòng)力。對密封面施加壓緊載荷，以產(chǎn)生壓緊應(yīng)力，可提高密封面的接觸程度，當(dāng)應(yīng)力增大到足以引起表面產(chǎn)生明顯的塑性變形時(shí)，就可填補(bǔ)密封面的間隙，堵塞泄漏通道。

汽提塔封頭管口與管道管口均采用140°錐角（見圖1），法蘭與管口通過螺紋旋合，故稱之為螺紋法蘭。管口間加設(shè)的形如凸透鏡的墊子，稱之為透鏡墊。透鏡墊上下兩工作面均為球面。使用透鏡墊的目的就是利用其在螺紋法蘭不斷增大的壓緊載荷的作用下，透鏡墊產(chǎn)生的變形由彈性變?yōu)樗苄?，密封處隨之由最初的環(huán)線接觸變?yōu)榄h(huán)帶接觸，最終填平錐形管口密封面的微小凹凸不平，從而實(shí)現(xiàn)密封。

圖1　螺紋法蘭—透鏡墊安裝示意圖

二、泄漏原因分析

墊片壓緊應(yīng)力不足、法蘭密封面粗糙、管道的熱變形、機(jī)械變形及振動(dòng)等都會造成墊片與密封面之間貼合不嚴(yán)密，從而發(fā)生泄漏。此外，螺栓—法蘭連接在操作工況下，由于溫度、壓力的作用，螺栓變形伸長，墊片蠕變松弛、回彈能力下降、墊片的變形等都會造成墊片與法蘭密封面之間的泄漏。

采用榔頭敲擊再次加大緊固力矩；研磨管口提高錐形密封面粗糙度；數(shù)控車削透鏡墊提高表面粗糙度，消除表面塑性變形和熱變形的方法不能完全消除泄漏。

螺栓的緊固力矩（透鏡墊壓緊應(yīng)力）不足是導(dǎo)致透鏡墊產(chǎn)生泄漏的根本原因。螺栓的數(shù)量、擰緊螺栓的力矩、螺栓系統(tǒng)的摩擦狀態(tài)和透鏡墊的壓縮面積決定了壓緊應(yīng)力的大小。

三、螺栓緊固力矩計(jì)算

螺栓緊固力矩不夠，透鏡墊壓緊應(yīng)力不足；螺栓

緊固力矩過大，螺桿則有可能達(dá)到屈服極限，產(chǎn)生塑性變形。若達(dá)到強(qiáng)度極限，產(chǎn)生縮頸等被破壞現(xiàn)象，透鏡墊亦有被壓潰的可能。

故此，應(yīng)將透鏡墊的螺栓緊固力矩做精確計(jì)算，以下封頭墊DN200為例：

《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》HG/T20582-2011就透鏡墊的螺栓載荷給予了明確公式。

式中：WP——設(shè)計(jì)工況下螺栓所需最小載荷，N；

P——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

dk——透鏡墊接觸圓直徑，218.9mm；

Et——在設(shè)計(jì)溫度下透鏡墊材料的彈性模量，

MPa；

α——圓錐形面的母線與其中心線間的夾角，

70°；

ρ——摩擦角，等于8 °30＇；

β——余角，β=90°- α=20°。

按實(shí)際操作時(shí)溫度（165℃）查詢，Et=193000MPa；按實(shí)際操作壓力（14.5MPa）計(jì)算出螺栓所需的最小載荷Wmin=2.36×106N；按設(shè)計(jì)操作壓力（16.6MPa）計(jì)算出螺栓所需的最大載荷Wmax=2.43×106N。

根據(jù)公式2、3可得單個(gè)螺栓（M42×4.5）的必須最小載荷和緊固時(shí)的扭轉(zhuǎn)力矩。

Famin=Wmin/n （2）

Tmin=0.14Famind （3）

式中：Famin——單個(gè)螺栓必須最小載荷，N；

n——螺栓數(shù)量，件；

T——螺栓扭矩，N?M ；

d——螺栓直徑，mm；

0.14——螺栓摩擦良好下的系數(shù)。

將n=12，d=42等數(shù)據(jù)代入，得Famin=196666N；Tmin=1156N?M

同理：Famax=202593N；Tmax=1191N?M 。

四、螺栓強(qiáng)度校核

傳統(tǒng)緊固方式下的螺栓承受軸向應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的合應(yīng)力，合應(yīng)力的校核按公式4、5計(jì)算式中：dc——螺栓有效直徑，37.78mm；

[σ]——螺栓（35CrMo）的許用屈服應(yīng)力；

σs——螺栓的屈服極限：

s——螺栓的安全系數(shù)。

將σs=600MPa，smax=1.5代入式內(nèi)，合應(yīng)力σe按最大值校核

得σe=237MPa＜[σ]=400MPa

故：螺栓在扭矩為Tmax=1191N?M 是安全的。

五、實(shí)施效果

在汽提塔、合成塔等封頭管道透鏡墊的歷次安裝中，使螺栓的緊固力矩達(dá)到要求的情況下，透鏡墊均沒有發(fā)生泄漏。說明螺栓的緊固力矩不足是透鏡墊發(fā)生泄漏的主要原因。

六、螺栓改型

大量的生產(chǎn)實(shí)踐證明，對于規(guī)格≥M42mm、材質(zhì)為35CrMo的螺栓通過榔頭敲擊的緊固方式很難達(dá)到要求的力矩。而液壓扭矩扳手受制于法蘭、管徑尺寸及操作空間的限制，使用極為不便。汽提塔體與封頭的連接的螺栓M64×4采用液壓拉伸的方式，4個(gè)螺栓同時(shí)對稱操作。采用此方法不僅便捷，關(guān)鍵在于對螺栓預(yù)緊力的精確控制。

為了借用封頭螺栓的液壓拉伸器，將螺栓改型為如下結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2　螺紋法蘭螺栓改型示意圖

手掀式液壓驅(qū)動(dòng)油泵油壓計(jì)算：

P=Famin/A （6）

液壓拉伸器上活塞截面積A=11996mm2，經(jīng)公式6計(jì)算得油泵油壓P=16.3MPa。

七、結(jié)語

1.對于尺寸較大（≥DN150）的透鏡墊，應(yīng)使用液壓扭矩扳手或液壓拉伸器，嚴(yán)格控制力矩或油壓。在力矩或油壓不明確的情況下，操作人員應(yīng)使螺栓的應(yīng)力接近其屈服極限的90%，即強(qiáng)度極限的70%。

2.對于拆卸頻率較高的透鏡墊應(yīng)及時(shí)修車表面的塑性變形，必要時(shí)做熱處理，使表面硬度達(dá)到要求。

3.金屬墊（透鏡墊）法蘭在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮螺栓的緊固方式，優(yōu)先考慮液壓拉伸的緊固方式。油壓數(shù)值明確，方便檢修人員操作。

4.使用圖2這種只能從一端抽取的異型螺栓緊固時(shí)，應(yīng)涂抹抗咬合劑，防止螺母在高溫條件下咬扣，給拆卸帶來不變。

參考文獻(xiàn)：

[1]法蘭用密封墊片使用手冊（2005版）[M].

[2]董婭祥譯.用透鏡墊的高壓化工法蘭和螺紋短管（1994版）[M].

[3]鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定.HGT20582-2011[M].

[4]楊柯幀、程光蘊(yùn).機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第四版）[M].

收稿日期：（2015-12-22）

中圖分類號：TQ440.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-0711（2016）02-0073-03