Wie man Dichtungen für Flansche auswählt
Erstellt 09.26
In Rohrleitungssystemen und Ausrüstungsverbindungen sind Flanschdichtungen zentrale Komponenten, die die Dichtungsleistung gewährleisten. Die Rationalität ihrer Auswahl beeinflusst direkt die Sicherheit, Stabilität und Wirtschaftlichkeit des Systembetriebs. Eine unsachgemäße Dichtungswahl kann zu Mediumleckagen, Gerätekorrosion, Energieverschwendung und sogar zu schweren Sicherheitsunfällen wie Bränden und Explosionen führen. Ausgehend von den zentralen Überlegungen zur Auswahl von Flanschdichtungen wird dieser Artikel die wissenschaftliche Auswahlmethode erläutern, indem er vier Schlüsseldimensionen - Betriebsdruck und -temperatur, chemische Verträglichkeit, Flanschoberflächenzustand und Bolzenlast - aufschlüsselt und praktische Leitlinien für Ingenieure und technisches Personal bietet.
I. Kernüberlegungen zur Auswahl von Flanschdichtungen
Die Auswahl von Flanschdichtungen muss den drei Prinzipien der "Anpassungsfähigkeit, Stabilität und Sicherheit" entsprechen. Vor der formalen Auswahl sollten die folgenden 4 grundlegenden Voraussetzungen im Fokus stehen, um Auswahlabweichungen aufgrund von vorläufigen Auslassungen zu vermeiden:
1. Priorisieren Sie die Klärung der Mediumseigenschaften: Es ist notwendig, zunächst den Typ des Mediums (z. B. Gas, Flüssigkeit, Dampf, korrosive Flüssigkeit), die Konzentration, die Reinheit und ob es partikuläre Verunreinigungen enthält, die die Flansche übertragen oder mit ihnen in Kontakt kommen, zu bestätigen. Zum Beispiel haben Flansche, die starke Säuren transportieren, drastisch unterschiedliche Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit von Dichtungen im Vergleich zu denen, die gewöhnliches Wasser transportieren. Das Vernachlässigen der Mediumseigenschaften wird schnell zu einem Dichtungsversagen führen, selbst wenn andere Parameter übereinstimmen.
2、Verankern Sie die Betriebsgrenzbedingungen des Systems: Ermitteln Sie den Nennbetriebsdruck, den sofortigen Höchstdruck und die langfristige Betriebstemperatur sowie den extremen Temperaturschwankungsbereich des Systems, in dem sich die Flansch befindet, anstatt sich lediglich auf die entworfen nominalen Werte zu beziehen. Zum Beispiel können Hochtemperaturdampfleitungen Bedingungen mit "plötzlichem Temperaturanstieg und -abfall" erfahren, was erfordert, dass Dichtungen sowohl die Hochtemperaturstabilität als auch die thermische Schockbeständigkeit erfüllen.
3、Stimmen Sie die grundlegenden Parameter von Flanschen und Schrauben ab: Bestätigen Sie den Flanschtyp (z. B. Einschraubflansch, Schweißnackenflansch, Muffenschweißflansch), die Form der Dichtfläche (z. B. flache Fläche, erhöhte Fläche, männliche-weibliche Fläche, Zungen- und Nutfläche) sowie das Material, die Spezifikation und die Anforderungen an das Vorspannmoment der Schrauben. Verschiedene Formen der Dichtfläche entsprechen Dichtungen mit unterschiedlichen Strukturen (z. B. erfordern Zungen- und Nutflächen Dichtungen ohne Führungsringe), und die Schraubenlast beeinflusst direkt die Kompressionsmenge und die Dichtwirkung der Dichtungen.
4、Einhaltung von Branchen- und Sicherheitsstandards: Stellen Sie sicher, dass die ausgewählten Dichtungen den relevanten Branchenvorschriften entsprechen (z. B. GB/T 9126 für die petrochemische Industrie, HG/T 20606 für die chemische Industrie und ASME B16.20 für internationale Standards). Besonders in Szenarien, die brennbare, explosive, giftige oder schädliche Medien betreffen, müssen Dichtungen Dichtheitsprüfungen und Sicherheitszertifizierungen bestehen, um versteckte Risiken aufgrund von Nichteinhaltung der Standards zu vermeiden.
II. Wissenschaftliche Auswahlmethode für Flanschdichtungen: Aufschlüsselung von vier Schlüsselmaßen
Die Auswahl von Flanschdichtungen sollte sich auf die "Anpassung an die Betriebsbedingungen" konzentrieren. Durch die Analyse von Betriebsdruck und -temperatur, chemischer Verträglichkeit, Flanschoberflächenzustand und Bolzenlast nacheinander kann eine genaue Abstimmung erreicht werden.
(1) Schritt 1: Bestimmen Sie die allgemeine Kategorie des Dichtungsmaterials basierend auf dem Betriebsdruck und der Temperatur
Betriebsdruck und -temperatur sind zentrale Faktoren, die das Dichtungsmaterial bestimmen, und zusammen bilden sie die "grundlegende Grenze" für die Dichtungswahl. Dichtungen aus verschiedenen Materialien weisen signifikante Unterschiede in ihrer Toleranz innerhalb des Druck-Temperatur (P-T) Bereichs auf, was eine strikte Abstimmung erfordert:
1、Niederdruck- und Niedertemperaturbedingungen
(Druck ≤ 1,6 MPa, Temperatur ≤ 100℃):
Geeignet für Szenarien, die Medien wie Wasser, Luft und Niederdampfdampf übertragen. Nichtmetallische Dichtungen werden empfohlen, einschließlich Dichtungen aus Naturkautschuk (gute Elastizität, niedrige Kosten), Nitrilkautschukdichtungen (bessere Ölbeständigkeit als Naturkautschuk) und Asbestkautschukdichtungen (allmählich eingeschränkt, mit asbestfreien Faser-Dichtungen als Alternativen). Diese Dichtungen sind einfach zu installieren, jedoch sollte darauf geachtet werden, die obere Temperaturgrenze nicht zu überschreiten, da dies zu Alterung und Verhärtung führen kann.
2、Mittel- und Mitteltemperaturbedingungen
(Druck: 1,6-10MPa, Temperatur: 100-350℃):
Anwendbar für Prozessleitungen in der petrochemischen und chemischen Industrie. Halbmmetallische Dichtungen werden empfohlen, wie z.B. metallummantelte Dichtungen (Metallgehäuse + nichtmetallisches Kernmaterial, mit sowohl Dichtungsleistung als auch Temperaturbeständigkeit) und spiralförmig gewickelte Dichtungen (gewickelt mit Metallstreifen und nichtmetallischen Streifen, mit hervorragender Kompression und Elastizität, was sie zur "universellen Wahl" für mittlere Druckbedingungen macht). Hinweis: Das Material des Metallstreifens in spiralförmig gewickelten Dichtungen (z.B. 304 Edelstahl, 316L Edelstahl) sollte basierend auf der Korrosion des Mediums weiter bestätigt werden.
3、Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen
(Druck ≥ 10MPa, Temperatur ≥ 350℃):
Geeignet für Hochdruckdampfpipelines, Hydrierungsreaktoren, Hochtemperatur-Wärmetauscher usw. Vollmetallische Dichtungen sind erforderlich, wie z. B. metallene gezahnte Dichtungen (die durch gezahnte Kompression eine Abdichtung erreichen, geeignet für männliche-weibliche Flansche) und metallene Ringdichtungen (z. B. achteckige, ovale Dichtungen, geeignet für Zungen- und Nutflansche, mit extrem starker Dichtleistung, aber hohen Anforderungen an die Präzision der Flanschdichtfläche). Vollmetallische Dichtungen sollten mit dem Flanschmaterial übereinstimmen (z. B. Kohlenstoffstahlflansche mit Kohlenstoffstahldichtungen, Edelstahlflansche mit Edelstahldichtungen), um elektrochemische Korrosion zu vermeiden.
Wichtige Hinweise:
- Der "synergistische Effekt von Druck und Temperatur" muss gleichzeitig berücksichtigt werden. Zum Beispiel kann eine bestimmte Dichtung 300℃ bei einem Druck von 2MPa standhalten, aber möglicherweise nur 250℃ bei 5MPa. Die vom Dichtungshersteller bereitgestellte "P-T-Kurve" sollte herangezogen werden, anstatt nur auf einen einzelnen Parameter zu urteilen.
- Für Szenarien mit extremen Temperaturschwankungen (z. B. plötzlicher Temperaturabfall ≥ 100℃) sollten Materialien mit guter Wärmewechselbeständigkeit ausgewählt werden, wie z. B. flexible Graphit-Spiralwickeldichtungen (Graphit hat eine hohe Temperaturbeständigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten), um ein Versagen der Dichtungsabdichtung aufgrund von Wärmeausdehnung und -kontraktion zu verhindern.
(2) Schritt 2: Ungeeignete Materialien durch chemische Verträglichkeitsprüfung eliminieren
Chemische Verträglichkeit ist entscheidend für den langfristig stabilen Betrieb von Dichtungen. Wenn eine Dichtung chemisch mit dem Medium reagiert (z. B. Korrosion, Schwellung, Degradation), wird nicht nur die Dichtungsleistung beeinträchtigt, sondern es kann auch das Medium kontaminiert oder schädliche Substanzen erzeugt werden. Die Verifizierungsmethoden sind wie folgt:
1、Klärung der "Korrosionsfaktoren" des Mediums:
Zuerst die chemischen Eigenschaften des Mediums analysieren: ob es sauer ist (z. B. Salzsäure, Schwefelsäure), alkalisch (z. B. Natriumhydroxid, Ammoniaklösung), oxidierend (z. B. Salpetersäure, Chlorgas), reduzierend (z. B. Schwefelwasserstoff, Wasserstoff) oder Lösungsmittel (z. B. Methanol, Ethanol) oder Öle (z. B. Rohöl, Schmieröl) enthält. Zum Beispiel: gewöhnliche Kohlenstoffstahl-Dichtungen (anfällig für Korrosion) sollten für saure Medien vermieden werden, und korrosionsbeständige Materialien wie 316L-Edelstahl und Hastelloy sollten ausgewählt werden; Dichtungen aus Naturkautschuk (anfällig für Schwellung) sollten für ölhaltige Medien vermieden werden, und Nitrilkautschuk- oder Fluorkautschuk-Dichtungen sollten gewählt werden.
2、Beziehen Sie sich auf "Kompatibilitätstabellen" und experimentelle Daten:
Dichtungshersteller stellen in der Regel "Material-Medium-Kompatibilitätstabellen" zur Verfügung, die die Toleranzniveaus verschiedener Materialien in spezifischen Medien (z. B. "ausgezeichnet, gut, schlecht") kennzeichnen. Für spezielle Medien (z. B. hochkorrosive, hochreine Medien) sollten Sie vom Hersteller Drittanbieter-Kompatibilitätstestberichte anfordern oder kleine simulierte Arbeitszustandsprüfungen durchführen (z. B. Eintauchtest: Tauchen Sie das Dichtungsmuster in das Medium und beobachten Sie, ob es nach 72 Stunden Gewichtänderungen, Verformungen, Auflösungen usw. gibt).
3、Achten Sie auf "verborgene chemische Reaktionen":
Einige Medien können sich unter hohen Temperaturen und Druck mit dem Dichtungsmaterial zersetzen oder "verborgene Reaktionen" eingehen. Zum Beispiel: Hochtemperatur-Wasserdampf kann mit Additiven in einigen nichtmetallischen Dichtungen reagieren und Verunreinigungen erzeugen. Daher muss die Stabilität unter hohen Temperaturen und Druck auch dann bestätigt werden, wenn sie bei Raumtemperatur kompatibel sind.
(3) Schritt 3: Bewerten Sie den Zustand der Flanschoberfläche und passen Sie die Dichtungsstruktur und Kompressibilität an.
Die Ebenheit, Rauheit und der Schadensstatus der Flanschdichtfläche beeinflussen direkt die Kompression und den Anpassungseffekt der Dichtung. Selbst wenn das Dichtungsmaterial geeignet ist, kann es zu Leckagen kommen, wenn die Flanschfläche Kratzer, Dellen oder inkonsistente Rauheit aufweist. Die folgenden 3 Punkte sollten beachtet werden:
1、Flanschoberflächenrauhigkeit (Ra):
Verschiedene Arten von Dichtungen haben unterschiedliche Anforderungen an die Rauheit:
- Nichtmetallische Dichtungen (z. B. Gummi, asbestfreie Dichtungen): Die Flanschfläche muss relativ glatt sein, mit einer Rauheit von Ra ≤ 3,2 μm (um zu verhindern, dass die raue Oberfläche die Dichtung zerkratzt oder Leckagen aufgrund übermäßiger Spalten verursacht).
- Halbmetallische Dichtungen (z. B. spiralförmig gewickelte Dichtungen): Eine moderate Rauheit ist erforderlich, mit Ra = 1,6-6,3 μm (eine zu glatte Oberfläche kann dazu führen, dass die Dichtung verrutscht, während eine zu raue Oberfläche die Dichtungsoberfläche beschädigen kann).
- Vollmetallische Dichtungen (z.B. gezahnte, Ringdichtungen): Die Flanschfläche erfordert eine hochpräzise Bearbeitung mit einer Rauheit von Ra ≤ 1,6 μm (um eine enge Metall-zu-Metall-Anpassung zu gewährleisten und Dichtungsfehler aufgrund unebener Oberflächen zu vermeiden).
Wenn die Rauheit der Flanschoberfläche inkonsistent ist, ist Schleifen erforderlich (Flansche, die für nichtmetallische Dichtungen geeignet sind, sollten mit feinem Schleifpapier geschliffen werden, während Flansche, die für vollmetallische Dichtungen geeignet sind, mit Präzisionsschleifmaschinen bearbeitet werden müssen).
1、Inspektion von Flanschoberflächenschäden:
Vor der Installation sollten Sie die Flanschdichtfläche visuell inspizieren oder Fühllehren verwenden, um zu überprüfen, ob Kratzer vorhanden sind (Reparatur erforderlich, wenn die Tiefe > 0,2 mm beträgt), Dellen (Auffüllung erforderlich, wenn die Fläche > 5 mm² beträgt) oder Verformungen (Korrektur erforderlich, wenn die Ebenheitsabweichung > 0,1 mm/m beträgt). Kleinere Kratzer können durch Schleifen repariert werden; wenn der Schaden schwerwiegend ist, muss der Flansch vor der Installation der Dichtung ersetzt werden.
2、Anpassung der Formen der Flanschdichtflächen:
Die Dichtungsstruktur muss strikt der Form der Flanschdichtfläche entsprechen:
- Flachflansch (FF) Flansche: Anpassen an nichtmetallische Dichtungen (z. B. flache Dichtungen). Beachten Sie, dass der Außendurchmesser der Dichtung die Flanschbolzenlöcher abdecken sollte, um ein Mediumleck aus den Bolzenlöchern zu verhindern.
- Raised Face (RF) Flansche: Anpassen an semi-metallische Dichtungen (z. B. spiralförmig gewickelte Dichtungen, metallbeschichtete Dichtungen) oder dicke nicht-metallische Dichtungen. Der Innendurchmesser der Dichtung sollte mit dem Innendurchmesser des Flansches übereinstimmen, um "Nackenbildung" zu vermeiden, die zu Mediumrückhaltung führt.
- Männlich-Weiblich (MFM) und Zunge-Nut (TG) Flansche: Anpassen an halbmetallische Dichtungen oder vollmetallische Dichtungen (z. B. spiralförmig gewickelte Dichtungen mit Positionierungsringen, Metallringdichtungen). Die Männlich-Weiblich/Zunge-Nut-Struktur wird zur Positionierung verwendet, um eine Verschiebung der Dichtung zu verhindern, was besonders für Hochdruckbedingungen geeignet ist.
(4) Schritt 4: Berechnen Sie die Bolzenlast, um sicherzustellen, dass die Dichtung die optimale Kompressionsmenge erreicht.
Bolt-Laste ist die "Energiequelle" für die Erreichung der Dichtungsabdichtung. Unzureichende Schraubenvorspannkraft verhindert, dass die Dichtung vollständig komprimiert wird, was zu einer schlechten Passung der Dichtfläche führt; übermäßige Vorspannkraft führt zu einer Überkompression der Dichtung (nichtmetallische Dichtungen können zerdrückt werden, während metallische Dichtungen plastische Verformungen erleiden können), wodurch die Elastizität verloren geht und bei späteren Druckschwankungen im System leicht zu Leckagen führen kann. Die spezifischen Arbeitsschritte sind wie folgt:
1、Bestimmen Sie die "minimale Dichtlast",
die für die Dichtung erforderlich ist:Dichtungshersteller geben normalerweise zwei Schlüsselparameter an: "Dichtungsfaktor (m)" und "minimale Vorspannungsspezifischer Druck (y)" (siehe ASME B16.5 oder GB/T 9126):
- Minimum Voranzugslast (Fp): Die Last, die sicherstellt, dass die Dichtung ohne Mediumdruck fest sitzt, berechnet mit der Formel: Fp = y × A (A ist die effektive Dichtfläche der Dichtung, die basierend auf der Dichtungsgröße berechnet werden muss).
- Betriebsbelastung (Fm): Die Last, die verhindert, dass die Dichtung durch den Mediumdruck während des Systembetriebs geöffnet wird, berechnet mit der Formel: Fm = m × P × A (P ist der Betriebsdruck des Systems).
Die gesamte Bolzenlast muss sowohl Fp als auch Fm erfüllen, d.h. die gesamte Bolzenlast F ≥ max (Fp, Fm).
2、Berechnen Sie das Vorspannmoment der Schraube:
Basierend auf der Gesamtbolzenlast F, kombiniert mit dem Bolzenmaterial (z. B. Q235, 304 Edelstahl), der Spezifikation (z. B. M16, M20) und dem Schmierungszustand (ob Gewindefett aufgetragen ist), berechnen Sie das Vorspannmoment mit der Formel: T = K × F × d (K ist der Drehmomentkoeffizient, normalerweise 0,12-0,2, bestimmt durch die Oberflächenbehandlung des Bolzens; d ist der Nenn-Durchmesser des Bolzens).
Bei der tatsächlichen Anwendung sollte ein Drehmomentschlüssel verwendet werden, um die Schrauben gleichmäßig gemäß dem berechneten Drehmoment anzuziehen (unter Beachtung der "diagonalen Schritt-für-Schritt-Anziehmethode", um eine Flanschverformung zu vermeiden), und das Anziehen basierend auf Erfahrung ist strengstens untersagt.
3、Vermeiden Sie eine Überlastung der Bolzenlast:
Bestätigen Sie die maximal zulässige Last des Bolzens (berechnet auf der Grundlage der Streckgrenze des Bolzenmaterials) und stellen Sie sicher, dass die gesamte Bolzenlast F 80 % der maximal zulässigen Last des Bolzens nicht überschreitet (eine Sicherheitsmarge wird reserviert, um eine Deformation oder Fraktur des Bolzens durch Dehnung zu verhindern). Wenn die Bolzenlast unzureichend ist, kann dies durch Erhöhung der Anzahl der Bolzen oder durch den Austausch gegen Hochleistungsbolzen gelöst werden; wenn die Bolzenlast übermäßig ist, wählen Sie Dichtungen mit größeren Kompressionsmengen (z. B. flexible graphitspiralgewickelte Dichtungen) oder passen Sie die Dichtungsgröße an (erhöhen Sie die effektive Dichtfläche A, um die erforderliche Last zu reduzieren).
III. Nachauswahlverifizierung und -wartung: Sicherstellung der langfristigen Dichtungsleistung
Nach der Auswahl der Dichtung sind Installationsverifizierung und Nachwartung erforderlich, um den Dichteffekt weiter zu gewährleisten:
1. Installation verifizieren: Nach der Installation der Dichtung einen Drucktest durchführen (z. B. Wasserdrucktest, Luftdichtheitstest), den Druck 30 Minuten lang auf dem Nennbetriebsdruck halten und auf Leckagen achten (Seifenwasser kann auf die Dichtfläche aufgetragen werden; keine Blasen deuten auf eine Qualifikation hin). Wenn Leckagen auftreten, überprüfen Sie, ob das Drehmoment der Schrauben ausreichend ist, ob die Dichtung falsch ausgerichtet ist und ob die Flanschfläche beschädigt ist, und testen Sie nach der Fehlersuche nacheinander erneut.
2、Regelmäßige Wartung: Entwickeln Sie einen Wartungszyklus für Dichtungen basierend auf der Schwere der Arbeitsbedingungen (z. B. Inspektion alle 1-2 Jahre bei Niederdruck- und Normaltemperaturbedingungen und alle 3-6 Monate bei Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen). Konzentrieren Sie sich auf Folgendes:
- Ob ob die Dichtung Alterung, Verhärtung oder Rissbildung (bei nichtmetallischen Dichtungen) oder Korrosion, Verformung (bei metallischen Dichtungen) aufweist.
- Ob die Schrauben locker sind (das Nachziehen kann mit einem Drehmomentschlüssel erfolgen).
- Ob es Anzeichen für Mediumleckagen gibt (z. B. Mediumrückstände, Korrosionsstellen in der Nähe der Dichtfläche).
Wenn Anzeichen eines Dichtungsversagens festgestellt werden, ersetzen Sie sie umgehend, um eine Ausweitung des Fehlers zu vermeiden.
Fazit
Die Auswahl von Flanschdichtungen ist ein "systematisches Projekt", das eine umfassende Berücksichtigung der Arbeitsbedingungen, der Mediumeigenschaften sowie der Flansch- und Bolzenbedingungen erfordert. Eine genaue Auswahl kann durch den vierstufigen Prozess "Bestimmung der allgemeinen Materialkategorie → Überprüfung der chemischen Verträglichkeit → Anpassung der Flanschoberfläche → Berechnung der Bolzenlast" erreicht werden. Gleichzeitig sind die Installationsüberprüfung und die regelmäßige Wartung nach der Auswahl ebenfalls unerlässlich. Nur durch die Bildung eines geschlossenen Kreislaufs von "Auswahl - Installation - Wartung" kann der langfristig stabile Betrieb des Flanschdichtungssystems sichergestellt werden, was eine Garantie für die Sicherheit und Effizienz der industriellen Produktion bietet.