Come Selezionare le Guarnizioni per Flange
Creato il 09.26
Nei sistemi di tubazioni e nelle connessioni delle attrezzature, le guarnizioni per flange sono componenti fondamentali che garantiscono le prestazioni di tenuta. La razionalità della loro selezione influisce direttamente sulla sicurezza, stabilità ed economia del funzionamento del sistema. Una selezione inadeguata delle guarnizioni può portare a perdite di medium, corrosione delle attrezzature, spreco di energia e persino gravi incidenti di sicurezza come incendi ed esplosioni. Partendo dalle considerazioni fondamentali per la selezione delle guarnizioni per flange, questo articolo elaborerà il metodo di selezione scientifica analizzando quattro dimensioni chiave: pressione e temperatura operative, compatibilità chimica, condizione della superficie della flangia e carico dei bulloni, fornendo indicazioni pratiche per il personale ingegneristico e tecnico.
I. Considerazioni fondamentali per la selezione delle guarnizioni per flange
La selezione delle guarnizioni per flange deve attenersi ai tre principi di "adattabilità, stabilità e sicurezza". Prima della selezione formale, è necessario concentrarsi sui seguenti 4 prerequisiti di base per evitare deviazioni nella selezione causate da omissioni preliminari:
1、Dare priorità a chiarire le caratteristiche del mezzo: È necessario prima confermare il tipo di mezzo (ad es. gas, liquido, vapore, fluido corrosivo), concentrazione, purezza e se contiene impurità solide con cui la flangia entra in contatto o che trasporta. Ad esempio, le flangie che trasportano acidi forti hanno requisiti drasticamente diversi per la resistenza alla corrosione delle guarnizioni rispetto a quelle che trasportano acqua normale. Trascurare le caratteristiche del mezzo porterà rapidamente a un guasto della guarnizione anche se gli altri parametri corrispondono.
2、Ancorare le condizioni di confine operative del sistema: Ottenere la pressione operativa nominale, la pressione massima istantanea e la temperatura operativa a lungo termine, l'intervallo di fluttuazione della temperatura estrema del sistema in cui si trova il flangia, piuttosto che fare riferimento solo ai valori nominali progettati. Ad esempio, i tubi di vapore ad alta temperatura possono sperimentare condizioni di "improvviso aumento e diminuzione della temperatura", richiedendo guarnizioni che soddisfino sia la stabilità ad alta temperatura che la resistenza agli urti termici.
3、Abbinare i parametri di base di flange e bulloni: Confermare il tipo di flangia (ad esempio, flangia a scorrimento, flangia a collo saldato, flangia a saldatura a scomparsa), la forma della superficie di tenuta (ad esempio, faccia piatta, faccia sollevata, faccia maschio-femmina, faccia a linguetta e scanalatura), così come il materiale del bullone, la specifica e i requisiti di coppia di pre-serraggio. Diverse forme di superficie di tenuta corrispondono a guarnizioni di diverse strutture (ad esempio, le facce a linguetta e scanalatura richiedono guarnizioni senza anelli di posizionamento), e il carico del bullone influisce direttamente sulla quantità di compressione e sull'effetto di tenuta delle guarnizioni.
4、Conformarsi agli standard di settore e di sicurezza: Assicurarsi che le guarnizioni selezionate soddisfino le specifiche di settore pertinenti (ad esempio, GB/T 9126 per l'industria petrolchimica, HG/T 20606 per l'industria chimica e ASME B16.20 per gli standard internazionali). Soprattutto in scenari che coinvolgono media infiammabili, esplosivi, tossici o nocivi, le guarnizioni devono superare test di tenuta e certificazioni di sicurezza per evitare rischi nascosti dovuti alla non conformità agli standard.
II. Metodo di Selezione Scientifica per Guarnizioni Flangiate: Analisi di Quattro Dimensioni Chiave
La selezione delle guarnizioni per flange dovrebbe concentrarsi su "adattamento alle condizioni di lavoro". Attraverso l'analisi della pressione e della temperatura operative, della compatibilità chimica, delle condizioni della superficie della flangia e del carico dei bulloni uno per uno, è possibile ottenere un abbinamento accurato.
(1) Passo 1: Determinare la categoria generale del materiale della guarnizione in base alla pressione e alla temperatura di esercizio
La pressione operativa e la temperatura sono fattori chiave che determinano il materiale della guarnizione e insieme formano il "confine di base" per la selezione della guarnizione. Le guarnizioni di diversi materiali presentano differenze significative nella loro tolleranza all'interno dell'intervallo di pressione-temperatura (P-T), richiedendo un abbinamento rigoroso:
1、Condizioni di bassa pressione e bassa temperatura
(pressione ≤ 1.6MPa, temperatura ≤ 100℃):
Adatto per scenari che trasmettono media come acqua, aria e vapore a bassa pressione. Si raccomandano guarnizioni non metalliche, tra cui guarnizioni in gomma naturale (buona elasticità, basso costo), guarnizioni in gomma nitrilica (migliore resistenza all'olio rispetto alla gomma naturale) e guarnizioni in gomma contenente amianto (gradualmente limitate, con guarnizioni in fibra senza amianto come alternative). Queste guarnizioni sono facili da installare, ma si deve prestare attenzione a non superare il limite superiore di temperatura, poiché ciò potrebbe causare invecchiamento e indurimento.
2、Condizioni di media pressione e media temperatura
(pressione: 1.6-10MPa, temperatura: 100-350℃):
Applicabile ai processi di pipeline nelle industrie petrolchimiche e chimiche. Si raccomandano guarnizioni semi-metalliche, come guarnizioni rivestite in metallo (guscio metallico + materiale centrale non metallico, con prestazioni di tenuta e resistenza alla temperatura) e guarnizioni a spirale (avvolte con strisce metalliche e strisce non metalliche, con eccellente compressione e resilienza, rendendole la "scelta universale" per condizioni di media pressione). Nota: Il materiale della striscia metallica nelle guarnizioni a spirale (ad es., acciaio inossidabile 304, acciaio inossidabile 316L) dovrebbe essere ulteriormente confermato in base alla corrosione del mezzo.
3、Condizioni di alta pressione e alta temperatura
(pressione ≥ 10MPa, temperatura ≥ 350℃):
Adatto per tubazioni di vapore ad alta pressione, reattori di idrogenazione, scambiatori di calore ad alta temperatura, ecc. Sono richieste guarnizioni completamente metalliche, come guarnizioni metalliche seghettate (che raggiungono la tenuta attraverso la compressione seghettata, adatte per flange a faccia maschio-femmina) e guarnizioni metalliche ad anello (ad es., guarnizioni ottagonali, ovali, adatte per flange a scanalatura, con prestazioni di tenuta estremamente elevate ma elevate esigenze di precisione della superficie di tenuta della flangia). Le guarnizioni completamente metalliche devono corrispondere al materiale della flangia (ad es., flange in acciaio al carbonio con guarnizioni in acciaio al carbonio, flange in acciaio inossidabile con guarnizioni in acciaio inossidabile) per evitare la corrosione elettrochimica.
Note chiave:
- L'effetto sinergico di pressione e temperatura deve essere considerato simultaneamente. Ad esempio, una certa guarnizione può resistere a 300℃ con una pressione di 2MPa, ma potrebbe resistere solo a 250℃ con 5MPa. La "curva P-T" fornita dal produttore della guarnizione dovrebbe essere consultata invece di giudicare basandosi su un singolo parametro.
- Per scenari con fluttuazioni estreme di temperatura (ad es., improvviso abbassamento della temperatura ≥ 100℃), dovrebbero essere selezionati materiali con buona resistenza agli urti termici, come guarnizioni spiralate in grafite flessibile (il grafite ha resistenza ad alta temperatura e basso coefficiente di espansione termica), per prevenire il fallimento della tenuta della guarnizione a causa dell'espansione e contrazione termica.
(2) Passo 2: Eliminare i materiali non idonei attraverso la verifica della compatibilità chimica
La compatibilità chimica è fondamentale per garantire il funzionamento stabile a lungo termine delle guarnizioni. Se una guarnizione reagisce chimicamente con il mezzo (ad es., corrosione, gonfiore, degradazione), non solo ridurrà le prestazioni di tenuta della guarnizione, ma potrebbe anche contaminare il mezzo o produrre sostanze nocive. I metodi di verifica sono i seguenti:
1、Chiarire i "fattori di corrosione" del mezzo:
Prima di tutto, analizzare le proprietà chimiche del mezzo: se è acido (ad es., acido cloridrico, acido solforico), alcalino (ad es., idrossido di sodio, acqua ammoniacale), ossidante (ad es., acido nitrico, gas cloro), riducente (ad es., solfuro di idrogeno, idrogeno), o contiene solventi (ad es., metanolo, etanolo) o oli (ad es., petrolio greggio, olio lubrificante). Ad esempio: le guarnizioni in acciaio al carbonio ordinario (soggette a corrosione) dovrebbero essere evitate per mezzi acidi, e dovrebbero essere selezionati materiali resistenti alla corrosione come l'acciaio inossidabile 316L e Hastelloy; le guarnizioni in gomma naturale (soggette a gonfiore) dovrebbero essere evitate per mezzi oleosi, e dovrebbero essere scelte guarnizioni in gomma nitrilica o fluororubber.
2、Fare riferimento ai "grafici di compatibilità" e ai dati sperimentali:
I produttori di guarnizioni solitamente forniscono "grafici di compatibilità materiale-media", segnando i livelli di tolleranza dei diversi materiali in specifici media (ad es., "eccellente, buono, scarso"). Per media speciali (ad es., media altamente corrosivi, media ad alta purezza), richiedere rapporti di test di compatibilità di terze parti dal produttore o condurre test simulati delle condizioni di lavoro su piccola scala (ad es., test di immersione: immergere il campione di guarnizione nel mezzo e osservare se ci sono cambiamenti di peso, deformazione, dissoluzione, ecc. dopo 72 ore).
3、Attenzione alle "reazioni chimiche nascoste":
Alcuni materiali possono decomporre o subire "reazioni nascoste" con il materiale della guarnizione ad alta temperatura e pressione. Ad esempio: il vapore acqueo ad alta temperatura può reagire con gli additivi in alcune guarnizioni non metalliche per generare impurità. Pertanto, anche se compatibili a temperatura ambiente, la stabilità ad alta temperatura e pressione deve comunque essere confermata.
(3) Passo 3: Valutare le condizioni della superficie della flangia e abbinare la struttura e la compressibilità della guarnizione
La planarità, la rugosità e lo stato di danneggiamento della superficie di tenuta della flangia influenzano direttamente l'effetto di compressione e adattamento della guarnizione. Anche se il materiale della guarnizione è adatto, si verificherà una perdita se la superficie della flangia presenta graffi, ammaccature o rugosità incoerente. I seguenti 3 punti dovrebbero essere focalizzati:
1、Rugosità della superficie della flangia (Ra):
Different types of gaskets have different requirements for roughness:
- Non-metallic guarnizioni (ad es., guarnizioni in gomma, guarnizioni senza amianto): La superficie della flangia deve essere relativamente liscia, con una rugosità di Ra ≤ 3,2μm (per prevenire che la superficie ruvida graffi la guarnizione o causi perdite a causa di fessure eccessive).
- Semi-metallic guarnizioni (ad es., guarnizioni a spirale): È necessaria una rugosità moderata, con Ra = 1,6-6,3μm (una superficie eccessivamente liscia può causare lo scivolamento della guarnizione, mentre una superficie eccessivamente ruvida può danneggiare lo strato di tenuta superficiale della guarnizione).
- Full-metallic guarnizioni (ad es., guarnizioni a dente, guarnizioni a anello): La superficie della flangia richiede una lavorazione ad alta precisione, con una rugosità di Ra ≤ 1,6μm (per garantire un accoppiamento metallico a metallico stretto ed evitare guasti di tenuta a causa di superfici irregolari).
Se la rugosità della superficie della flangia è incoerente, è necessaria la rettifica (le flangie adattate a guarnizioni non metalliche devono essere rettificate con carta vetrata fine, mentre le flangie adattate a guarnizioni completamente metalliche devono essere lavorate con rettificatrici di precisione).
1、Ispezione dei danni alla superficie della flangia:
Prima dell'installazione, ispezionare visivamente o utilizzare spessimetri per controllare se la superficie di tenuta della flangia presenta graffi (riparazione necessaria se la profondità > 0,2 mm), ammaccature (riempimento necessario se l'area > 5 mm²) o deformazioni (correzione necessaria se la deviazione di planarità > 0,1 mm/m). I graffi minori possono essere riparati tramite levigatura; se il danno è grave, la flangia deve essere sostituita prima di installare la guarnizione.
2、Abbinamento delle forme delle superfici di tenuta delle flange:
La struttura della guarnizione deve corrispondere rigorosamente alla forma della superficie di tenuta della flangia:
- Piano Faccia (FF) flange: Adattarsi a guarnizioni non metalliche (ad es., guarnizioni piatte). Si noti che il diametro esterno della guarnizione dovrebbe coprire i fori dei bulloni della flangia per prevenire perdite di medium dai fori dei bulloni.
- Faccia Rialzata (RF) flange: Adattarsi a guarnizioni semi-metalliche (ad es., guarnizioni a spirale, guarnizioni metalliche) o guarnizioni non metalliche spesse. Il diametro interno della guarnizione dovrebbe essere coerente con il diametro interno della flangia per evitare "restringimenti" che causano la ritenzione del mezzo.
- Maschio-Femmina (MFM) e flange a linguetta e scanalatura (TG): Adattarsi a guarnizioni semi-metalliche o guarnizioni completamente metalliche (ad es., guarnizioni a spirale con anelli di posizionamento, guarnizioni a anello metallico). La struttura maschio-femmina/linguetta e scanalatura è utilizzata per il posizionamento per prevenire lo spostamento della guarnizione, particolarmente adatta per condizioni di alta pressione.
(4) Passo 4: Calcolare il carico del bullone per garantire che la guarnizione raggiunga l'importo ottimale di compressione
Il carico del bullone è la "sorgente di energia" per ottenere la tenuta della guarnizione. Una forza di pre-tensionamento del bullone insufficiente impedirà alla guarnizione di essere completamente compressa, risultando in un cattivo accoppiamento della superficie di tenuta; una forza di pre-tensionamento eccessiva causerà una sovra-compressione della guarnizione (le guarnizioni non metalliche possono essere schiacciate, mentre le guarnizioni metalliche possono subire deformazioni plastiche), perdendo elasticità e portando facilmente a perdite quando la pressione del sistema fluttua successivamente. I passaggi operativi specifici sono i seguenti:
1、Determinare il "carico di tenuta minimo"
richiesto per la guarnizione: I produttori di guarnizioni di solito forniscono due parametri chiave: "fattore di guarnizione (m)" e "pressione specifica di pre-tensionamento minima (y)" (fare riferimento a ASME B16.5 o GB/T 9126):
- Minimo carico di pre-tensionamento (Fp): Il carico che garantisce che la guarnizione si adatti saldamente senza pressione del mezzo, calcolato con la formula: Fp = y × A (A è l'area di tenuta efficace della guarnizione, che deve essere calcolata in base alle dimensioni della guarnizione).
- Carico operativo (Fm): Il carico che impedisce alla guarnizione di essere spinta aperta dalla pressione del mezzo durante il funzionamento del sistema, calcolato con la formula: Fm = m × P × A (P è la pressione operativa del sistema).
Il carico totale dei bulloni deve soddisfare sia Fp che Fm, cioè, il carico totale dei bulloni F ≥ max (Fp, Fm).
2、Calcolare il momento di pre-tensionamento del bullone:
Basato sul carico totale del bullone F, combinato con il materiale del bullone (ad es., Q235, acciaio inossidabile 304), specifica (ad es., M16, M20) e condizione di lubrificazione (se è stata applicata la grasso per filetti), calcolare la coppia di pre-serraggio utilizzando la formula: T = K × F × d (K è il coefficiente di coppia, solitamente 0,12-0,2, determinato dal metodo di trattamento superficiale del bullone; d è il diametro nominale del bullone).
In actual operation, a torque wrench should be used per stringere i bulloni in modo uniforme secondo la coppia calcolata (seguendo il "metodo di serraggio diagonale passo dopo passo" per evitare la deformazione della flangia), e il serraggio basato sull'esperienza è severamente vietato.
3、Evitare il sovraccarico del carico dei bulloni:
Conferma il carico massimo consentito del bullone (calcolato in base alla resistenza a snervamento del materiale del bullone) e assicurati che il carico totale del bullone F non superi l'80% del carico massimo consentito del bullone (è riservato un margine di sicurezza per prevenire la deformazione o la frattura da allungamento del bullone). Se il carico del bullone è insufficiente, può essere risolto aumentando il numero di bulloni o sostituendoli con bulloni ad alta resistenza; se il carico del bullone è eccessivo, seleziona guarnizioni con maggiori quantità di compressione (ad esempio, guarnizioni spiralate in grafite flessibile) o regola la dimensione della guarnizione (aumenta l'area di tenuta efficace A per ridurre il carico richiesto).
III. Verifica e Manutenzione Post-Selezione: Garantire le Prestazioni di Sigillatura a Lungo Termine
Dopo aver selezionato la guarnizione, è necessaria la verifica dell'installazione e la manutenzione post-installazione per garantire ulteriormente l'effetto di tenuta:
1、Verifica dell'installazione: Dopo aver installato la guarnizione, eseguire un test di pressione (ad esempio, test di pressione dell'acqua, test di tenuta d'aria), mantenere la pressione al valore nominale di esercizio per 30 minuti e osservare eventuali perdite (è possibile applicare acqua saponata sulla superficie di tenuta; nessuna bolla indica idoneità). Se si verificano perdite, controllare se la coppia dei bulloni è sufficiente, se la guarnizione è disallineata e se la superficie della flangia è danneggiata, e ripetere il test dopo aver risolto i problemi uno per uno.
2、Manutenzione regolare: Sviluppare un ciclo di manutenzione delle guarnizioni basato sulla gravità delle condizioni di lavoro (ad esempio, ispezione ogni 1-2 anni per condizioni di bassa pressione e temperatura normale, e ogni 3-6 mesi per condizioni di alta pressione e alta temperatura). Concentrarsi sui seguenti:
- Se la guarnizione presenta invecchiamento, indurimento o crepe (per guarnizioni non metalliche) o corrosione, deformazione (per guarnizioni metalliche).
- Se i bulloni sono allentati (il serraggio può essere effettuato con una chiave dinamometrica).
- Se ci sono segni di perdita del mezzo (ad es., residui del mezzo, punti di corrosione vicino alla superficie di tenuta).
Se vengono trovati segni di guasto della guarnizione, sostituiscila in modo tempestivo per evitare di ampliare il guasto.
Conclusione
La selezione delle guarnizioni per flange è un "progetto sistematico" che richiede una considerazione completa dei parametri delle condizioni di lavoro, delle caratteristiche del mezzo e delle condizioni di flange e bulloni. Una selezione accurata può essere ottenuta attraverso il processo in quattro fasi di "determinazione della categoria generale del materiale → verifica della compatibilità chimica → abbinamento della superficie della flangia → calcolo del carico del bullone". Allo stesso tempo, la verifica dell'installazione e la manutenzione regolare dopo la selezione sono anch'esse indispensabili. Solo formando un ciclo chiuso di "selezione - installazione - manutenzione" si può garantire il funzionamento stabile a lungo termine del sistema di tenuta della flangia, fornendo garanzia per la sicurezza e l'efficienza della produzione industriale.