Как выбрать прокладки для фланцев
Создано 09.26
В трубопроводных системах и соединениях оборудования фланцевые прокладки являются основными компонентами, обеспечивающими герметичность. Рациональность их выбора напрямую влияет на безопасность, стабильность и экономичность работы системы. Неправильный выбор прокладки может привести к утечке среды, коррозии оборудования, потере энергии и даже к серьезным авариям, таким как пожары и взрывы. Начав с основных соображений по выбору фланцевых прокладок, эта статья подробно рассмотрит научный метод выбора, разбив его на четыре ключевых измерения — рабочее давление и температура, химическая совместимость, состояние поверхности фланца и нагрузка на болты — предоставляя практическое руководство для инженерно-технического персонала.
I. Основные соображения при выборе прокладок для фланцев
Выбор фланцевых прокладок должен соответствовать трем принципам "адаптивность, стабильность и безопасность". Перед формальным выбором следует сосредоточиться на следующих 4 основных предпосылках, чтобы избежать отклонений в выборе, вызванных предварительными упущениями:
1. Приоритизируйте уточнение характеристик среды: Необходимо сначала подтвердить тип среды (например, газ, жидкость, пар, коррозионная жидкость), концентрацию, чистоту и наличие частичных примесей, которые фланец передает или с которыми контактирует. Например, фланцы, передающие сильные кислоты, имеют совершенно разные требования к коррозионной стойкости прокладок по сравнению с теми, которые передают обычную воду. Пренебрежение характеристиками среды быстро приведет к выходу прокладки из строя, даже если другие параметры совпадают.
2、Закрепите граничные условия работы системы: Получите номинальное рабочее давление, мгновенное максимальное давление и долгосрочную рабочую температуру, экстремальный диапазон колебаний температуры системы, в которой находится фланец, а не просто ссылайтесь на проектные номинальные значения. Например, трубопроводы с паром высокой температуры могут испытывать условия "внезапного повышения и понижения температуры", что требует от прокладок соответствия как стабильности при высокой температуре, так и устойчивости к термическому удару.
3、Сопоставьте основные параметры фланцев и болтов: Подтвердите тип фланца (например, фланец с накладкой, фланец с приварным горлом, фланец с вгонкой), форму уплотнительной поверхности (например, плоская поверхность, выступающая поверхность, мужская-женская поверхность, поверхность с пазом и выступом), а также материал болта, спецификацию и требования к предварительному затяжке. Разные формы уплотнительных поверхностей соответствуют прокладкам с различными структурами (например, поверхности с пазом и выступом требуют прокладок без направляющих колец), а нагрузка на болты напрямую влияет на величину сжатия и уплотняющий эффект прокладок.
4、Соблюдайте отраслевые и безопасностные стандарты: Убедитесь, что выбранные прокладки соответствуют соответствующим отраслевым спецификациям (например, GB/T 9126 для нефтехимической промышленности, HG/T 20606 для химической промышленности и ASME B16.20 для международных стандартов). Особенно в сценариях, связанных с горючими, взрывоопасными, токсичными или вредными веществами, прокладки должны проходить испытания на герметичность и сертификацию безопасности, чтобы избежать скрытых рисков из-за несоответствия стандартам.
II. Научный метод выбора фланцевых прокладок: анализ четырех ключевых размеров
Выбор фланцевых прокладок должен сосредоточиться на "адаптации к рабочим условиям". Путем анализа рабочего давления и температуры, химической совместимости, состояния поверхности фланца и нагрузки на болты по одному, можно достичь точного соответствия.
(1) Шаг 1: Определите общую категорию материала прокладки в зависимости от рабочего давления и температуры
Рабочее давление и температура являются основными факторами, определяющими материал прокладки, и вместе они формируют "основную границу" для выбора прокладки. Прокладки из различных материалов имеют значительные различия в своей допустимости в пределах диапазона давления-температуры (P-T), что требует строгого соответствия:
1、Условия низкого давления и низкой температуры
(давление ≤ 1.6MPa, температура ≤ 100℃):
Подходит для сценариев передачи таких сред, как вода, воздух и низкотемпературный пар. Рекомендуются неметаллические прокладки, включая прокладки из натурального каучука (хорошая эластичность, низкая стоимость), прокладки из нитрилового каучука (лучшее сопротивление маслу, чем у натурального каучука) и прокладки из асбестового каучука (постепенно ограничиваются, с прокладками из волокон без асбеста в качестве альтернатив). Эти прокладки легко устанавливаются, но следует обратить внимание на избежание превышения верхнего предела температуры, что может привести к старению и затвердению.
2、Условия среднего давления и средней температуры
(давление: 1.6-10MPa, температура: 100-350℃):
Применимо к процессным трубопроводам в нефтехимической и химической отраслях. Рекомендуются полуметаллические прокладки, такие как металлические оболочковые прокладки (металлическая оболочка + неметаллический сердечник, обладающие как герметичностью, так и температурной стойкостью) и спирально навитые прокладки (навиты металлическими и неметаллическими полосами, обладающие отличной сжимаемостью и упругостью, что делает их "универсальным выбором" для условий среднего давления). Примечание: Материал металлической полосы в спирально навитых прокладках (например, нержавеющая сталь 304, нержавеющая сталь 316L) должен быть дополнительно подтвержден на основе коррозии среды.
3、Условия высокого давления и высокой температуры
(давление ≥ 10MPa, температура ≥ 350℃):
Подходит для трубопроводов с паром под высоким давлением, реакторов гидрогенизации, теплообменников при высокой температуре и т.д. Требуются полностью металлические прокладки, такие как металлические зубчатые прокладки (достигающие герметичности за счет зубчатого сжатия, подходящие для фланцев с мужскими и женскими поверхностями) и металлические кольцевые прокладки (например, восьмиугольные, овальные прокладки, подходящие для фланцев с язычком и пазом, с чрезвычайно высокой герметичностью, но с высокими требованиями к точности поверхности фланца). Полностью металлические прокладки должны соответствовать материалу фланца (например, фланцы из углеродной стали с прокладками из углеродной стали, фланцы из нержавеющей стали с прокладками из нержавеющей стали), чтобы избежать электрохимической коррозии.
Ключевые заметки:
- Необходимо одновременно учитывать "синергетический эффект давления и температуры". Например, определённая прокладка может выдерживать 300℃ при давлении 2MPa, но может выдерживать только 250℃ при 5MPa. Следует обращаться к "P-T кривой", предоставленной производителем прокладок, вместо того чтобы судить на основе одного параметра.
- Для сценариев с экстремальными колебаниями температуры (например, резкое падение температуры ≥ 100℃) следует выбирать материалы с хорошей термостойкостью, такие как гибкие графитовые спиральные прокладки (графит обладает высокой температурной стойкостью и низким коэффициентом теплового расширения), чтобы предотвратить отказ уплотнения прокладки из-за теплового расширения и сжатия.
(2) Шаг 2: Устранение неподходящих материалов через проверку химической совместимости
Химическая совместимость имеет решающее значение для обеспечения долгосрочной стабильной работы уплотнений. Если уплотнение химически реагирует со средой (например, коррозия, набухание, деградация), это не только снизит герметичность уплотнения, но также может загрязнить среду или привести к образованию вредных веществ. Методы проверки следующие:
1、Уточните "факторы коррозии" среды:
Сначала проанализируйте химические свойства среды: является ли она кислой (например, соляная кислота, серная кислота), щелочной (например, натриевая щелочь, аммиачная вода), окислительной (например, азотная кислота, хлорный газ), восстановительной (например, сероводород, водород) или содержит растворители (например, метанол, этанол) или масла (например, сырая нефть, смазочное масло). Например: обычные прокладки из углеродной стали (подверженные коррозии) следует избегать для кислых сред, и следует выбирать коррозионно-стойкие материалы, такие как нержавеющая сталь 316L и Хастеллой; прокладки из натурального каучука (подверженные набуханию) следует избегать для масляных сред, и следует выбирать прокладки из нитрилового каучука или фторкаучука.
2、Смотрите "таблицы совместимости" и экспериментальные данные:
Производители прокладок обычно предоставляют "таблицы совместимости материалов и сред", указывая уровни допустимости различных материалов в конкретных средах (например, "отлично, хорошо, плохо"). Для специальных сред (например, высококоррозионных, высокочистых сред) запросите отчеты о тестах совместимости от третьих сторон у производителя или проведите испытания в условиях, имитирующих рабочие (например, тест на погружение: погрузите образец прокладки в среду и наблюдайте, есть ли изменения в весе, деформация, растворение и т.д. после 72 часов).
3、Остерегайтесь "скрытых химических реакций":
Некоторые материалы могут разлагаться или подвергаться "скрытым реакциям" с материалом прокладки при высокой температуре и давлении. Например: водяной пар при высокой температуре может реагировать с добавками в некоторых неметаллических прокладках, что приводит к образованию примесей. Поэтому, даже если они совместимы при комнатной температуре, стабильность при высокой температуре и давлении все равно должна быть подтверждена.
(3) Шаг 3: Оцените состояние поверхности фланца и сопоставьте структуру и сжимаемость прокладки
Плоскостность, шероховатость и состояние повреждений уплотнительной поверхности фланца напрямую влияют на сжатие и эффект подгонки прокладки. Даже если материал прокладки подходит, утечка произойдет, если поверхность фланца имеет царапины, вмятины или несоответствующую шероховатость. Следующим 3 пунктам следует уделить внимание:
1、Шероховатость поверхности фланца (Ra):
Разные типы прокладок имеют разные требования к шероховатости:
- Неметаллические прокладки (например, резиновые, безасбестовые прокладки): Поверхность фланца должна быть относительно гладкой, с шероховатостью Ra ≤ 3.2μm (чтобы предотвратить царапание прокладки грубой поверхностью или утечку из-за чрезмерных зазоров).
- Полуметаллические прокладки (например, спирально намотанные прокладки): Требуется умеренная шероховатость, с Ra = 1.6-6.3μm (слишком гладкая поверхность может привести к проскальзыванию прокладки, в то время как слишком шершавая поверхность может повредить герметизирующий слой прокладки).
- Полнометаллические прокладки (например, зубчатые, кольцевые прокладки): Поверхность фланца требует высокоточной обработки с шероховатостью Ra ≤ 1.6μm (для обеспечения плотного металлического соединения и предотвращения отказа герметизации из-за неровных поверхностей).
Если шероховатость поверхности фланца непостоянна, требуется шлифовка (фланцы, адаптированные к неметаллическим прокладкам, должны шлифоваться мелкой наждачной бумагой, в то время как фланцы, адаптированные к полностью металлическим прокладкам, необходимо обрабатывать с помощью прецизионных шлифовальных машин).
1、Осмотр повреждений поверхности фланца:
Перед установкой визуально проверьте или используйте щупы, чтобы проверить, есть ли на поверхности уплотнения фланца царапины (требуется ремонт, если глубина > 0,2 мм), вмятины (требуется заполнение, если площадь > 5 мм²) или деформация (требуется исправление, если отклонение плоскостности > 0,1 мм/м). Небольшие царапины можно исправить шлифовкой; если повреждение серьезное, фланец необходимо заменить перед установкой прокладки.
2、Сопоставление форм уплотнительных поверхностей фланцев:
Структура прокладки должна строго соответствовать форме sealing surface фланца:
- Плоское лицо (FF) фланцы: Подходят для неметаллических прокладок (например, плоских прокладок). Обратите внимание, что внешний диаметр прокладки должен покрывать отверстия для болтов фланца, чтобы предотвратить утечку среды из отверстий для болтов.
- Поднятое лицо (RF) фланцы: Подходят для полуметаллических прокладок (например, спирально-намотанные прокладки, металлические прокладки) или толстых неметаллических прокладок. Внутренний диаметр прокладки должен соответствовать внутреннему диаметру фланца, чтобы избежать "сужения", которое приводит к задержке среды.
- Мужские-женские (MFM) и шиповые (TG) фланцы: Подходят для полуметаллических прокладок или полностью металлических прокладок (например, спирально-намотанные прокладки с направляющими кольцами, металлические кольцевые прокладки). Структура мужской-женской/шиповой используется для позиционирования, чтобы предотвратить смещение прокладки, что особенно подходит для условий высокого давления.
(4) Шаг 4: Рассчитайте нагрузку на болт, чтобы обеспечить оптимальное сжатие прокладки.
Затяжка болтов является "источником энергии" для достижения герметичности прокладки. Недостаточная предварительная затяжка болтов не позволит прокладке быть полностью сжатой, что приведет к плохой подгонке уплотнительной поверхности; чрезмерная предварительная затяжка приведет к чрезмерному сжатию прокладки (неметаллические прокладки могут быть раздавлены, в то время как металлические прокладки могут подвергнуться пластической деформации), теряя упругость и легко приводя к утечкам при последующих колебаниях давления в системе. Конкретные шаги операции следующие:
1、Определите "минимальную нагрузку на герметик", необходимую для прокладки: Производители прокладок обычно предоставляют два ключевых параметра: "коэффициент прокладки (m)" и "минимальное преднапряжение специфического давления (y)" (смотрите ASME B16.5 или GB/T 9126):
- Минимальная предварительная нагрузка (Fp): Нагрузка, обеспечивающая плотное прилегание прокладки без давления среды, рассчитывается по формуле: Fp = y × A (A - это эффективная герметичная площадь прокладки, которая должна быть рассчитана на основе размера прокладки).
- Рабочая нагрузка (Fm): Нагрузка, предотвращающая выталкивание прокладки под давлением среды во время работы системы, рассчитывается по формуле: Fm = m × P × A (P — это рабочее давление системы).
Общая нагрузка на болты должна соответствовать как Fp, так и Fm, т.е. общая нагрузка на болты F ≥ max (Fp, Fm).
2、Рассчитайте предварительный крутящий момент болта:
На основе общего усилия болта F, в сочетании с материалом болта (например, Q235, нержавеющая сталь 304), спецификацией (например, M16, M20) и условиями смазки (применяется ли смазка для резьбы), рассчитайте предварительный крутящий момент, используя формулу: T = K × F × d (K — это коэффициент крутящего момента, обычно 0,12-0,2, определяемый методом обработки поверхности болта; d — это номинальный диаметр болта).
В реальной эксплуатации моментный ключ должен использоваться для равномерного затягивания болтов в соответствии с рассчитанным моментом (следуя "диагональному поэтапному методу затяжки", чтобы избежать деформации фланца), и затягивание на основе опыта строго запрещено.
3、Избегайте перегрузки болтового соединения:
Подтвердите максимальную допустимую нагрузку на болт (рассчитанную на основе предела текучести материала болта) и убедитесь, что общая нагрузка на болт F не превышает 80% от максимальной допустимой нагрузки на болт (резервируется запас прочности для предотвращения деформации или разрушения болта). Если нагрузка на болт недостаточна, это можно решить, увеличив количество болтов или заменив их на высокопрочные болты; если нагрузка на болт чрезмерна, выберите прокладки с большим сжимаемым объемом (например, гибкие графитовые спиральные прокладки) или отрегулируйте размер прокладки (увеличьте эффективную площадь уплотнения A, чтобы уменьшить требуемую нагрузку).
III. Проверка и обслуживание после выбора: Обеспечение долгосрочной герметичности
После выбора прокладки необходимо провести проверку установки и последующее обслуживание, чтобы дополнительно обеспечить герметичность:
1、Проверка установки: После установки прокладки проведите испытание на давление (например, испытание на водяном давлении, испытание на герметичность), поддерживайте давление на номинальном рабочем давлении в течение 30 минут и наблюдайте за утечками (можно нанести мыльную воду на уплотнительную поверхность; отсутствие пузырьков указывает на соответствие). Если происходит утечка, проверьте, достаточно ли крутящего момента болтов, правильно ли установлена прокладка и повреждена ли поверхность фланца, и повторно протестируйте после устранения неполадок по одному.
2、Регулярное обслуживание: Разработайте цикл обслуживания прокладок в зависимости от тяжести рабочих условий (например, проверка каждые 1-2 года для условий низкого давления и нормальной температуры, и каждые 3-6 месяцев для условий высокого давления и высокой температуры). Сосредоточьтесь на следующем:
- Наличие старения, затвердевания или трещин (для неметаллических прокладок) или коррозии, деформации (для металлических прокладок).
- Проверить, не ослаблены ли болты (повторное затягивание можно выполнить с помощью динамометрического ключа).
- Наличие признаков утечки среды (например, остатки среды, коррозионные пятна рядом с уплотнительной поверхностью).
Если обнаружены признаки неисправности прокладки, замените ее своевременно, чтобы избежать расширения неисправности.
Заключение
Выбор фланцевых прокладок является "системным проектом", который требует комплексного учета параметров рабочих условий, характеристик среды, а также условий фланца и болтов. Точный выбор можно осуществить через четырехступенчатый процесс "определение общей категории материала → проверка химической совместимости → соответствие поверхности фланца → расчет нагрузки на болт". В то же время проверка установки и регулярное обслуживание после выбора также являются незаменимыми. Только сформировав замкнутый цикл "выбор - установка - обслуживание", можно обеспечить долгосрочную стабильную работу системы фланцевых уплотнений, что гарантирует безопасность и эффективность промышленного производства.