隨著疏水閥使用溫度的提高，閥體泄漏已成為不可忽視且急需解決的工程難題。針對(duì) ES8B型鐘形浮子式疏水閥在使用過(guò)程中出現(xiàn)的閥體與閥蓋之間的密封泄漏的問(wèn)題，研究分析產(chǎn)生密封泄漏的原因，提出了墊片的預(yù)緊比壓和螺栓最大轉(zhuǎn)矩最小轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法，討論如何選取密封墊片與螺栓可以使密封達(dá)到最佳的效果。對(duì)預(yù)防蒸汽疏水閥的泄漏，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的參考價(jià)值。

一、前言

　　蒸汽疏水閥用于管道、加熱器和散熱器等蒸汽供熱設(shè)備系統(tǒng)中，可自動(dòng)排除凝結(jié)水、空氣和不可凝氣體，防止蒸汽泄漏，提高熱效率。它是保障蒸汽系統(tǒng)正常工作、凝結(jié)水回收利用和節(jié)約能源的重要自力式控制類(lèi)閥門(mén)。

　　蒸汽疏水閥的使用溫度一般在200～300℃，此時(shí)法蘭連接處密封墊片在常溫時(shí)的參數(shù)特性會(huì)發(fā)生改變，墊片會(huì)加速老化，彈性下降，產(chǎn)生龜裂，從而造成法蘭面密封不嚴(yán)而發(fā)生泄漏。另外若法蘭處連接螺栓的壓緊力過(guò)大，引起螺栓變形或伸長(zhǎng)，也會(huì)導(dǎo)致密封墊片破壞而發(fā)生泄漏。還有人工裝放墊片時(shí)如不慎將密封墊片裝偏，法蘭緊固過(guò)程中用力不均或是兩法蘭中心線偏移，造成假緊現(xiàn)象也會(huì)產(chǎn)生泄漏。因此，密封墊片預(yù)緊比壓的計(jì)算以及法蘭聯(lián)接螺栓的轉(zhuǎn)矩計(jì)算直接關(guān)系到蒸汽疏水閥法蘭聯(lián)接處密封效果的優(yōu)良，合理選取密封墊片與螺栓對(duì)于預(yù)防蒸汽疏水閥泄漏意義重大。

二、墊片密封原理

　　墊片密封是工業(yè)裝置中壓力容器、工藝設(shè)備、動(dòng)力機(jī)器和連接管道等可拆卸連接處最主要的密封形式，它是借助聯(lián)接螺栓穿過(guò)法蘭或閥體與閥蓋之間的中法蘭螺栓孔，在螺栓預(yù)緊力的作用下對(duì)密封面施加壓緊力，從而填塞密封面間凹凸不平的微觀幾何間隙來(lái)實(shí)現(xiàn)密封目的(如圖所示)，從閥門(mén)設(shè)計(jì)計(jì)算的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該將聯(lián)接殼體的螺栓與起密封作用的墊片相互聯(lián)系起來(lái)整體考慮。

螺栓、墊片連接圖

1.螺栓2.殼體3.墊片4.閥蓋5.螺母

　　閥門(mén)連接的密封一般屬于靜密封，而靜密封屬于接觸性密封，接觸性密封是指借助密封力使密封面互相靠緊、接觸甚至嵌入以減少或消除間隙的各類(lèi)密封;而接觸性密封又可分為彈性體密封和非彈性體密封兩類(lèi);一般在設(shè)計(jì)中低壓閥門(mén)時(shí)都采用彈性密封墊密封。

三、鐘形浮子式疏水閥選用墊片的預(yù)緊比壓與螺栓最大、最小轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

1.疏水閥選用墊片和螺栓的參數(shù)

　　甘肅紅峰機(jī)械有限責(zé)任公司的疏水閥產(chǎn)品ES8B近期在用戶使用中出現(xiàn)了閥體與閥蓋之間的密封泄漏，該閥屬于鐘形浮子式疏水閥，動(dòng)作特性為間歇式工作，一般使用在壓力較低場(chǎng)合(2.5MPa以下)，如蒸汽管線的泄水(導(dǎo)淋)，小型硫化機(jī)、管線伴熱等;最早該閥的閥體與閥蓋之間采用石棉復(fù)合墊密封，石棉墊淘汰后，采用柔性石墨復(fù)合墊。ES8B鐘形浮子式疏水閥螺栓、柔性石墨復(fù)合密封墊參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 ES8B鐘形浮子式疏水閥墊片、螺栓參數(shù)

　　注：ES8B型疏水閥所采用的柔性石墨復(fù)合墊可近似看作同心圓墊片。

2.螺栓最小轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

　　當(dāng)密封流體(介質(zhì))的壓力為零時(shí)，墊片應(yīng)力的作用是使墊片材料發(fā)生彈塑性變形，以填塞上下密封面幾何形狀偏差形成的泄漏通道，這時(shí)的墊片應(yīng)力為室溫下的最小墊片應(yīng)力，稱為最小設(shè)計(jì)預(yù)緊應(yīng)力或墊片最小預(yù)緊比壓，通常在設(shè)計(jì)規(guī)范中以y表示其數(shù)值。如非金屬板狀墊片為10～30MPa，軟金屬墊片為20～70MPa，實(shí)心金屬墊片70～200MPa;墊片的最小預(yù)緊比壓確定后，結(jié)合密封面積可算出單個(gè)螺栓的受力及單個(gè)螺栓的最小轉(zhuǎn)矩，見(jiàn)表2。

表2 螺栓最小轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

3.螺栓最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算表

　　(1)計(jì)算螺栓最大轉(zhuǎn)矩時(shí)遇到的問(wèn)題螺栓的最小轉(zhuǎn)矩確定后，可用定力矩扳手控制力矩從而達(dá)到預(yù)緊螺栓的目的，考慮到閥門(mén)的各種使用工況，在裝配時(shí)，扳手的實(shí)際力矩必須大于計(jì)算出的最小螺栓轉(zhuǎn)矩，大多少才不至于將墊片壓潰或螺栓偶然過(guò)載時(shí)被拉斷，需要一個(gè)螺栓最大轉(zhuǎn)矩來(lái)限制;一般在設(shè)計(jì)螺栓時(shí)，沒(méi)有將螺栓與選用的密封墊綜合來(lái)考慮;在提出了墊片的壓縮(潰)強(qiáng)度概念，壓縮(潰)強(qiáng)度是墊片發(fā)生壓潰的極限載荷，其數(shù)值的大小與工作溫度和墊片厚度有關(guān)，一般通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得;不同墊片的壓縮(潰)強(qiáng)度可以作為墊片的極限應(yīng)力來(lái)計(jì)算螺栓的最大轉(zhuǎn)矩。

　　綜上所述，為了保證螺栓、密封墊聯(lián)接所需要的預(yù)緊力，又不使螺紋聯(lián)接件過(guò)載，就需要一個(gè)最大裝配墊片應(yīng)力σmax，用σmax也可推導(dǎo)出螺栓的最大轉(zhuǎn)矩Mmax;在設(shè)計(jì)裝配墊片應(yīng)力值時(shí)，不應(yīng)超過(guò)最大裝配墊片應(yīng)力σmax，同樣螺栓的轉(zhuǎn)矩也不應(yīng)超過(guò)最大轉(zhuǎn)矩Mmax;但未給出各種墊片的σmax，只是提出這個(gè)概念而已。

　　(2)計(jì)算螺栓最大轉(zhuǎn)矩螺栓的最大轉(zhuǎn)矩要用墊片的何種應(yīng)力計(jì)算是值得考慮的問(wèn)題。在對(duì)上述閥門(mén)用轉(zhuǎn)矩扳手進(jìn)行預(yù)緊時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果扳手的力矩超過(guò)60N·m，柔性石墨復(fù)合墊片在螺栓力的作用下，壓縮到一定的程度時(shí)，墊片的伸縮量已經(jīng)很小，如果超過(guò)該力矩后，不是螺栓被擰斷，就是密封墊被壓潰，這說(shuō)明預(yù)緊應(yīng)力已超過(guò)了螺栓材料的許用應(yīng)力或密封墊的壓縮(潰)強(qiáng)度;在閥門(mén)零件設(shè)計(jì)或化工容器設(shè)計(jì)時(shí)，即在預(yù)緊工況和操作工況下，螺栓的載荷與該條件下螺栓材料的許用應(yīng)力、螺栓所需總截面積存在以下關(guān)系：

(1)

(2)

　　式中 Aa——預(yù)緊工況下計(jì)算的螺栓總截面積;

　　Ap——操作工況下計(jì)算的螺栓總截面積;

　　Wa——螺栓的最小預(yù)緊載荷;

　　Wp——操作工況下的螺栓載荷;

　　[σ]b——常溫下螺栓材料的許用應(yīng)力;

　　[σ]bt——設(shè)計(jì)溫度下螺栓材料的許用應(yīng)力。

　　Wp值等于抵抗介質(zhì)內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力使法蘭(密封面)聯(lián)接分開(kāi)的載荷和維持密封墊片表面必需的壓緊載荷之和，Wp、Wa的大小與密封墊的基本寬度、密封墊的厚度和直徑有一定的關(guān)系。

　　如果在設(shè)計(jì)時(shí)確定了介質(zhì)的壓力(一般取公稱壓力)、密封面的形式和采用的密封墊材料、螺栓材料，就可計(jì)算出螺栓的Wp、Wa，從而計(jì)算不同條件下的螺栓總面積，選擇大者為所需螺栓總截面積，從而確定實(shí)際選用螺栓的直徑與個(gè)數(shù)。

　　在一些關(guān)于密封、連接件的設(shè)計(jì)資料中對(duì)于一般連接用的鋼制螺栓連接的預(yù)緊力Fmax提出了按下式確定：

　　碳素鋼螺栓Fmax≤(0.6～0.7)σsA1 (3)

　　合金鋼螺栓Fmax≤(0.5～0.6)σsA1 (4)

　　式中 σs——螺栓材料的屈服強(qiáng)度;

　　A1——螺栓危險(xiǎn)截面的面積，A1=πd12/4(d1為螺栓截面的最小直徑)。

　　若上述閥門(mén)選用的螺栓大小、數(shù)量符合設(shè)計(jì)要求，則用螺栓的許用拉應(yīng)力來(lái)作為墊片的最大裝配應(yīng)力，從而計(jì)算螺栓的最大轉(zhuǎn)矩(見(jiàn)表3)。表3中選用螺栓的屈服強(qiáng)度較小(35CrMo的螺栓熱處理后在300℃的工作條件下的屈服強(qiáng)度為480MPa)，如果閥門(mén)的工作溫度較低，螺栓的屈服強(qiáng)度增大，通過(guò)計(jì)算得出的螺栓最大轉(zhuǎn)矩也將變大，計(jì)算出的螺栓最大轉(zhuǎn)矩小于用轉(zhuǎn)矩扳手測(cè)得的螺栓力矩。

　　(3)解決問(wèn)題的方法和思路墊片的最大裝配應(yīng)力σmax要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，或是選用密封材料的許用比壓[q]來(lái)計(jì)算常溫下螺栓的最大轉(zhuǎn)矩，可通過(guò)取設(shè)計(jì)中使用的密封材料的許用比壓;也可以通過(guò)以上公式先計(jì)算螺栓的直徑與個(gè)數(shù)后，再計(jì)算螺栓的最大轉(zhuǎn)矩，最后用精確的轉(zhuǎn)矩扳手予以驗(yàn)證。

表3 螺栓最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

四、結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)密封墊片預(yù)緊比壓以及螺栓最大轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩的計(jì)算與分析，改進(jìn)了原有密封墊片與螺栓的參數(shù)，改進(jìn)后的ES8B型鐘形浮子式疏水閥，截止目前已連續(xù)工作1000h以上，閥體與閥蓋聯(lián)接處無(wú)明顯泄漏，證實(shí)了經(jīng)改進(jìn)后選取的密封墊片與螺栓組合達(dá)到了此工況下的密封要求，這種密封墊與螺栓參數(shù)選擇的方法在相關(guān)閥門(mén)密封領(lǐng)域具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。