基于泄漏率的垫片系数试验及分析*

(华东理工大学机械与动力工程学院 上海 200237)

ASMEVIII-I是国内外最为通用的螺栓法兰接头(Bolted Flanged Joint,BFJ)设计计算方法，其中推荐的2个垫片系数m、y(其中m为满足泄漏率等级L的垫片系数；y为满足泄漏率等级L的垫片预紧应力，MPa)是基于强度的值，其数值大都来自经验推荐，且目前没有通用的测试方法[1]。近些年来，由于 BFJ更加注重密封性要求，改进BFJ设计方法主要困扰在于如何得到能科学反映垫片密封性能的设计参数[2]，所以很多国家和机构对基于泄漏率的垫片系数进行了大量研究。PVRC是ASME提出的BFJ接头设计新方法，1974年PVRC提出ROTT(Room Tightness Test)密封试验方法，以获得新的垫片系数Gb、a、Gs，分别表示垫片在预紧工况和操作工况下的相应参数。2011年美国流体密封协会(FSA)提出了FSA-G605-11《测定垫片材料和设计用(m)和(y)载荷常数的标准试验方法》[3]，试验规定的参数适用于石棉垫和聚四氟乙烯垫片。欧洲的法兰接头标准EN1591-1反映了现代密封技术的发展以及环境保护对密封技术所提出的新要求，在该标准中提出了Qsmax、Qmin(L)、Qsmin(L)等新的垫片系数[4]，其中Qmin(L)表示满足泄漏率等级L的最小垫片安装应力(单位MPa)；Qsmax、Qsmin(L)分别表示满足泄漏率等级L的最大和最小垫片操作应力(单位MPa)。EN1591-2[5]定义的9个垫片参数涵盖了垫片的2种性能：变形性能和密封性能。这些垫片参数的测试方法在2014年CEN修订的EN13555[6]中有具体的规定。

基于泄漏率的垫片系数是螺栓法兰接头设计经济性和紧密性的集中体现。一方面，在接头没有那么高泄漏率要求时可以适当降低螺栓预紧力以满足经济性，另一方面，根据接头的泄漏率要求选取合适的垫片系数以保证接头的紧密型。本文作者采用金属缠绕垫片进行基于泄漏率的垫片系数试验，推荐一种基于泄漏率的m(L)、y(L)的测试方法。

1 垫片系数测试方法比较

目前ASME VIII-I推荐的垫片系数m、y没有通用的测试方法。PVRC-ROTT试验包括A、B 2个部分：A部分模拟预紧工况，获得Gb和a；B部分模拟操作工况，获得Gs[7]。EN13555为对应EN1591-1的垫片系数测试方法。其中通过适当的加载和卸载循环获取Qmin(L)和Qsmin(L)2个参数。ROTT和EN13555试验的具体参数如表1所示。

表1 ROTT和EN13555试验方法比较

ROTT试验确定垫片系数Gb、a、Gs的步骤繁复，测试时间长，也没有考虑到垫片宽度、长期服役、高温对垫片蠕变松弛的影响，因此，仍然存在一定的局限性[8]，并没有得到推广应用。由于EN13555测试方法所获取的垫片系数直接可用来进行EN1591-1的法兰设计，所以在欧洲得到了较为普遍的应用。

2 基于泄漏率的m(L)和y(L)测试方法

FSA-G605-11中所规定的试验测试流程和参数是针对石棉垫片和聚四氟乙烯垫片这2种特定材料的垫片，如测定m时所设置的垫片初始应力，并不存在通用性，且部分试验参数在试验过程中难以实现，如在测定预紧比压y时规定的试验介质压力为0.014 MPa。这也是FSA-G605-11目前没有广泛推广使用的原因之一[9]。

由于FSA-G605-11测试方法中垫片类型的局限性，因此，在参照FSA方法的同时，修改其试验参数，以用于更多垫片类型基于泄漏率的m、y的测定。具体的试验方法和参数如表2所示。

表2 基于泄漏率的m(L)和y(L)测试方法

注：A2为垫片内径面积，mm2；p为介质压力，MPa。

测试在专用的垫片综合性能试验装置上进行，实验装置由垫片加载系统、介质供给系统、测漏系统及试验法兰等组成[10]。试验装置示意图如图1所示。

图1 垫片综合性能试验装置

3 基于泄漏率的m(L)和y(L)试验

试验采用带内外环304+柔性石墨金属缠绕垫，垫片尺寸为DN80-PN40。

3.1 基于泄漏率的m(L)值试验

测定m(L)时，加载至目标垫片应力105 MPa测泄漏率后，再按10.5 MPa依次递减进行测试。卸载速率为0.5 MPa/min，保压时间为5 min，测试时间为20 min。试验的加载过程如图2所示。

图2 m(L)值测试时的加载过程

按照加载过程，进行介质压力分别为1、1.5、2、4 MPa的4组试验。所有试验结束后，基于试验数据可以做出泄漏率L和m(L)之间的散点图，并将得到的拟合曲线方程，用以表示泄漏率L和m(L)之间的函数关系。以1 MPa试验内压下的试验数据为例，得到的结果如图3所示。

图3 泄漏率L和 m(L)关系图(介质压力1 MPa)

参照1 MPa介质压力下的试验步骤及试验数据的处理方法，得到各介质压力下的函数方程如表3所示。

表3 L-m(L)函数方程

通过以上方程，可以计算出不同介质内压工况时，在相应泄漏率下的m(L)值。但是，在实际工程使用中，介质内压不仅限于以上4个值。因此，将以上4个方程表示的拟合曲线显示在图4中，并将4条曲线拟合成一条曲线，用以表示在4 MPa范围内的L-m(L)关系，拟合曲线方程为L-m(L)=0.189 5L-0.291。

图4 L-m(L)拟合曲线

3.2 基于泄漏率的y(L)值试验

与m(L)值试验不同的是，基于泄漏率的y(L)值试验介质内压保持0.1 MPa不变，先加载至目标垫片应力5 MPa，测泄漏率后再按5 MPa依次递增进行测试。卸载速率为0.5 MPa/min，保压时间为5 min，测试时间为20 min。试验的加载过程如图5所示。

图5 y(L)值测试时的加载过程

试验测试完成后，基于试验数据可以做出泄漏率L和预紧应力y(L)之间的散点图，并将得到拟合曲线方程，用以表示泄漏率L和预紧应力y(L)之间的函数关系。具体的结果如图6所示，函数方程式为y(L)=3.274 7L-0.166。

图6 L-y(L)拟合曲线

3.3 基于泄漏率的m(L)和y(L)系数值

根据垫片预紧应力y(L)、垫片系数m(L)分别与泄漏率L的函数关系，可以通过计算得到特定泄漏率等级L下的y(L)值和m(L)值，也就是基于泄漏率的m(L)和y(L)系数值。表4所示为通过代入公式计算得到的基于泄漏率的m(L)和y(L)系数值。

表4 基于泄漏率的y(L) 和m(L)值

将表4中带内外环柔性石墨金属缠绕垫的m(L)和y(L)值与ASME VIII-I中推荐的m=3和y=70 MPa值进行比较，可知ASME VIII-I中基于强度的m值可保证BFJ获得1.0×10-4Pa·m3/s左右的泄漏率，而在泄漏率等级要求更高时(即L值更小时)，基于强度的法兰设计方法选取m=3计算的法兰接头将不满足密封要求；而ASME VIII-I中基于强度的y值过于保守。

4 基于泄漏率的Qmin(L)、Qsmin(L)试验

在EN1591-1提出的垫片系数中，Qmin(L)、Qsmin(L)是与泄漏率直接相关的2个系数，其测试方法在EN13555中有明确的定义，即通过规定的垫片表面应力进行加载卸载循环，并测定在每个目标应力下的泄漏率数值。其加载卸载循环按图7[6]所示进行。

图7 Qmin(L)、Qsmin(L)测试时的加载卸载应力循环

试验采用的试样与文中第3小节相同。介质压力按照EN13555规定选用4 MPa。对得到的试验数据，以有效垫片表面压力(MPa)为横轴，以泄漏率(Pa·m3/s)为纵轴，绘制垫片泄漏率-垫片应力曲线如图8所示。

图8 EN13555泄漏率曲线

根据EN13555所述：从加载曲线上可以得到试验垫片室温下的Qmin(L)值，从卸载曲线上可以得到试验垫片室温下的Qsmin(L)值。以1.0×10-7Pa·m3/s的泄漏率等级为例，如图7所示，做一条平行于横轴的直线L=1.0×10-7Pa·m3/s，这条直线与加载曲线的交点为A，与卸载曲线的交点分别为B和C，A点对应的横坐标即为Qmin(1.00E-07)=95 MPa，B、C点对应的横坐标即为相应QA下的Qsmin(1.00E-07)，其中，QA为开始卸载时垫片的最大表面应力值。当QA=100 MPa时，Qsmin(1.00E-07)=82 MPa；QA=160 MPa时，Qsmin(1.00E-07)=40 MPa。依该方法获得的具体垫片系数数值如表5所示。

表5 EN13555垫片系数值

5 基于泄漏率的垫片系数比较

根据垫片系数的定义，可将文中第3、4小节描述的2个体系下的垫片系数进行比较：y(L) 与Qmin(L)都表示为保证泄漏率等级L在预紧状态下所需要的垫片应力m(L)和介质内压p的乘积与Qsmin(L)都表示在服役条件下为保证泄漏率等级L所需维持的垫片应力，其中p为内压，此处为p=4 MPa，Qmin(L)和Qsmin(L)为QA=100 MPa时的取值。比较结果如表6所示。

由表6比较可知，无论是y(L)值还是m(L)×p值，在泄漏率L较大时，即大于等于1.0×10-4Pa·m3/s时均比按照EN13555测得的垫片系数Qmin(L)和Qsmin(L)小；但在L≤0.000 01 Pa·m3/s时，y(L)值和m(L)×p值都大于Qmin(L)和Qsmin(L)，且泄漏率要求越高(即泄漏率等级L值越小)，两者的差值越不明显。由此可见，当泄漏率要求较低(即要求的泄漏率等级L较大，如L≥1.0×10-4Pa·m3/s)时，选用Qmin(L)和Qsmin(L)对应的值以保证预紧和服役时的垫片密封面应力，BFJ的密封可靠性更大；而当泄漏率要求较高(即要求的泄漏率等级L较小，如L<1.0×10-5Pa·m3/s)时，选用m(L)和y(L)对应的值，BFJ的密封性能更好。

表6 基于泄漏率的垫片系数比较

2组垫片系数值的差异，一方面来自2种体系下垫片系数在定义以及测试方法上的不同，另一方面是由于数据处理上的差异，m(L)、y(L)系数是基于试验数据点的数据拟合成函数，然后代入泄漏率L的值计算得到的，且m(L)是4种介质内压下的拟合曲线，而EN13555垫片系数是在4 MPa介质内压下的试验数据，且Qmin(L)和Qsmin(L)是在试验数据连成的折线图中直接读取的。

6 结论

根据ASME和EN1591两种螺栓法兰设计方法中所涉及的垫片系数的相关定义，推荐了一种基于ASME标准的垫片系数试验方法，根据该试验方法和EN13555进行了垫片系数的试验，并对2种体系下基于泄漏率的垫片系数进行比较。结果表明：根据基于泄漏率的垫片系数m(L)、y(L)测试方法所得到的m(L)、y(L)值在低泄漏率要求等级下是可靠的，且相比于传统的m、y值更具有经济效益。