關(guān)于非石棉墊片密封性能影響因素研究與分析

沈金根 張文成 姚飛飛 常紹亞 黃小龍

格力電器(合肥)有限公司 安徽 合肥 230088

引言

非石棉密封材料是指不含石棉成份,而其性能接近或完全達(dá)到含石棉成份的密封材料,主要有非石棉橡膠板、非石棉盤根、非石棉密封墊等。其具有優(yōu)異的物理特性和化學(xué)特性,如耐高溫性、絕緣性、絕熱性和耐腐蝕性,同時(shí)還具有很高的機(jī)械抗拉強(qiáng)度,能與橡膠等材料充分結(jié)合等等,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科技的裝備中得到廣泛的應(yīng)用。

1 背景

中央空調(diào)模塊機(jī)干式蒸發(fā)器氟系統(tǒng)為了保證密封效果使用非石棉墊片進(jìn)行配合,但在生產(chǎn)過(guò)程中由于各種因素影響,墊片裝配后會(huì)存在泄漏情況,影響機(jī)組換熱性能,本文主要針對(duì)非石棉墊片密封影響因素進(jìn)行研究分析,解決非石棉墊片在模塊機(jī)氟系統(tǒng)密封泄漏問(wèn)題,提高機(jī)組可靠性。近期公司在模塊機(jī)干式蒸發(fā)器試壓檢漏工序發(fā)現(xiàn)用于氟系統(tǒng)密封的華爾卡墊片(型號(hào)6501,厚度2mm)存在泄漏情況,使用檢漏液檢驗(yàn)墊片中間出現(xiàn)白色泡沫,為管程氣體通過(guò)墊片內(nèi)部縫隙滲透出來(lái)導(dǎo)致,影響機(jī)組質(zhì)量。

2 墊片密封原理和泄漏形式

2.1 密封原理：通過(guò)對(duì)墊片進(jìn)行壓縮,使其與密封面間產(chǎn)生足夠的壓力,以阻止介質(zhì)通過(guò)材料本身的滲透,同時(shí)保證墊片對(duì)連接件有較大的順應(yīng)性,即墊片材料受壓縮后發(fā)生的彈性或塑性變形能夠填塞密封面的變形和表面粗糙度,以堵塞界面泄漏的通道。

2.2 泄露三種形式：

界面泄漏：主要存在粗糙度和變形的問(wèn)題,與墊片之間存在泄漏通道;占總泄漏量的80%～90%。

滲透泄漏：存在的微小縫隙或細(xì)微的毛細(xì)管,具有一定壓力的流體容易滲漏出來(lái),占總泄漏量的10%～20%。

吹出泄漏：密封面分離(載荷下降或墊片碎裂),屬于事故性泄露。

3 墊片密封失效機(jī)理

3.1 墊片壓縮應(yīng)力不足(面壓)：裝配中墊片表面受到的壓強(qiáng)不足,達(dá)不到墊片密封所需的壓縮量,內(nèi)部縫隙通道無(wú)法完全壓實(shí),出現(xiàn)滲透泄漏;參考(華爾卡6500 型號(hào))墊片壓縮復(fù)原特性曲線,墊片壓縮量控制在7%～15%時(shí)密封效果最佳。

圖1 面壓值與壓縮率關(guān)系曲線圖

3.2 法蘭平面度影響：法蘭面局部存在變形,導(dǎo)致密封面上應(yīng)力分布部不均勻,墊片無(wú)法與法蘭面完全嵌合出現(xiàn)泄漏;

3.3 墊片材質(zhì)異常：物理性能指標(biāo)達(dá)不到要求,出現(xiàn)泄漏;墊片主要力學(xué)性能為壓縮率和回彈率;

3.3.1 壓縮率：通過(guò)預(yù)緊力使墊片發(fā)生彈塑性變形,一方面填補(bǔ)密封表面的泄漏缺陷,另一方面消除密封材料內(nèi)部的空隙,以阻止流體介質(zhì)通過(guò)密封材料本身滲透及密封面之間的泄漏。

3.3.2 回彈率：密封墊片在工作時(shí),由于溫度、內(nèi)壓等引起軸向推力使密封面發(fā)生分離,又要求墊片有足夠的回彈能力彌補(bǔ)該分離量且保持墊片與密封面之間有足夠的殘余壓緊力,維持密封作用。

壓縮率和回彈率的決定因素：

墊片特性

材料配方(纖維、填料含量及與基體的結(jié)合)、制備工藝

纖維特性對(duì)壓縮回彈性能影響較大

表1 墊片物理性能及技術(shù)要求

4 墊片密封影響因素研究

4.1 墊片面壓值與打緊力矩關(guān)系

密封墊片面壓核算公式：P=(T*n)/(μ*D*A)

式中：P—法蘭壓力T—螺栓扭矩n—螺栓個(gè)數(shù)D—螺栓直徑(mm)A—墊片受法蘭面覆蓋的面積(mm2)μ—摩擦因數(shù)(干體螺栓0.2,潤(rùn)滑螺栓0.15)

通過(guò)計(jì)算,按照干體螺栓摩擦因數(shù)0.2,繪制的160E 和130E殼管的力矩與墊片面壓曲線如下：

圖2 130E機(jī)型墊片裝配力矩與面壓曲線

研究結(jié)論：

墊片密封面壓值與裝配扭矩成正比關(guān)系,在一定范圍內(nèi)扭矩增大,墊片面壓值也隨著增大,為了保證墊片達(dá)到密封要求,必須保證最小扭矩值滿足墊片密封面壓值。

4.2 螺栓摩擦系數(shù)影響

目前在裝配工藝上通過(guò)控制扭矩來(lái)間接實(shí)現(xiàn)軸向夾緊力的控制。但是扭矩和軸向夾緊力的關(guān)系受到螺紋聯(lián)接副的摩擦條件(即摩擦因數(shù))的直接影響。高強(qiáng)度螺栓在使用安裝過(guò)程中,其摩擦主要表現(xiàn)為螺母螺紋與螺栓螺紋之間的摩擦;螺母底面和設(shè)備支撐板接觸面間的摩擦;螺栓支撐面和支撐板接觸面間的摩擦。

螺栓的摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)采用多功能螺栓緊固分析系統(tǒng),可以測(cè)量下表中要求測(cè)量的項(xiàng)目,并通過(guò)測(cè)試分析軟件系統(tǒng)求得總摩擦系數(shù)、螺紋之間的摩擦系數(shù)、以及支承面摩擦系數(shù)。

以160E機(jī)型裝配墊片為例,力矩220N.m,不同摩擦因數(shù)的螺栓裝配后,計(jì)算出的墊片面壓值不同。

表2 不同摩擦因數(shù)的螺栓對(duì)應(yīng)面壓值

研究結(jié)論：

螺栓的潤(rùn)滑度與墊片面壓存在反比關(guān)系,螺栓摩擦因數(shù)大在打緊過(guò)程中力的損耗越大,現(xiàn)實(shí)裝配應(yīng)考慮螺栓的摩擦因數(shù)影響。

圖3 螺栓打緊后預(yù)緊力值表現(xiàn)

4.3 法蘭平面度影響

墊片最小厚度計(jì)算公式：

tmin=2×法蘭粗糙度的最大深度(或法蘭的最大局部變形量)/C

式中：C——在給出的墊片應(yīng)力下的壓縮率。

計(jì)算不同變形量對(duì)應(yīng)的墊片最小厚度范圍如下：

表3 不同變形量對(duì)應(yīng)的墊片最小厚度

結(jié)論：

平面度對(duì)于墊片裝配和密封存在一定影響,需根據(jù)法蘭變形量對(duì)墊片厚度進(jìn)行選型。

5 結(jié)論

5.1 墊片的面壓和壓縮率是墊片密封的主要因素,而面壓值受到力矩T、螺栓摩擦因數(shù)K、墊片面積A 等因素影響;

5.2 墊片最小厚度選型與密封面平面度有關(guān),墊片壓縮量應(yīng)滿足密封面變形后補(bǔ)償量;

5.3 不同機(jī)型墊片裝配力矩需進(jìn)行計(jì)算,保證力矩選用合理性;