墊片密封過程和影響泄漏的主要因素

1、墊片密封過程 在加載過程中， 泄漏率隨墊片的壓縮變形量而變化。 當(dāng)軸向壓緊載荷小于一定的 值時(shí)，盡管墊片已產(chǎn)生了一定的壓縮變形量， 但泄漏仍然很嚴(yán)重， 基本上沒有密 封能 力；繼續(xù)增加壓緊載荷，墊片的壓縮變形量隨之增大，泄漏率逐漸減小； 但當(dāng)軸向壓緊載荷大到一定程度時(shí)， 泄漏率幾乎不變。 在卸載過程中， 墊片的壓 縮變形量隨 壓緊載荷的減小而減小，相應(yīng)的泄漏率隨之而增大，但在同一軸向 載荷下，卸載時(shí)的泄漏率遠(yuǎn)較加載時(shí)所對應(yīng)墊片的應(yīng)力下的泄漏率小。 當(dāng)軸向載 荷減小到一定程度 時(shí)，盡管墊片的彈性變形尚未完全消失，仍具有一定的回彈 能力，但泄漏率已急劇增大。 加載和卸載時(shí)泄漏率的變化情況可通過分析

2、密封面的微觀結(jié)構(gòu)來解釋。 密封面微 觀結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，初始表面由以下幾部分組成2,其中：A法蘭面的最 大不平度； B法蘭面的缺陷（裂紋、劃傷等）； a墊片表面的最大不平度； b墊片表面缺陷 c密封面間的雜質(zhì)、毛刺等。 在加載過程中， 泄漏率隨墊片的壓縮變形而變化。 配合面間首先接觸的是表面最 突出部分如毛刺、顆粒狀雜質(zhì)等，如圖 3-3（a）所示。在加載過程的初期，因 局 部載荷很大，這些凸出部分很快被壓平或嵌入凹陷部分直至圖3-3 （b）狀態(tài), 此時(shí)盡管墊片已產(chǎn)生了一定的壓縮變形， 但泄漏仍很嚴(yán)重。 在此階段中， 配合表 面 大部分呈自由狀態(tài)， 間隙很大， 基本上沒有密封能力， 尚不能形成

3、初始密封。 由3-3（b）狀態(tài)繼續(xù)加載，配合面間的波峰、波谷相互穿插、嵌合，微間隙逐 漸減小直至配合面吻合，如圖3-3（ c）所示。在該階段中，流道截面隨壓緊力 增加而減小， 流道阻力隨之增大， 泄漏率相應(yīng)減小， 即增加壓緊載荷可以有效地 控制泄漏，故通常稱該階段為正常密封階段。從圖 3-3（ c）可以看出，當(dāng)配合 面基本吻合后， 若繼續(xù)增加壓緊載荷， 墊片的壓縮變形增加甚微， 泄漏率則幾乎 不變。此 時(shí)由初始表面的不平度所形成的微間隙基本上已被堵死，配合面大部 分嵌合，泄漏通道主要由表面缺陷如裂紋、 劃傷等組成， 而要進(jìn)一步消除這部分 間隙則十分困 難。卸載過程中，密封面上由于相互嵌合而產(chǎn)生

4、的塑性變形不因 卸載而恢復(fù)， 此時(shí)，只要墊片為被完全壓實(shí)， 墊片的回彈量足以補(bǔ)償由于介質(zhì)壓 力所引起的密封面間 的互相分離，連接總是具有一定的密封能力。這就是在同 一壓緊載荷下， 卸載時(shí)的泄漏率遠(yuǎn)小于加載時(shí)的泄漏率的原因。 但是，由于初始 表面的不平度，密封面上應(yīng) 力分布是很不均勻的，嵌合過程中并非墊片的整個(gè) 表面都形成了與法蘭面相吻合的塑性變形， 其中一部分受力較小的波谷處仍處于 彈性狀態(tài)。這部分彈性變形將隨壓 緊載荷的減小而恢復(fù)，于是卸載過程中一部 分微間隙又重新出現(xiàn)，泄漏率又隨壓緊載荷的減小而漸漸增大。 四、 影響泄漏的主要因素 對墊片密封來說， 其泄漏狀況與被密封介質(zhì)的物性、 工況條件

5、、 法蘭密封面的粗 糙程度、壓緊應(yīng)力以及墊片的基本特性、尺寸、加載卸載歷程等諸多因素有關(guān)。 1. 被密封介質(zhì)物性的影響 采用同樣的密封連接形式，在同樣的工況條件下，氣體的泄漏 率大于液體的泄漏率， 氫氣的泄漏率大于氮?dú)獾男孤┞省?這主要是由于被密封介 質(zhì)的物性參數(shù)不同造成的。 在被密封介質(zhì)的物理性質(zhì)中， 黏性的影響最大。 黏度 是流體摩擦力的量度，對于黏度大的介質(zhì)，其泄漏阻力大，泄漏率就?。粚τ陴?度小的介質(zhì)，其泄漏阻力小，泄漏率就大。 2. 工況的影響 墊片密封的工況條件包括戒指的壓力、 溫度等。不同的壓力、 溫度下其泄漏率的 大小不同。密封面兩側(cè)的壓力差是泄漏的主要動力， 壓力差越大， 介

6、質(zhì)就越易克 服泄 漏通道的阻力，泄漏就越容易。 溫度對連接結(jié)構(gòu)的密封性能有很大的影響。 研究表明， 墊片的彈、塑性變形量均隨溫度增大而增大， 而回彈性能隨溫度增高 而下降， 蠕變量則隨溫度的升高而增大。且隨著溫度的升高，墊片的老化、失 重、蠕變、松弛現(xiàn)象就會越來越嚴(yán)重。 此外，溫度對介質(zhì)的黏度也有很大的影響， 隨著溫度的升 高，液體的黏度降低，而氣體的黏度增加。溫度越高，泄漏越容 易發(fā)生。 3. 法蘭表面粗糙度的影響 相同的墊片預(yù)緊比壓下，法蘭表面粗糙度不同，泄漏率亦不一樣。通常，表面粗 糙度越小，泄漏量越小。研磨過的法蘭密封面其密封效果要比未研磨的法蘭密封 面的密封效果好。 這主要是由于粗糙

7、成俗小的密封表面其凹凸不平易被填平， 從 而使得界面泄漏大小為減少。 4. 墊片壓緊應(yīng)力的影響 墊片上的壓緊應(yīng)力越大， 其變形量就越大。 墊片的變形一方面有效地填補(bǔ)了法蘭 表面上的不平度， 使得界面泄漏大為減小； 另一方面使得墊片本身內(nèi)部毛細(xì)孔被 壓 縮，泄漏通道的截面減小泄漏阻力增加，從而泄漏率大大減小。但是如果墊 片的壓緊應(yīng)力過大，則易將墊片壓潰，從而失去回彈能力，無法補(bǔ)償由于溫度壓 力引起 的法蘭面的分離，導(dǎo)致泄漏率急劇增大。因此要維持良好的密封，必須 使墊片的壓緊應(yīng)力保持在一定的范圍內(nèi)。 5. 墊片性能和幾何尺寸的影響 （1）墊片基本性能的影響 墊片基本性主要包括兩部分， 一是墊片的力

8、學(xué)能力， 它包括墊片的壓縮回彈特性、 蠕變和應(yīng)力松弛特性等； 而是墊片的基本密封性能。 墊片的基本性能對連接的密 封性能影響很大。 螺栓法蘭墊片連接的密封本質(zhì)上是通過墊片變形，以增加流體流動阻力來實(shí)現(xiàn) 的。墊片的壓縮特性部分的反應(yīng)了其表面與法蘭面嵌合，形成初始密封的能力。 在操作 條件下，由于螺栓的伸長和法蘭的變形，使法蘭面和墊片產(chǎn)生相對分離 （墊片所受壓縮應(yīng)力減少） 的傾向，這時(shí)連接的緊密與否很大程度上取決于墊片 的回彈能力。 蠕變和應(yīng)力松弛是相聯(lián)系的，它反映了墊片材料在一定溫度和載 荷作用下其變形隨時(shí)間的增加而增加、其應(yīng)力隨時(shí)間的增加而減小的變化規(guī)律。 蠕變和松弛是導(dǎo)致高 溫密封連接泄漏率

9、增大的重要原因。墊片密封性能表征了 泄漏率與介質(zhì)壓力、 墊片殘余壓緊力和溫度的關(guān)系， 是墊片密封能力的一項(xiàng)綜合 指標(biāo)。 （2）墊片尺寸的影響 墊片厚度的影響 在同樣的壓緊載荷、同樣的介質(zhì)壓力作用下，泄漏率隨墊片厚度的增加而減少 3 。這是由于在同樣的軸向載荷作用下，厚墊片具有較大的壓縮回彈量，在初 始密 封條件已經(jīng)達(dá)到的情況下，彈性儲備較大的厚墊片，比薄墊片更能補(bǔ)償由 于介質(zhì)壓力引起的密封面間的相對分離，并使墊片表面保留較大的殘余壓緊應(yīng) 力，從而使得 泄漏率減少。但不能說墊片越厚，其密封性能越好。這是因?yàn)椋?墊片的厚度不同， 建立初始密封的條件也不同， 由于端面上摩擦力的影響， 墊片 表面呈三向受壓的應(yīng) 力狀態(tài)，材料的變形抗力較大；而墊片中部，受端部的影 響較小， 其變形抗力也較小。 在同樣的預(yù)緊載荷下， 墊片中部較墊片表面更容易 產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)，建立 初始密封面也越困難，故當(dāng)墊片厚度達(dá)到一定數(shù)值 以后，密封性能并無改變甚至惡化。此外，墊片越厚，滲透泄漏的截面積越大。 滲透泄漏率也就越大。 墊片寬度的影響 在一定的范圍內(nèi)，隨著墊片寬度的增加，泄漏率呈線性遞減 3 。這是因?yàn)樵趬| 片有效寬度內(nèi)介質(zhì)泄漏