用于金属-金属接触型螺栓法兰连接设计的垫圈特性外文翻译资料

 2022-11-06 11:14:37

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用于金属-金属接触型螺栓法兰连接设计的垫圈特性

埃伯哈德 鲁斯*，汉斯 科克曼，罗尔夫 哈恩

国立材料成型研究所, 斯图加特大学， Pfaffenwaldring 32, D-70569 斯图加特, 德国

收稿日期：2000-11-07; 修改稿日期：2001-10-01; 接受日期：2001-10-01

摘要：工业设备中常用的接头是金属-金属接触型（MMC）的螺栓法兰连接，特别是在期望动态负载的情况下。与橡胶类型的法兰接头相反，其中总螺栓载荷通过垫圈传递，只有螺栓载荷的那部分被MMC所需的垫圈接替。两种基本不同类型的MMC接头需要被区分开来。在第一种情况下，垫圈大多是没有间隔环的螺旋缠绕垫圈（SWG），在一个法兰的槽中实现，并且在组装期间保证法兰接触。如果使用这种类型，最重要的参数是外径上的间隙。如果凹槽和垫圈的外径之间的差异太小，则实际上不能达到MMC的过大的垫圈应力。该效果随着垫圈的尺寸增大（垫圈厚度和槽深度之间的差异）而增强。径向间隙的可接受范围在1.0和1.5mm之间，取决于垫圈厚度。小宽度（约6mm）的垫圈由于塌陷和/或向内弯曲而显示相当大的泄漏率。在第二种情况下，使用了平面法兰和带有密封元件和间隔环（例如，具有外部间隔环的SWG）的垫圈。螺栓的紧固导致法兰和间隔环之间的接触。根据垫圈的宽度，MMC所需的垫圈应力可能过高。为获得足够的MMC应力和紧密度，最佳宽度约为10mm或更小。

关键词：法兰；螺栓连接；垫圈；设计；计算；螺旋缠绕垫圈

  1. 前言

工业设备中常用的接头是金属对金属接触型（MMC）的螺栓法兰连接。与橡胶类型的接头相反，其中总螺栓载荷通过垫圈传递，只有螺栓载荷的那部分由MMC所需的垫圈接替，如图1所示。由于内部压力以及外部负载等而在使用中的卸载效应，传递到法兰接触的附加螺栓负载必须补偿，以避免MMC的损失。 显然，MMC的螺栓载荷应尽可能低。

MMC法兰接头的主要优点是：

  • 由于凸缘的受限制的变形而具有高刚度;
  • 外部负荷下垫圈应力无变化；
  • 安装后，垫圈厚度可重新调整；

基于以上优点，MMC接头主要用于期望大的弯矩或瞬态载荷（振动，压力波动）的地方。在阀门中，恒定的垫圈厚度对于该功能很重要。例如，垫圈厚度影响安全阀中的流量。

两种基本不同类型的MMC接头需要被区分开，如图2所示。在第一种情况下，大部分为没有间隔环的螺旋缠绕垫圈（SWG）的垫圈安装在一个法兰的凹槽中，并且在组装期间必须保证法兰接触，如图1所示。在第二种情况下，使用了平面法兰和带有密封元件和间隔环（例如，具有外部间隔环的SWG）的垫圈。 螺栓的紧固导致法兰和间隔环之间的接触。 对于MMC的两种情况，必须适当地选择垫圈，凹槽和间隔环的尺寸。

图1 浮动（左）和MMC（右）角接头的螺栓连接（示意图）

尽管MMC接头已经使用了很长时间，但是还没有提供所需垫圈特性的标准和计算方法（强度和密封性证明，包括组装螺栓载荷的确定）。对于MMC接头的抗弯强度，经常使用带有浮动类型的法兰接头的计算方法，但会受到法兰旋转的限制，这导致对载荷的估计过于保守。

然而，两种类型的接头的垫圈特性非常不同; 因此垫圈的特性必须根据垫圈的特定负载和变形情况而定。

缺少标准是垫圈制造商的手册中缺少MMC接头的垫圈特性值的原因。 因此，常使用浮动型的法兰接头的垫圈特性是不合适的。这会导致如下问题：

  • 没有MMC可满足要求；
  • SWG的内部弯曲[1-3]导致大量的泄漏。

MMC垫圈试验的第一个结果见参考文献 [4-6]。 在此基础上，1999年7月，一些德国电厂所有者在MPA斯图加特发起了一个关于MMC法兰接头的研究项目。本文描述了该项目的内容和第一个研究成果。

图2 MMC型焊接垫圈装配情况（示意图）

  1. MMC法兰接头的垫圈特性

对于MMC在组装期间，需要最小的垫圈应力为，这是第一个MMC法兰接头的垫圈特性。 应力用于确定最小组件螺栓载荷。 为了避免在使用期间由于内部压力和额外的外部负载而损失MMC，必须相应地增加组件负载。 然而，垫圈应力保持恒定，因为附加负载由法兰法兰或法兰距离环接触获得。

第二个MMC垫圈特性是密封于MMC中最大内压为PMMC / L，严格确保紧密等级L。根据垫圈的类型，垫圈应力会随时间和温度的变化而松弛。这种松弛，即在恒定垫圈厚度下垫圈应力的下降，可由弛豫因子gC，相对于初始的时间t之后的剩余垫圈应力来描述。 必须检查松弛（gC lt; 1）是否影响紧密度行为，即PMMC / L的减小。MMC垫圈特性总结见表1。

表1 MMC法兰接头的垫圈特性和相应的试验程序

符号

描述

测试程序

MMC的垫圈应力

压缩测试

密封等级L时MMC的最大压力

泄露测试

松弛因子

松弛试验
  1. 测试对象

本文研究了以下垫圈类型：

  • 具有石墨和PTFE填料的SWG，其凹槽中未使用内部和外部间隔环（2厚度，6直径，2宽度和3制造商）。
  • 具有石墨填充和外部距离环，在ANSI法兰中更加常用（2宽度）。

其他未包括在内的MMC垫圈类型有：

  • 特殊设计的垫圈，带有金属间隔环和片材或环形PTFE和片状石墨垫圈，位于两面凹槽中（片材厚度不同，4个制造商）;
  • 卡姆轮廓型垫圈，在表面和外部和内部距离环上都带有石墨片;
  • 石墨孔眼垫圈与外距离环（厚度变化）。

本文仅呈现SWG的结果。

槽内径

垫圈内径

槽外径

垫圈外径

垫圈在凹槽中的径向间隙

t 初始垫圈厚度

d 凹槽深度

Z 垫圈间隙

图3 MMC垫圈测试参数

图4 不同边界条件下MMC型锚固接头垫圈的变形行为

  1. 测试技术和测试程序

上述垫圈特性通过以下测试（表1）确定：

  • 压缩测试以确定MMC处的厚度变化和垫圈应力
  • 泄漏试验以确定最大可密封内压PMMC / L及相应的泄漏率;
  • 松弛试验以确定衬垫应力（gC）随时间和温度的弛豫以及对泄漏速率的影响。

控制SWG在槽中的运行状态的最重要的几何参数是外间隙（槽和垫圈的外径的差异）和垫圈的过大尺寸（垫圈厚度和槽深度的差异）。这些参数系统地变化，以便优化几何边界条件。

刚性压缩板就是法兰，如图3所示。该凹槽由外部和内部间隔环模拟；外间隔环的内径对应于凹槽的外径，并且内间隔环的外径对应于凹槽的内径;间隔环厚度对应于凹槽深度。

测试设备和测试参数严格遵循EN13555和DIN 28090-1（表面粗糙度，负载率等）。连续测量温度，时间，负载和垫圈的变形（厚度变化）。氮气的泄漏率根据压降法确定。对于泄漏测试，在导向环中引入径向凹口，以避免在MMC位置处的导向环密封。

SWG与外部距离环在钢板之间进行硬度测试。

松弛测试在通过研磨除去0.2mm的间隔环厚度之后进行。在测试期间，通过位移控制将厚度保持恒定，其值对应于间隔环厚度10.2mm。这样，避免了MMC，并且通过集成在压机中的负载传感器来正确地确定垫圈负载或应力松弛。

图5 槽尺寸对石墨铅SWG的变形行为的影响（80times;104times;4.5mm）

  1. 测试结果

5.1 螺旋缠绕垫圈在凹槽

5.1.1 变形行为

对于在槽中使用石墨和PTFE填料的SWG，获得以下分析和样品结果。描述变形和紧固状态的主要程序适用于其他类型的MMC-垫圈，特别是适用于具有集成的外（和内）距离环的SWG，或由具有矩形横截面的环形金属体构成的垫圈以及在金属主体的两侧上的凹槽中实现的密封元件。

SWG在凹槽中的变形状态取决于凹槽中的垫圈的间隙。轴向压缩变形导致径向膨胀。当垫圈的外周和/或内周与凹槽接触时，垫圈由凹槽支撑并约束在凹槽中。此后，抑制进一步变形的阻力增加。

图4展示了对于不同边界条件的观察到的变形状态（压缩曲线：垫圈应力与垫圈厚度）。 测量曲线开始于具有初始垫圈厚度t的曲线图的右侧。

类型1表示在浮动类型条件下没有间隔环的SWG的结果，在台板之间测试并且不限于槽中。 在实践中不使用该边界条件，但是可以估计可用的凹槽深度范围（dmin lt; d lt; dmax）。在发生塌陷或过度弯曲之前，经过一定的变形（最后垫圈厚度约2.75mm）之后停止试验。

类型3表示理想的运行状态。在试验的第一阶段，压缩曲线的斜率增加，对应于提高变形阻力。 在一些压缩变形之后，斜率减小并且观察到或多或少的范围。 当垫圈用于MMC条件的凹槽中时，在垫圈与凹槽边界接触时，随着进一步变形，该斜率增大。当两个法兰（或具有垫圈测试的压板）的MMC接触时，在平整范围的末端观察到陡峭的上升。 任何额外的负载由法兰（或压板）承受，垫圈应力不会进一步显着增加。理想情况下，在MMC接触之后，垫圈应力和厚度之间的关系是一条垂直线，如图4所示；由于法兰（或台板）的刚度有限，这在现实中部存在的。

图6 在各种变形条件下的石墨铅SWG的泄漏率

在某些情况非理想的变形行为可以被观察到，实践上，这种情况应当避免：当槽中的垫圈的间隙较小和/或垫圈的尺寸过大（垫圈厚度和槽深度之间的差异）太大 （d lt; dmin），可能发生的情况是，在可用负载能力下，MMC无法解除（类型2）（在垫圈测试的情况下按压负载，并且用于真实螺栓连接的螺栓负载）。 这意味着 太高。

在小宽度的垫圈的情况下发生另一种非理想的变形行为，该垫圈没有被充分约束并支撑在凹槽中，如图1中的类型4。在这种情况下，观察到突然地塌陷和向内弯曲。依赖于加载装置，可以记录直到MMC的负载下降情况，（通过测试台中的负载传感器测量）。低衬垫应力导致高泄漏率，这将在后面呈现。

图5展示了如何通过适当选择槽尺寸，特别是MMC（ ）的垫圈应力来实现期望的变形行为。 除了凹槽深度之外，径向间隙具有决定性的作用。 图5中案例（a）表明垫圈被限制在凹槽中（由外部和内部间隔环模拟），导致了高的 值。案例（b）和（c）对应于外侧上的较高间隙，并且内侧没有约束，由外间隔环和没有内间隔环模拟；相应的，用于MMC 的垫圈应力减小。为了进行比较，在图1中还展示了浮动情景（无凹槽）。对于不同的垫圈尺寸（直径，宽度，厚度），可获得更多的这种测试结果。

从MMC卸载下来的垫圈的弹性恢复量在0.2plusmn;0.3mm的范围内。这种行为对于随着压力偏移而进行上调的情况十分重要。

图7 石墨导线SWG对不适合的几何边界条件的紧固行为

5.1.2 紧固行为

在装载和卸载期间对于不同的边界条件（垫圈的间隙和尺寸过大）进行多次泄漏测试。理想情况下，泄漏量随着垫圈应力增加和变形到MMC而减少，如图6所示。从MMC卸载时，泄漏率不会显着改变到MMC的大约50％的负载。即使在约20MPa的相对低的垫圈应力下，泄漏速率为0.01mg /（s·m）量级。因此，可以得出如下结论：由于在上升条件下的压力偏移或额外负载或者由于垫圈应力随时间的松弛而导致的MMC的损失，在有效垫圈应力不下降到20MPa时不会导致巨大的泄漏 。

对于非理想条件，当观察到垫圈的塌陷时，紧固行为是不同的，如图7。 在增加垫圈应力后密封性第一次改善之后，泄漏速率增加超过一个量级（图7中为0.07和1.4mg /（sm））。在MMC

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