法兰连接垫片高温特性研究的进展

法兰连接垫片高温特性研究的进展

朱长青1  李锦2  陈乐芳2

1.浙江京宏流体科技有限公司 浙江，温州 325000

2.瓯明阀门集团有限公司 浙江，温州 325000

摘要:法兰连接是石油化工、电力、航空航天等工业领域广泛应用的一种管道连接方式。密封垫片作为法兰连接的关键部件,其在高温环境下的密封性能直接影响系统的安全可靠运行。本文探讨了在法兰连接垫片高温特性研究方面取得的进展,重点讨论了高温对垫片材料性能的影响机理以及提高垫片高温密封性能的措施,并对今后的研究方向进行了展望。

关键词:法兰连接 密封垫片 高温特性 密封可靠性 工程应用

引言:

法兰连接由于具有结构简单、拆装方便等优点,在石油化工、电力、航空航天等工业领域得到了广泛应用。密封垫片是法兰连接的关键部件,其性能的优劣直接影响系统的安全可靠运行。随着工业技术的不断发展,法兰连接所处的工况环境日趋严酷,高温、高压、腐蚀等极端工况对垫片的密封性能提出了更高的要求。因此,开展法兰连接垫片高温特性的研究对于提高系统的安全性、可靠性具有重要意义。

一、开展法兰连接垫片高温特性研究的重要意义

(一)满足工程应用需求

在石油化工、电力、航空航天等工业领域,法兰连接通常需要在高温环境下长期服役[1]。例如,在石油化工装置中,炼油装置和石油化工装置的许多设备和管道的工作温度可高达400~600℃;在电厂汽轮机中,主蒸汽管道的温度可达560℃以上;在航空发动机中,燃烧室出口温度可高达1700℃左右。在如此高的温度下,若密封垫片的高温性能不能满足要求,则可能导致泄漏事故的发生,给生产安全和环境保护带来隐患[2]。因此,深入研究法兰连接垫片的高温特性,对于满足日益严苛的工程应用需求具有重要意义。

(二)揭示材料高温失效机理

密封垫片在高温环境下会发生材料性能退化,主要表现为强度下降、断裂、泄漏等失效形式。研究表明,高温环境下垫片材料的失效机理主要包括:高温氧化、晶粒长大、位错运动、蠕变、热疲劳、热冲击等[3]。深入分析各种失效机理的作用规律及其与温度的关系,对于指导抗高温垫片材料的研发和改性具有重要意义。只有准确把握材料高温失效的机理,才能"对症下药",从根本上提高垫片材料的高温服役性能。

(三)优化垫片结构设计

除了材料选择外,垫片的结构设计也会显著影响其高温密封性能。一些学者针对高温条件下的垫片泄漏失效问题,从优化垫片结构设计的角度进行了探索。例如,采用具有梯度结构的复合垫片,既能满足高温段的耐温要求,又能保证常温段的密封性能;设计具有迂回密封结构的金属缠绕垫片,利用迂回效应增加气体泄漏路径,从而提高垫片的高温密封能力;优化波纹管垫片的波纹参数,在保证垫片的弹性余量和回弹性的同时,降低应力集中和高温蠕变的倾向。上述结构设计的优化必须建立在全面掌握垫片高温特性的基础之上。

二、法兰连接垫片高温试验装置和试验方法

(一)高温压缩蠕变试验

高温压缩蠕变试验可用于评价垫片在高温条件下的蠕变特性。试验装置通常由高温炉、加载装置、位移测量装置等组成。将垫片样品放置在高温炉中,施加一定的压缩载荷,测量并记录垫片随时间的变形量,绘制蠕变曲线。根据蠕变曲线的特征,可计算垫片的蠕变变形量、蠕变速率等参数,评价垫片的抗蠕变性能。美国Flexitallic公司采用高温压缩蠕变试验,系统研究了316L、321H等材料垫片在不同温度(400~700℃)、应力(35~70MPa)条件下的蠕变行为,获得了垫片60000 h的长期蠕变数据,为工程设计提供了重要依据。

(二)高温泄漏率试验

在高温泄漏率试验中,将垫片安装在法兰之间,加热至设定温度并保温一定时间,然后充入高压介质(通常为氦气或氮气),测量垫片的泄漏率。英国AMTEC公司研制了一套高温高压泄漏率试验装置,可在600℃、15MPa的条件下测试垫片的泄漏率,并配备了高精度的微小流量计,分辨率可达0.01 mL/min。中国石油大学的王栋等采用该装置对304、316等材料垫片进行了泄漏率测试,揭示了垫片泄漏率与温度、介质压力的关系。

(三)高温应力松弛试验

应力松弛是指材料在恒定应变下,应力随时间逐渐减小的现象。垫片在安装压紧后,由于高温蠕变和应力松弛效应,其密封面压力会逐渐降低,导致泄漏的风险增加。因此,应力松弛试验对于评价垫片的高温力学性能和密封可靠性至关重要。试验时,将加热后的垫片样品压缩至一定应变,然后测量应力随时间的变化情况。美国Garlock公司开展了大量金属垫片和非金属垫片的高温应力松弛试验,获得了不同材料在不同温度下的应力松弛特性,并据此优化了垫片的材料配方和热处理工艺。

三、法兰连接垫片高温试验的结果

(一)温度对垫片蠕变变形的影响

高温压缩蠕变试验表明,温度是影响垫片蠕变变形的最主要因素。随着温度的升高,垫片的蠕变变形量显著增大,蠕变速率加快。以316L金属缠绕垫片为例,研究发现,在35 MPa应力下,温度从400℃升高到600℃时,垫片的稳态蠕变速率增大了近10倍。西安交通大学的张永祯等进一步分析了温度对垫片蠕变机理的影响,发现较低温度下垫片的蠕变以位错滑移为主,而高温下以位错攀移和扩散蠕变为主。因此,为保证垫片的高温密封性能,必须合理控制垫片的使用温度上限。

(二)垫片泄漏率与温度和压力的关系

通过高温泄漏率试验,可以定量评价垫片在不同温度、压力条件下的密封性能。304不锈钢缠绕垫片在200~600℃范围内的泄漏率与温度呈非线性关系,存在一个临界温度,高于该温度时泄漏率急剧增大。随着介质压力的升高,临界温度降低,垫片更易泄漏。因此,在确定垫片的安全使用温度时,必须综合考虑介质压力的影响。在优化垫片材料和结构设计时,可通过提高临界泄漏温度来改善其高温密封性能。

(三)高温条件下垫片的失效形式

通过高温试验还可以观察到垫片的典型失效形式。常见的失效形式包括:高温氧化导致的垫片表面点蚀、晶间腐蚀;蠕变变形导致的垫片厚度减薄、局部凹陷；热疲劳导致的垫片开裂、分层;应力松弛导致的垫片密封面压降低等。一旦出现上述失效,垫片的密封性能将显著下降,严重时会引发泄漏事故。因此,全面考察垫片在高温条件下的失效特征,对于及时发现和消除事故隐患具有重要意义。同时,针对不同的失效机理采取相应的材料改性措施(如表面涂层、合金化、亚晶强化等),可显著提高垫片的高温可靠性。

表1 不同材料垫片的高温失效特征

结语:

综上所述,开展法兰连接垫片高温特性研究对于提高系统的安全性、可靠性具有重要意义。通过高温压缩蠕变、高温泄漏率、高温应力松弛等试验方法,可系统评价垫片在高温环境下的力学性能、密封性能和失效特征,揭示高温失效机理,为抗高温垫片材料的研发、结构设计优化以及安全使用提供科学依据。未来,还需着力建立垫片多场耦合高温失效的理论模型,开展多尺度、跨学科的机理研究,在材料、结构、工艺等方面进行系统优化,进一步提高垫片在苛刻工况下的适应性和可靠性,推动其在极端环境下的工程应用。

参考文献：
[1]孔靖,邵春雷.温度波动对螺栓法兰连接系统垫片应力的影响[J].新能源科技,2024,5(1):24-30.

[2]门进杰,吴熙,张谦,李家富,霍文武.螺栓法兰连接SRC柱抗震性能与可拆卸性能研究[J].地震工程与工程振动,2023,43(2):56-68.

[3]逯宗典,曾玉昆,张盛飞,许坤,韩强.基于法兰连接的离心式中空RC节段桥墩抗震性能试验研究[J].北京工业大学学报,2023,49(11):1180-1189.