螺栓法兰连接系统泄漏率计算同步发电机

螺栓法兰连接系统泄漏率计算

螺栓法兰连接系统泄漏率计算 2011年12月09日 来源： 　　分类号　TQ 050.2Leakage rate calculation of bolted flange connectionsAssociate Professor　Gu Boqin(Nanjing University of Chemical Technology, Nanjing 210009)　　Abstract　Based on the model of gases flowing through a porous media and the experiments, the relationship among leakage rate and residual compressive stress of gaskets, test pressure, dynamic viscosity of test medium and width of gaskets is developed. With the help of graphic method，the leakage rate of bolted flange connections can be easily calculated and analyzed.　　Key words: flange， bolted connection, gasket, leakage rate　　螺栓法兰垫片连接是压力容器和管道最常用的密封连接形式。现行规范采用垫片预紧密封比压y和垫片系数m表征垫片的基本性能［1,2］，其值是以Rossheim 和Markl 40年代的工作为基础［3］，基本上是经验的，且缺乏泄漏率的概念，因而按照现行规范进行螺栓法兰连接设计是无法说明所设计的连接紧密与否。　　现代化工、石油、原子能、航天及深海技术的迅速发展，对过程装备的密封提出了愈来愈高的要求。由于密封失效引起的灾难性事故屡见不鲜：据日本炼油行业近10年来燃烧爆炸事故统计结果表明，70%以上灾难性事故是由于泄漏造成的；美国挑战者号航天飞机的泄漏爆炸事件则已引起世界范围内的巨大震动。严格定量控制泄漏率是现代系统和设备安全运行的重要保证。美国压力容器委员会于1977年提出了泄漏率的定量指标，推荐一般工业的泄漏率指标为10-3 cm3/s，对原子能和某些化学工业，泄漏指标控制在10-7 cm3/s以下［4］。　　笔者依据垫片中气体介质的泄漏模型和大量实验，建立了泄漏率与垫片残余压紧应力、介质压力、粘度及垫片宽度之间的关系，提出螺栓法兰垫片连接系统的泄漏率图算方法，为建立以最大允许泄漏率作为设计准则的密封连接设计方法提供依据。1　气体通过垫片泄漏模型　　非金属垫片和金属-非金属组合垫片(如石棉橡胶垫片、柔性石墨垫片及缠绕式垫片等)可近似看作由各向同性的多孔介质所组成，气体通过多孔介质的泄漏率为层流流率与分子流流率之和［5］。　　假定多孔介质各向同性，气体流过多孔介质的流道由s个弯弯曲曲且半径大小不等的毛细管组成，某一毛细管半径为ri，流体不可压缩，则有：　　　(p1-p2)(1)式中，LR为泄漏率；l为毛细管平均长度；η为气体粘度；p1、p2分别为毛细管两端的压力；c为毛细管弯曲度系数；R为通用气体常数；T为气体绝对温度；M为气体分子量；pm=(p1+p2)/2，为毛细管两端压力的平均值。　　式(1)可用来描述气体通过垫片的泄漏。研究表明，垫片泄漏通道半径r随垫片压缩量的增大而减小，即随垫片残余压紧应力的增大而减小，它与垫片残余压紧应力σr间存在如下负指数关系［6］：r=f(σr-n)(2)式中,n为常数。气体通过垫片的泄漏率因而可表示成如下形式：(3)式中，AL、AM、nL、nM为常数；b为垫片宽度；L为垫片单位外周长的泄漏率。可见气体通过垫片的泄漏率是垫片残余压紧应力、介质压力、物性参数和垫片尺寸的函数。分析式(3)可以发现，在高垫片压紧应力及低试验压力下，气体通过垫片的泄漏主要呈分子流状态，泄漏率与压差(p1-p2）成正比，此时层流引起的泄漏可忽略不计；在低垫片压紧应力及高试验压力下，泄漏主要表现为层流，泄漏率与压力平方差(p12-p22)成正比，此时分子流引起的泄漏可忽略不计，压力容器和管道的大部分密封属于这一类型。2　试验2.1　试验装置和方法　　图1为垫片密封试验装置简图。试验机为立柱、油缸型，采用液压加载。试验法兰为刚性模拟法兰。上下法兰与垫片外侧设置一环形封板，形成一密闭的环形空腔，封板与法兰间采用"O"形橡胶圈密封。该空腔经接管与泄漏率测量系统相连。泄漏率依据密闭空腔集漏-状态方程法测定，系统可测的最小泄漏率为5×10-5 Pa.m3/s［6］。1.试验垫片　2.上法兰　3.下法兰　4.环形空腔接

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