高温蒸汽疏水阀密封垫与螺栓

一、前言
    蒸汽疏水阀用于管道、加热器和散热器等蒸汽供热设备系统中，可自动排除凝结水、空气和不可凝气体，防止蒸汽泄漏，提高热效率。它是保障蒸汽系统正常工作、凝结水回收利用和节约能源的重要自力式控制类阀门。
    蒸汽疏水阀的使用温度一般在200～300℃，此时法兰连接处密封垫片在常温时的参数特性会发生改变，垫片会加速老化，弹性下降，产生龟裂，从而造成法兰面密封不严而发生泄漏。另外若法兰处连接螺栓的压紧力过大，引起螺栓变形或伸长，也会导致密封垫片破坏而发生泄漏。还有人工装放垫片时如不慎将密封垫片装偏，法兰紧固过程中用力不均或是两法兰中心线偏移，造成假紧现象也会产生泄漏。因此，密封垫片预紧比压的计算以及法兰联接螺栓的转矩计算直接关系到蒸汽疏水阀法兰联接处密封效果的优良，合理选取密封垫片与螺栓对于预防蒸汽疏水阀泄漏意义重大。
    二、垫片密封原理
    垫片密封是工业装置中压力容器、工艺设备、动力机器和连接管道等可拆卸连接处zui主要的密封形式，它是借助联接螺栓穿过法兰或阀体与阀盖之间的中法兰螺栓孔，在螺栓预紧力的作用下对密封面施加压紧力，从而填塞密封面间凹凸不平的微观几何间隙来实现密封目的（如图所示），从阀门设计计算的观点出发，应该将联接壳体的螺栓与起密封作用的垫片相互起来整体考虑。

螺栓、垫片连接图
1.螺栓2.壳体3.垫片4.阀盖5.螺母

    阀门连接的密封一般属于静密封，而静密封属于接触性密封，接触性密封是指借助密封力使密封面互相靠紧、接触甚至嵌入以减少或消除间隙的各类密封；而接触性密封又可分为弹性体密封和非弹性体密封两类；一般在设计中低压阀门时都采用弹性密封垫密封。
    三、钟形浮子式疏水阀选用垫片的预紧比压与螺栓zui大、zui小转矩的计算
    1.疏水阀选用垫片和螺栓的参数
    甘肃红峰机械有限责任公司的疏水阀产品ES8B近期在用户使用中出现了阀体与阀盖之间的密封泄漏，该阀属于钟形浮子式疏水阀，动作特性为间歇式工作，一般使用在压力较低场合（2.5MPa以下），如蒸汽管线的泄水（导淋），小型硫化机、管线伴热等；zui早该阀的阀体与阀盖之间采用石棉复合垫密封，石棉垫淘汰后，采用柔性石墨复合垫。ES8B钟形浮子式疏水阀螺栓、柔性石墨复合密封垫参数见表1。

表1 ES8B钟形浮子式疏水阀垫片、螺栓参数

注：ES8B型疏水阀所采用的柔性石墨复合垫可近似看作同心圆垫片。
    2.螺栓zui小转矩的计算
    当密封流体（介质）的压力为零时，垫片应力的作用是使垫片材料发生弹塑性变形，以填塞上下密封面几何形状偏差形成的泄漏通道，这时的垫片应力为室温下的zui小垫片应力，称为zui小设计预紧应力或垫片zui小预紧比压，通常在设计规范中以y表示其数值。如非金属板状垫片为10～30MPa，软金属垫片为20～70MPa，实心金属垫片70～200MPa；垫片的zui小预紧比压确定后，结合密封面积可算出单个螺栓的受力及单个螺栓的zui小转矩，见表2。     

表2 螺栓zui小转矩的计算

    3.螺栓zui大转矩的计算表
    （1）计算螺栓zui大转矩时遇到的问题螺栓的zui小转矩确定后，可用定力矩扳手控制力矩从而达到预紧螺栓的目的，考虑到阀门的各种使用工况，在装配时，扳手的实际力矩必须大于计算出的zui小螺栓转矩，大多少才不至于将垫片压溃或螺栓偶然过载时被拉断，需要一个螺栓zui大转矩来限制；一般在设计螺栓时，没有将螺栓与选用的密封垫综合来考虑；在提出了垫片的压缩（溃）强度概念，压缩（溃）强度是垫片发生压溃的极限载荷，其数值的大小与工作温度和垫片厚度有关，一般通过试验测得；不同垫片的压缩（溃）强度可以作为垫片的极限应力来计算螺栓的zui大转矩。
    综上所述，为了保证螺栓、密封垫联接所需要的预紧力，又不使螺纹联接件过载，就需要一个zui大装配垫片应力σmax，用σmax也可推导出螺栓的zui大转矩Mmax；在设计装配垫片应力值时，不应超过zui大装配垫片应力σmax，同样螺栓的转矩也不应超过zui大转矩Mmax；但未给出各种垫片的σmax，只是提出这个概念而已。
    （2）计算螺栓zui大转矩螺栓的zui大转矩要用垫片的何种应力计算是值得考虑的问题。在对上述阀门用转矩扳手进行预紧时发现，如果扳手的力矩超过60N·m，柔性石墨复合垫片在螺栓力的作用下，压缩到一定的程度时，垫片的伸缩量已经很小，如果超过该力矩后，不是螺栓被拧断，就是密封垫被压溃，这说明预紧应力已超过了螺栓材料的许用应力或密封垫的压缩（溃）强度；在阀门零件设计或化工容器设计时，即在预紧工况和操作工况下，螺栓的载荷与该条件下螺栓材料的许用应力、螺栓所需总截面积存在以下关系：
        （1）
        （2）
    式中   Aa——预紧工况下计算的螺栓总截面积；
    Ap——操作工况下计算的螺栓总截面积；
    Wa——螺栓的zui小预紧载荷；
    Wp——操作工况下的螺栓载荷；
    [σ]b——常温下螺栓材料的许用应力；
    [σ]bt——设计温度下螺栓材料的许用应力。
    Wp值等于抵抗介质内压产生的轴向力使法兰（密封面）联接分开的载荷和维持密封垫片表面必需的压紧载荷之和，Wp、Wa的大小与密封垫的基本宽度、密封垫的厚度和直径有一定的关系。
    如果在设计时确定了介质的压力（一般取公称压力）、密封面的形式和采用的密封垫材料、螺栓材料，就可计算出螺栓的Wp、Wa，从而计算不同条件下的螺栓总面积，选择大者为所需螺栓总截面积，从而确定实际选用螺栓的直径与个数。
    在一些关于密封、连接件的设计资料中对于一般连接用的钢制螺栓连接的预紧力Fmax提出了按下式确定：
    碳素钢螺栓Fmax≤（0.6～0.7）σsA1    （3）
    合金钢螺栓Fmax≤（0.5～0.6）σsA1    （4）
    式中  σs——螺栓材料的屈服强度；    
    A1——螺栓危险截面的面积，A1=πd12/4（d1为螺栓截面的zui小直径）。
    若上述阀门选用的螺栓大小、数量符合设计要求，则用螺栓的许用拉应力来作为垫片的zui大装配应力，从而计算螺栓的zui大转矩（见表3）。表3中选用螺栓的屈服强度较小（35CrMo的螺栓热处理后在300℃的工作条件下的屈服强度为480MPa），如果阀门的工作温度较低，螺栓的屈服强度增大，通过计算得出的螺栓zui大转矩也将变大，计算出的螺栓zui大转矩小于用转矩扳手测得的螺栓力矩。
    （3）解决问题的方法和思路垫片的zui大装配应力σmax要通过试验测定，或是选用密封材料的许用比压[q]来计算常温下螺栓的zui大转矩，可通过取设计中使用的密封材料的许用比压；也可以通过以上公式先计算螺栓的直径与个数后，再计算螺栓的zui大转矩，zui后用的转矩扳手予以验证。  

  
表3 螺栓zui大转矩的计算

    四、结语
    通过对密封垫片预紧比压以及螺栓zui大转矩、zui小转矩的计算与分析，改进了原有密封垫片与螺栓的参数，改进后的ES8B型钟形浮子式疏水阀，截止目前已连续工作1000h以上，阀体与阀盖联接处无明显泄漏，证实了经改进后选取的密封垫片与螺栓组合达到了此工况下的密封要求，这种密封垫与螺栓参数选择的方法在相关阀门密封领域具有广阔的推广应用前景。