非金属垫片密封泄漏率测试实验研究【字数：13535】
摘 要本课题旨在分析研究影响垫片密封性能的因素。随着化工行业的兴起，其地位在我国经济体系中日益上升。对于该行业中的安全隐患不但不能忽视，反而要引以为重。在多次的历史教训中，常常能看到由于垫片失效而引起的事故。在现有的研究中虽然也有不少关于垫片的性能分析，但从实际的使用工况上来看显然是不够的。在工厂中常常会因为生产节拍的调整，而改变生产线上的产品。这意味着可能会改变介质、预紧力等因素，而这很有可能会影响垫片的正常使用，从而导致垫片的损坏失效。本次研究针对这一现象，着重于模拟垫片在不同工况下密封情况的试验，并分析其影响因素具体内容如下（1）简述本课题的研究意义，分析国内外对垫片泄漏率的研究现状，了解垫片的密封机理，学习非金属垫片密封性知识。（2）搭建一套试验平台，并设计一个便于实验的模拟法兰。确保其性能足够完成垫片的试验并绘制法兰的CAD图纸。（3）制定三种尺寸的非金属垫片分别是石棉橡胶垫片、非石棉橡胶垫片、柔性石墨复合垫片。对其在不同预紧应力、不同介质压力等工况下进行试验，并用Origin软件绘制数据图，分析泄漏规律。建立泄漏模型并推导泄漏率公式，用Statistic软件拟合出泄漏率公式的系数。
Keywords: Leakage rate; Test platform; Nonmetallic gasket; Leakage mod 目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 相关领域的国际研究现况 2
1.2.1 国外研究现况 2
1.2.2 国内研究现况 3
1.3 研究目标 4
第二章 试验平台的搭建 5
2.1 试验装置总体流程图 5
2.2 介质容器的选型 5
2.3 减压阀的选择 6
2.4 微差压传感器的选型 6
2.5 直流数字电流电压表选型 7
2.6 四通道直流稳压电源的选型 7
2.7 高压管接头选型 8
2.8 法兰 9
2.8.1 法兰设计 9
2.8.2 法兰的三维模型 10
第三章 垫片的密封性能和泄漏模型 12
3.1 密封机理 12 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
3.2 泄漏的方式 13
3.2.1 渗透泄漏 13
3.2.2 界面泄漏 13
3.3 泄漏模型 14
3.4 泄漏率公式推导 15
第四章 非金属垫片泄漏率测试试验 18
4.1 试验设备 18
4.1.1 试验机主要技术参数 18
4.1.2 试验机工作要求 18
4.2 试验条件 19
4.3 试验试样 19
4.3.1 石棉橡胶垫片 19
4.3.2 非石棉橡胶垫片 20
4.3.3 柔性石棉橡胶垫片 20
4.4 试验方案 21
4.5 试验结果 21
4.5.1 石棉橡胶垫片的泄漏数据与分析 21
4.5.2 非石棉橡胶垫片的泄漏数据与分析 24
4.5.3 柔性石墨垫片的泄漏数据与分析 26
4.6 试验数据拟合 29
第五章 结论与展望 32
5.1 结论 32
5.2 展望 32
参考文献 33
发表论文情况 35
致谢 36
绪论
1.1 研究背景与意义
随着社会的发展，科学技术的进步，制造业也是不断地更新换代，发展迅速。在机械、矿石、石油化工、航空航天、钢铁炼金、能源、发电等方面上更是发生了翻天覆地的变化。就现在而言，螺栓法兰连接依旧是上述产业中最为重要最为关键的连接方式之一。不言而喻，在整个生产过程中确保这种连接方式的可靠性是尤为必要的，而垫片是螺栓法兰连接的关键部件，其密封性能是决定了密封效果的重要因素。当设备出现泄漏时，就不单单是停止生产，产能损失的问题了，还会造成资源浪费，环境污染等社会问题，更甚者危及人身安全，造成无法挽回的重大事故。据分析，在上述工业非寿命疲劳维修中密封问题占到60%80%[13]。
在一家中等规模的石油化工厂中，需要用到静密封结构的地方就有数十万之多，而其中被密封的介质品类繁多，并且大多是易燃易爆、有毒、有腐蚀性等有危险隐患的介质。一旦泄漏，后果不堪设想。2014年8月4日，某石油天然气集团石化分公司炼油厂产能30万吨/年气体分馏装置发生丙烯泄漏事故，并导致火灾，如图11所示。造成这一事故的一个重要原因是相关负责人使用了一个质量不达标的垫片。石油化工密封事故暴露的问题更加凸显了密封垫片在静密封结构中确保设备密封性和完整性的作用[46]。
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图11 泄漏现场
20世纪80年代，美国“挑战者号”航天飞机爆炸事件震动了全世界。事后究其原因是燃料泄漏，而导致泄漏的既不是航天员不规范的操作，也不是太空恶劣的环境，而是因为火箭推进器上一个失效的密封圈。可笑的是这么一个小小的密封件却夺走了7名航空员的生命[78]。
相对于这些直接可见的事故实例，事实上由于泄漏而造成的间接影响才是骇人听闻。2017年11月，在“滁新高速”下行线的一段路程，因突发雾团，发生了多处重大交通事故，人员伤亡惨重。如图12所示。城市中雾霾无处不在，我们可以理解生产造成的雾霾，却不能容忍泄漏导致的雾霾。
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图12 事故现场
而早在1990年美国就已经制定了对有毒有害物质泄漏率的限制规定，并且从103 cm3/s、104 cm3/s提高到了105 cm3/s。通过对比发现我国除了在核电站、航空航天等领域对密封性有一定的要求与标准之外，在其他工业设备上的泄漏率指标只能勉强达到103 cm3/s。可见我国密封设备的性能之差，频频发生的泄漏事故也在提醒我们该去研究提高密封设备的密封性能了[9, 10]。
1.2 相关领域的国际研究现况
1.2.1 国外研究现况
自20世纪上半叶美国机械工程师协会(ASME)制定了第一部压力容器规范后，对螺栓法兰连接的研究便如雨后春笋般，硕果累累。
1943年，罗斯海姆等人发表论文第一次提出了“y，m”的概念。此时的“y，m”概念仅仅只是基于使用经验和简单的试验并没有科学的理论支撑，因此参数y，m还只是与垫片材料、尺寸有关，还未涉及到介质类型、介质压力、垫片应力等等。尽管如此这些参数受到了ASME很大的重视，收录在《锅炉与压力容器规范中》多年来几乎没有变化一直沿用至今。通过ASME规范中螺栓法兰连接设计规范了解到y，m仅仅是作为螺栓法兰连接结构设计的参数依据[11, 12]。还不能够成为垫片泄漏性能研究分析的理论依据，因此y与m值还无法反映螺栓法兰连接密封垫片的泄漏率特性。
Keywords: Leakage rate; Test platform; Nonmetallic gasket; Leakage mod 目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 相关领域的国际研究现况 2
1.2.1 国外研究现况 2
1.2.2 国内研究现况 3
1.3 研究目标 4
第二章 试验平台的搭建 5
2.1 试验装置总体流程图 5
2.2 介质容器的选型 5
2.3 减压阀的选择 6
2.4 微差压传感器的选型 6
2.5 直流数字电流电压表选型 7
2.6 四通道直流稳压电源的选型 7
2.7 高压管接头选型 8
2.8 法兰 9
2.8.1 法兰设计 9
2.8.2 法兰的三维模型 10
第三章 垫片的密封性能和泄漏模型 12
3.1 密封机理 12 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
3.2 泄漏的方式 13
3.2.1 渗透泄漏 13
3.2.2 界面泄漏 13
3.3 泄漏模型 14
3.4 泄漏率公式推导 15
第四章 非金属垫片泄漏率测试试验 18
4.1 试验设备 18
4.1.1 试验机主要技术参数 18
4.1.2 试验机工作要求 18
4.2 试验条件 19
4.3 试验试样 19
4.3.1 石棉橡胶垫片 19
4.3.2 非石棉橡胶垫片 20
4.3.3 柔性石棉橡胶垫片 20
4.4 试验方案 21
4.5 试验结果 21
4.5.1 石棉橡胶垫片的泄漏数据与分析 21
4.5.2 非石棉橡胶垫片的泄漏数据与分析 24
4.5.3 柔性石墨垫片的泄漏数据与分析 26
4.6 试验数据拟合 29
第五章 结论与展望 32
5.1 结论 32
5.2 展望 32
参考文献 33
发表论文情况 35
致谢 36
绪论
1.1 研究背景与意义
随着社会的发展，科学技术的进步，制造业也是不断地更新换代，发展迅速。在机械、矿石、石油化工、航空航天、钢铁炼金、能源、发电等方面上更是发生了翻天覆地的变化。就现在而言，螺栓法兰连接依旧是上述产业中最为重要最为关键的连接方式之一。不言而喻，在整个生产过程中确保这种连接方式的可靠性是尤为必要的，而垫片是螺栓法兰连接的关键部件，其密封性能是决定了密封效果的重要因素。当设备出现泄漏时，就不单单是停止生产，产能损失的问题了，还会造成资源浪费，环境污染等社会问题，更甚者危及人身安全，造成无法挽回的重大事故。据分析，在上述工业非寿命疲劳维修中密封问题占到60%80%[13]。
在一家中等规模的石油化工厂中，需要用到静密封结构的地方就有数十万之多，而其中被密封的介质品类繁多，并且大多是易燃易爆、有毒、有腐蚀性等有危险隐患的介质。一旦泄漏，后果不堪设想。2014年8月4日，某石油天然气集团石化分公司炼油厂产能30万吨/年气体分馏装置发生丙烯泄漏事故，并导致火灾，如图11所示。造成这一事故的一个重要原因是相关负责人使用了一个质量不达标的垫片。石油化工密封事故暴露的问题更加凸显了密封垫片在静密封结构中确保设备密封性和完整性的作用[46]。
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图11 泄漏现场
20世纪80年代，美国“挑战者号”航天飞机爆炸事件震动了全世界。事后究其原因是燃料泄漏，而导致泄漏的既不是航天员不规范的操作，也不是太空恶劣的环境，而是因为火箭推进器上一个失效的密封圈。可笑的是这么一个小小的密封件却夺走了7名航空员的生命[78]。
相对于这些直接可见的事故实例，事实上由于泄漏而造成的间接影响才是骇人听闻。2017年11月，在“滁新高速”下行线的一段路程，因突发雾团，发生了多处重大交通事故，人员伤亡惨重。如图12所示。城市中雾霾无处不在，我们可以理解生产造成的雾霾，却不能容忍泄漏导致的雾霾。
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图12 事故现场
而早在1990年美国就已经制定了对有毒有害物质泄漏率的限制规定，并且从103 cm3/s、104 cm3/s提高到了105 cm3/s。通过对比发现我国除了在核电站、航空航天等领域对密封性有一定的要求与标准之外，在其他工业设备上的泄漏率指标只能勉强达到103 cm3/s。可见我国密封设备的性能之差，频频发生的泄漏事故也在提醒我们该去研究提高密封设备的密封性能了[9, 10]。
1.2 相关领域的国际研究现况
1.2.1 国外研究现况
自20世纪上半叶美国机械工程师协会(ASME)制定了第一部压力容器规范后，对螺栓法兰连接的研究便如雨后春笋般，硕果累累。
1943年，罗斯海姆等人发表论文第一次提出了“y，m”的概念。此时的“y，m”概念仅仅只是基于使用经验和简单的试验并没有科学的理论支撑，因此参数y，m还只是与垫片材料、尺寸有关，还未涉及到介质类型、介质压力、垫片应力等等。尽管如此这些参数受到了ASME很大的重视，收录在《锅炉与压力容器规范中》多年来几乎没有变化一直沿用至今。通过ASME规范中螺栓法兰连接设计规范了解到y，m仅仅是作为螺栓法兰连接结构设计的参数依据[11, 12]。还不能够成为垫片泄漏性能研究分析的理论依据，因此y与m值还无法反映螺栓法兰连接密封垫片的泄漏率特性。
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