自工業(yè)時代以來，密封技術主要基于同一原理，通常稱為“非金屬與金屬的接觸”。如今，以華越國際多年的行業(yè)經(jīng)驗來看，市場上大多數(shù)新的密封產品仍沿襲同樣的趨勢。與之相反的原理稱為“金屬與金屬的接觸”，仍然是微不足道的。適用的國際法規(guī)和標準幾乎始終忽略了金屬與金屬之間的接觸，并且這些標準的不斷發(fā)展并未將其顯示為討論的優(yōu)先主題。但是，越來越多的密封專家正在推動金屬對金屬原理的發(fā)展。

本文介紹以下內容：

考慮到使用它們的環(huán)境，審查和比較每個原理的主要特征

分析每種原理與全球現(xiàn)有標準硬件的機械兼容性

回顧現(xiàn)有和即將到來的法蘭裝配計算方法，并考慮到金屬與金屬之間的接觸

可能改變密封和聯(lián)合開發(fā)當前趨勢的關鍵參數(shù)演變的假設和建議

針對最終用戶的期望對兩種解決方案進行分析

01 簡介

已經(jīng)使用了很多年的“螺栓法蘭”技術始終基于圖1所示的相同工作原理，導致了各種規(guī)范，設計規(guī)則和標準。螺栓法蘭組件通常包括以下三種基本類型組件：法蘭，密封件或墊圈以及螺栓。將這三個組件組裝在一起必須具有雙重功能，即確保機械完整性并保持密封性。長期以來，這兩個功能中只有一個保持了。關注的焦點始終是機械完整性，并且圍繞它建立了所有現(xiàn)有的法規(guī)和標準（ASME，DIN，CODAP，RCCM等）。

直到最近的25-30年，官方實驗室才開始關注仍然未知的組件：密封。PVRC，MPA，BHRG和CETIM特別進行了廣泛的測試，并且已經(jīng)發(fā)布了新的墊片系數(shù)，以及評估這些系數(shù)的測試程序。這些因素考慮了介質的性質，壓力，溫度，和密封性級別。但是，無論在什么條件下為控制或成功預測每個組件的性能付出了多大的努力，在重要的設計進步方面仍然進展緩慢。

02 “非金屬對金屬”原則

如前所述，“非金屬與金屬的接觸”原理基本上是當前和即將頒布的規(guī)范和標準所認可的唯一原理。圖2a，2b和2c分別表示了表征非金屬對金屬原理的平面，凸凹形和舌槽形構造。多年來帶來的幾何修改基本上都與安全有關。

這種接頭的主要特征是：螺栓在裝配階段開始并在接頭的整個“壽命”內，全部由螺栓施加在接頭上的載荷全部作用在墊圈上。法蘭之間不允許任何類型的機械擋塊。

因此，在此類接頭中使用的不同類型的密封件或墊圈通常圍繞相同的幾何形狀進行設計：有限的厚度與較大的寬度。當然，緊隨其后的例子包括片狀墊片，帶金屬夾套的“熱交換器類型”密封，螺旋纏繞墊圈，鋸齒狀和波紋狀墊圈。自從首次引入以來，這些密封件和墊圈的結構和原理沒有重大變化。最終，只有材料才跟隨可技術和環(huán)境趨勢。例如，石棉替代已成為一個關鍵問題，已允許在最大范圍內引入PTFE（聚四氟乙烯）和柔性石墨作為密封材料。

所有這些墊片在兩個法蘭之間壓縮時，在組裝階段都遵循以下基本特征：

FB = FJ（1）

這是螺栓（FB）施加的載荷和墊圈（FJ）施加的反作用載荷之間的方程式。在組裝階段開始時，螺栓施加的所有負載都會直接作用在墊圈上，然后，在連接的整個壽命中，初始的墊圈反作用力（FJ）將或多或少地受到不可預測的負載的影響 （Fext）是由于它將承受的各種內部和/或外部應變而導致的，即硬件重量，真空度，壓力，外部彎曲力矩，熱瞬變等。根據(jù)不同的應用，初始墊圈反應會增加（FJ + Fext）或減少（FJ-Fext），并且有可能同時發(fā)生在墊圈的外圍，如圖3所示，詳細說明了負載分布與在墊圈外圍的位置。在典型的外部彎矩的特定示例中，墊圈上的點A會過載，而點C會欠載。

圖3還證實，只有墊圈（它通常是接頭中最不均勻的組件）才能適應所有類型的載荷變化，包括主要載荷（FJ + Fext有明顯加重蠕變松弛的危險）情況或惡化（FJ-Fext）情況下的密封等級。此時，問題來了：如何屏蔽所有或部分外部應變，以使其不干擾密封墊安裝要求？

03 “金屬對金屬”原則

上面的問題的答案看起來很直觀，因為它是彈性體O形圈使用的解決方案。這是“金屬對金屬接觸”的原理，其中將通過墊片，凹槽等將壓縮限制在設定值。

“金屬對金屬”使用與“非金屬到金屬”相同的法蘭可以很好地進行配置如圖4a，4b和4c所示，前提是某些類型的壓縮限制設備是放置在螺栓圓內的關節(jié)接口處，以充當機械擋塊。該限制裝置可以是墊圈的一部分，也可以是單獨的組件，最終可以使墊圈更容易地安裝在所有類型的標準凸，凹或舌槽形法蘭中，如前所述。

與“非金屬到金屬”相比，“金屬到金屬”配置顯然需要不同設計的密封或墊片。它們以下列形式出現(xiàn)在市場上：

具有最佳橫截面的彈性金屬密封件（Helicoflex?，Metal-O形環(huán)，C形環(huán)等）

低座應力螺旋纏繞墊片

模壓柔性石墨密封件

無論其設計和基材是金屬還是復合材料，都必須預先確定密封壓縮力，并將其值用于限制裝置的尺寸設計。螺栓施加的負載必須足以使接頭到達限制裝置上的機械止動點。一旦達到機械擋塊，施加的任何負載量根本不會影響墊圈，并且壓縮限制裝置將作為承重組件。不管壓力限制裝置是環(huán)形還是凹槽，多余的負載都會使：

在金屬間：FB = FJ（2a）

“超過”金屬對金屬：FB> FJ（2b）

作為最低要求，由螺栓施加的載荷必須在接頭的整個使用壽命內足夠高，以確保金屬與金屬的接觸。至于負載的一致性，不僅在墊圈上的負載總是保持恒定，而且在墊圈的整個周邊上，只要保持機械擋塊即金屬與金屬的接觸，由墊圈施加的反作用負載也保持恒定。

04 密封的概念

良好的密封始終需要兩個主要特征：

獲得密封性的可塑性

保持密封性的彈性和絕對性能在金屬對金屬概念的情況下是必需的。

? 可塑性

可塑性是由復合墊圈（如SWG（螺旋纏繞墊圈），石墨環(huán)型Origraph?）的填料或金屬墊圈的外襯提供的。

對于金屬墊片，我們首先選擇與介質兼容的材料，以抵抗腐蝕。在可接受的材料中，如果與壓力兼容，我們將始終選擇最軟的一種，以便獲得最佳的可塑性，從而獲得有關密封區(qū)域表面缺陷的最佳寬容度。

密封性能直接取決于您在密封與法蘭或設備的密封區(qū)域之間所獲得的特定壓力。這種特定壓力將使密封襯里進入到法蘭中，襯里的特定壓力越小越軟，因此需要確定載荷。

? 彈性

金屬與金屬接觸的概念要求具有彈性，以便在使用過程中補償法蘭的撓曲。非常重要的參數(shù)是我們所謂的“有用彈性”，它對應于熱循環(huán)和壓力循環(huán)中的回彈。根據(jù)密封類型的不同，這種有用的彈性可能會有很大的不同，請參見下面主要金屬密封的彈性概述。

05 “金屬對金屬”密封在核站中的成功應用

在全球已安裝基地的核電站中，“金屬對金屬”設計理念的密封件幾十年來一直安全可靠，并且成功提供了數(shù)百萬個工作小時的技術應用，這些密封件在核濃縮設備，核發(fā)電設施以及用于運輸和儲存廢核燃料的容器中的應用已根據(jù)上述標準和技術背景進行了認證，并且在運行中滿足了最嚴格的設計和防泄漏要求以及采購規(guī)格?；陂L期的經(jīng)驗，在當今正在計劃和建造的大多數(shù)PWR型III +型核反應堆裝置中，指定了以下描述的密封件，并獲得了NSSS（核蒸汽供應系統(tǒng)）批準。下面列出的各種類型的金屬對金屬密封件示例展示了對核電站系統(tǒng)和組件的廣泛適用性。

核反應堆壓力容器封閉頭HELICOFLEX?/O-FLEX?

蒸汽發(fā)生器和增壓器ORIGRAF?

蒸汽發(fā)生器HELICOFLEX?

反應堆冷卻泵（RCP）HELICOFLEX?/ SWG

管道系統(tǒng)ORIGRAF?

膜片ORIGRAF?/HELICOFLEX?

換熱器RIS（安全注入系統(tǒng)）ORIGRAF?

RRA（關閉冷卻系統(tǒng)）ORIGRAF?

RPE（核排氣系統(tǒng)）ORIGRAF?

儲罐RPE，RCP（反應堆冷卻泵），ORIGRAF?

RIS（安全注射系統(tǒng)），ORIGRAF?

RCV（化學和音量控制系統(tǒng)）ORIGRAF?

高壓加熱器（蒸汽輪機系統(tǒng)）SWG + JPR

設備艙口硅膠/ EPDM型材

池子門CEFILAIR?/型材

反應堆建筑物/安全殼建筑物CEFILAIR?/型材

加油站CEFILAIR?/型材

汽輪機HELICOFLEX?

閥門HELICOFLEX?/ORIGRAF?/ SWG

用于廢燃料的運輸和儲存容器HELICOFLEX?/O-FLEX?

聚變反應堆HELICOFLEX?

粒子加速器HELICOFLEX?/ QDS

結論

利用螺栓法蘭組件的最新計算方法以及相關的密封件和墊圈標準特性描述程序，對接頭設計進行基礎檢查非常重要。金屬對金屬和非金屬對金屬這兩個原則都必須系統(tǒng)地并行考慮。它們需要不同設計的墊片，這意味著特定接頭的規(guī)格不同。當可靠性和使用壽命發(fā)揮作用時，這成為關鍵問題。顯然，金屬對金屬原理具有許多優(yōu)點，這些優(yōu)點能吸引大量最終用戶。

? 在組裝階段：

可以準確建立響應曲線的墊圈可以用作接頭中的校準彈簧元件，從而可以更好地控制并減小施加在螺栓上的扭矩與螺栓在接頭界面上施加的實際載荷之間的差異。此外，對于常見的應用，如果沒有扭矩扳手，則使用一組墊片控制相對于金屬的接觸變得相對容易。此外，機械擋塊是防止墊圈過度壓縮的最有效保護。

? 在接受檢查階段：

通過在兩個壓板之間插入一個在外殼尺寸和表面條件上與最終硬件相同的測試夾具，相對容易進行這種密封件的檢查和/或模擬其在壓力機上的操作。

以下是檢查要素：

實現(xiàn)金屬與金屬接觸所需的載荷Y2（或座載荷PY2）

在測試壓力下的氣密性或液密性

通過將壓板分開而獲得的卸載曲線上的密封閾值Ym

? 在驗證和計算階段：

螺栓提供的金屬之間的接觸所必需的載荷是最小的要求，可以通過與一般方法類似的方式指定為墊片密封座載荷。

必須將這個最小載荷增加一個給定的量，以補償流體的端載荷和外部彎矩，這兩者都會使法蘭分開。這給出了一個稱為Pre-Load的總負載值，這是螺栓法蘭組件中的主要參數(shù)。在未安裝墊圈的組件中也是如此。

預加載是“屏蔽”組件所承受的外部應力（如拉力和剪切力）的唯一方法。至于螺栓的計算，就像在任何螺栓連接中一樣，問題是要確保在接頭的整個壽命中將預載荷保持在足夠的水平，從而無論任何外部應變類型都不會發(fā)生法蘭分離， 靜態(tài)或動態(tài)振動。

作為最后的結論，我們可以看到清楚的演變。最近的法規(guī)，例如與逸散性排放有關的法規(guī)，以及對整個行業(yè)尤其是密封技術中可靠性和安全性問題的日益增長的關注，都證明了這一點。我們必須意識到，在密封技術方面，密封件或墊圈只是[法蘭+螺栓+墊圈]組件的組成部分之一。要求墊圈充當阻尼組件以承受各種機械和熱應力，這與提供密封性的主要功能完全不兼容。

現(xiàn)今面對的問題如下：

只有充分利用組件的機械強度，才能更好地控制和保持密封性。

這似乎是邁出重要一步的唯一選擇，因為在過去的幾年中，在新的密封原理和設計方面幾乎看不到任何進展。即使允許開發(fā)新材料，也沒有取得明顯的進展。而基于機械和密封功能分離的金屬對金屬原理可以提高螺栓法蘭組件的整體性能。 使用此原理的密封件和墊圈可以使用多種材料（金屬和非金屬）并行發(fā)展，目前對此原理的唯一限制就是應用范圍的拓寬。

關于Technetics集團

作為EnPro Industries（紐約證券交易所代碼：NPO）的一部分的Technetics集團為以下領域提供創(chuàng)新的解決方案：

從核反應堆壓力容器到航空發(fā)動機以及世界上最關鍵和最苛刻的應用。Technetics Group是全球公認的工程組件，密封件，組件和子系統(tǒng)的來源，這些組件是為半導體，航空航天，發(fā)電，石油和天然氣，醫(yī)療和其他行業(yè)中的高性能和極端應用量身定制的。

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