夹具法带压堵漏夹具设计与计算

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1、夹具法带压堵漏夹具设计与计算刘倍倍李海民(河南煤业化工集团中原大化公司 ,河南濮阳 ,457004)摘要 从夹具设计和夹具尺寸计算两方面入手 ,介绍了当前化工生产中带压堵漏的主要方法 夹具法带压堵漏 。关键词 带压堵漏 夹具设计 计算不停车带压堵漏技术包括 :带压粘接技术 、 带压焊接技术以及带压注胶密封技术等 。其中带压 注胶密封技术应用范围最广 ,限制条件最少 。其 基本原理是 :用夹具包容泄漏点建立密封腔 (或利 用原密封腔) ,以高于泄漏系统压力的推力注入密 封剂 ,达到工作密封比压 ,实现泄漏点的封堵 。常见的压注胶密封方法包括夹具法 ,钢带捆 扎法 ,金属丝捻缝法以及填料函打孔注胶

2、法等 ,其 中夹具法是适应性最强 、 最可靠的堵漏方式 。 夹具法带压堵漏技术是一项综合性技术 ,由 专用夹具 、 密封注剂 、 专用工具和封堵操作技术组成 。夹具设计是带压封堵的关键环节 ,夹具的形 式 、 尺寸是否合理直接决定了封堵的成败 。型法兰夹具适用范围较广 ,并且可以应用多种密封增强方式 ;缺点是对法兰表面的平整有较高的 要求 。斜口法兰夹具利用法兰倒角或者棱边与夹 具的斜面形成近似线形密封的密封面 ,容易形成 较大的密封比压 ,并且对法兰表面要求较低 ;缺点 是对法兰螺栓造成附加的拉力 ,可以应用的密封 增强方式少 ,适用压力较低 。1 关于夹具所谓夹具是指安装在泄漏部位形成封闭

3、密封 腔 ,提供强度和刚度的金属构件 。一般的夹具由 夹具本体 、 耳板 、 紧固螺栓以及注胶头构成 。夹具 的主要作用有 : 包容或者覆盖泄漏点 ,形成密闭 空腔 ,以容纳密封注剂 ; 承受系统压力和密封注 剂的挤压力 。合格夹具具备以下特点 : 要有足够的强度和刚度 ; 经覆盖或者包容要有合适的 容胶腔 ; 夹具与原密封结构间要有合适的间隙 ; 必须有注胶通道 ; 要便于安装和制造 ; 要符 合 G B150钢制压力容器 有关选材的规定 。图 1 常见的法兰夹具收稿日期 :2009206209 ;收到修改稿日期 :2009212207 。 作者简介 :刘倍倍 ,男 ,1982 年出生 ,助

4、理工程师 ,2004 年 7 月 毕业于郑州大学 ,现在河南煤业化工集团中原大化公司检修工程 公司工作 。联系电话 :039328956535 。2夹具的典型结构211法兰夹具 常用的法兰泄漏用夹具如图 1 所示 ,其中凸2009 年第 32 卷414夹具与法兰外圆的吻合程度是堵漏成功的关键 ,图中为理想形状 ,实际生产中的法兰多数存在 两法兰大小不一 、 偏心等 , 需要针对不同情况设 计 。212凹形法兰夹具 (图 2)有些法兰 ( 例如凹凸面法兰 、 榫槽面法兰) 的 法兰间隙小 ,无法设计凸台 ,可以灵活运用直管夹 具 ,形成凹形密封腔 。在实际堵漏过程中 ,可能会 出现堵漏后介质又从

5、法兰螺栓孔处向外泄漏的现 象 ,这说明密封胶未进入法兰之间的间隙 ,内部介质沿螺栓孔泄漏 。此时 ,可以利用特殊注胶工具 向内部注胶 。点而不影响开关 。215弯头夹具 焊接式弯头夹具见图 4b 。图 4 三通夹具与弯头夹具管道用局部夹具 利用 “U” 型螺栓给管道带个 “帽子”, 可形成216管道用局部夹具如图 5 a 所示 ,可用于大直径管道的泄漏 ,既经济又便于操作 。如果将 “帽子” 顶部 开孔 ,并沿 “U” 型螺栓所在平面分成 2 半 ,则形成 局部三通夹具 ,如图 5b 。图 2 凹形法兰夹具213直管夹具图 3 为管道泄漏用夹具 。左图为焊接成型管 道夹具 ,工艺较复杂 ,但夹

6、具的宽度可以根据泄漏 尺寸确定 ; 右图为方形整体夹具 ,工艺简单 ,不会 因为焊接变形 ,如果泄漏点较小的话可采用 。图 5 局部管道夹具和局部三通夹具217隔离式夹具 输送腐蚀性介质的低压管道泄漏 ,泄漏孔大 , 泄漏位置附近管道腐蚀减薄 。使用普通管道夹具 有可能造成密封胶进入管道内部以及密封胶压力 破坏管道等后果 。 采用隔离式夹具 (图 6) 向夹具两端的夹层以图 3 常见的管道夹具 214三通夹具焊接 式 三 通 夹 具 见 图 4a , 可 以 用 于 弯 头 堵 漏 ,也可以包裹小尺寸阀门 ( 例如针形阀) 封堵漏第 6 期刘倍倍等 1 夹具法带压堵漏夹具设计与计算415及夹具

7、中分面注胶 ,使密封胶远离泄漏部位形成密封 。这种间接密封不会对泄漏位置造成额外的 压力 ,也能避免密封胶进入管道 。以上为夹具常见的几种形式 ,夹具的形式是 多种多样的 。3 注胶孔的设置以及形式的选择注胶孔的数量要根据密封胶的流动性 、 注胶 阻力以及泄漏点温度等确定 , 并且应均匀分布 。 法兰夹具注胶孔通常与螺栓数相同 ,直管夹具注胶孔之间的距离不应大于 100 mm 。最好有一个 注胶孔靠近泄漏点 ,这样可以引出泄漏介质方便 注胶 。图 7 为常见的 3 种注胶孔 。a 、b 需与注胶头 配合 ,其中 a 为标准注胶孔 ,适用于高压低温泄漏 场合 ,能有效防止密封胶的反退 。b 为通

8、孔注胶 孔 ,适用于低压高温泄漏场合 ,降低了注胶阻力 , 防止密封胶过早固化 。c 为直连注胶孔 , 不经注胶头而与注胶枪直接相连 ,用于高温低压场合 ,操 作方便 。图 6 隔离式夹具图 73 种常见的注胶头兰外圆有一定过盈 ,利用耳板螺栓紧力使锯齿变 形 ,以提高夹具与法兰密封面的密封性能 。法兰4夹具密封性的增强411接口间隙的消除以铝皮 等 消 除 夹 具 剖 分 处 的 间 隙 , 如 图 8 。有两种情况可以用到 : 加工缺陷 。这与夹具的 加工工艺有关 ,夹具本体先车削成型 ,而后铣成两半时容易出现夹具难结合 。正确的方法是先将夹 具的毛坯预先铣成两半 ,然后点焊到一起车削成

9、型 ,而后将焊点磨开 。这样的夹具对在一起时才 是完整的圆 ; 夹具尺寸加工小了 。夹具尺寸小 的不多 、 泄漏压力不高的话可以加垫后封堵 。或者管道外圆不平时也可以应用 。过盈量因法兰 外径等泄漏点的尺寸而定 (表 1) 。表 1齿形密封过盈量法兰外径/ mm夹具与法兰过盈量/ mm25200 200300 3005000. 300 . 40 0. 400 . 500. 600 . 90413迷宫形式密封增强图 8 接口间隙的消除 412齿形接触密封增强齿形接触密封增强见图 9a 。这里将凸形法 兰夹具与法兰接触位改为锯齿状 ,并使齿顶与法图 9 齿形接触密封增强与迷宫形式密封增强2009

10、年 第 32 卷416迷宫形式密封增强见图 9b 。这种形式的夹具可使泄漏的密封胶在预设的沟槽里固化与夹 具 、 法兰 (或者管道) 共同形成密封 。414环槽镶嵌密封 在夹具与法兰或者管道的接触面上开环型沟槽 ,在其中镶嵌胶条 、 填料 、 金属管 、 金属丝 ( 铜 、 铅) 等 ,以提高两个接触面之间的密封性 ( 图 10) 。 当法兰 、 管道有一定椭圆变形时应用有很好的效 果 。定 。夹具突入法兰间的凸台的深度根据法兰螺栓 的位置决定 ,通常两者间要有至少 23 mm 距离 , 以免影响密封胶的流动 ,出现介质沿螺栓孔泄漏 ; 凸台的宽度根据两法兰之间的间隙决定 ,比间隙 值小 01

11、200150 mm 即可 。512管道夹具宽度和高度以及侧板孔径的确定 管道夹具的宽度根据泄漏点尺寸确定 ,高度 根据密封胶的流动性取 710 mm 即可 。侧板内 孔尺寸与法兰夹具内径的确定类似 。各个位置的厚度由泄漏点压力决定 。 值得注意的是夹具在现场装夹之后会随温度 增加而膨胀 ,这个膨胀量要在制作夹具时提前减 去 。 夹具设计的过程中不可预见的因素很多 ,如泄露位置的空间 、 测量工具受温度的影响等等 ,有 条件的可以在注胶前试装夹具 ,并用塞尺等测量 吻合处后根据情况做修改 。513 吻合间隙的控制1) 吻合间隙即夹具和原密封结构之间的间 隙见表 2 。表 2 不同压力下的允许吻合

12、间隙图 10 环槽镶嵌密封415预设环槽铲严 在夹具与设备之间的间隙难以达到要求的场 合 ,可以预先在接合处车出环槽 ,当注胶过程中出 现泄漏时将漏点铲严 (图 11) 。泄漏系统压力/ MPa011219 3419 5619 7919 10吻合间隙/ mm 0150 0140 0130 0120 01102) 正确的吻合间隙的形成 。准确测量原密封结构 ,然后确定法兰夹具内径以及管道夹具侧 板孔径以形成合理的吻合间隙 。测量尺寸的准确 性 、 加工误差 、 热膨胀量等对间隙的大小有重要影 响 ,其中热膨胀量属于可以预见的 。514 夹具的热膨胀量金属材料受温度作用后 ,产生热变形 ,不同的

13、金属有不同的膨胀系数 。膨胀量与构件长度 、 膨 胀系数 、 受热温度有关 。夹具多为环形 ,热膨胀的计算比较复杂 ,通常以线性膨胀计算 ,结果会有所 偏大 。制作夹具时 ,实际尺寸 = 测量尺寸 - 膨胀 量 。 = tD式中 : 热膨胀量 ; 金属 材 料 热 膨 胀 系 数 ( 表 3 ) , 表 数 10 - 5 (1/ ) ;t 夹具材料所处的温度 ;D 夹具的直径 。图 11 预设环槽铲严416自紧槽 利用泄漏介质的压力迫使夹具贴紧泄漏部位(图 12) 。图 12 自紧槽5夹具基本尺寸的确定511法兰夹具内径的确定以及凸台尺寸的确定 法兰夹具的内径根据法兰的外径确定 ,要求 两者之

14、间形成一定的吻合间隙 ,要考虑到法兰的 实际外形 ,大小 、 偏心 、 张口等 ,斜口法兰夹具还要 考虑法兰倒角的影响 。整体厚度由泄漏点压力决第 6 期刘倍倍等 1 夹具法带压堵漏夹具设计与计算417表 3金属材料热膨胀系数温度变化/ 材料 201002020020300204002060020700碳素钢1Cr131Cr18Ni9Ti1106112211021165111311311111171121113511161172112911391119117511351143112311791147115112811866 保证夹具强度的尺寸1夹具与原密封结构形成密封腔 ,要承受系统 压力以及

15、注剂的压力 ,除了合适的材料外 ,夹具结 构还要有合适的尺寸 。由于夹具形式的多样性 , 强度尺寸的计算非常困难 ,目前常用的计算方法 比较适合用做安全校验 ,检查根据经验设计的夹具的安全性 。 下面以常见的管道夹具和法 兰 夹 具 的 例 说 明 。611夹具本体厚度的计算 现行的夹具厚度尺寸的确定大多根据实际经验和 压力容器安全技术检查规程(简称 容规) 的推荐 ,采用 G B150钢制压力容器 中的壁厚公 式 (此公式的建立以材料力学与板壳薄膜理论为 基础) :此公式可用于带压密封法兰夹具和管道用夹 具的 厚 度 计 算 。为 保 证 注 胶 孔 建 立 , 通 常 厚 度14 mm 以下的取 14 mm 。612夹具耳板厚度的计算3 lB i Pc Cit =b t 式中 : t 耳板最小厚度 ,mm ;B i 对法兰夹具指的法兰间隙 ,对管道夹具 指注胶腔的宽度 ,mm ;l 夹具 外 缘 到 耳 板 螺 栓 孔 中 心 的 距 离 , mm ;b 耳板宽度 ,mm 。613夹具紧固螺栓直径的计算1 . 27 cB i PcDid =n t 式中 : d 螺栓最小直径 ,mm ;c 预紧力和刚度系数 , c = 115 ;n 夹具连接螺栓个数 ;B i 、Pc 、Di 同上 。