Гофрированная металлическая прокладка: руководство по выбору, температуре и уплотнению

Article Directory

1 Когда следует использовать гофрированные металлические прокладки?
2 Какая гофрированная металлическая прокладка выдерживает высокие температуры?
3 Какое уплотняющее усилие необходимо гофрированной металлической прокладке?
4 Какая прокладка лучше всего подходит для теплообменников?
5 Часто задаваемые вопросы

Техническая справка

A гофрированная металлическая прокладка представляет собой уплотнительный элемент, изготовленный из тонкого металлического листа (обычно из нержавеющей стали, углеродистой стали или сплава), спрессованного в ряд концентрических или параллельных выступов. Эти выступы концентрируют нагрузку на болты в узких линиях уплотнения, обеспечивая герметичность соединений при более низком общем напряжении фланца, чем альтернативы из цельного металла. В этом руководстве рассматриваются все ключевые решения по выбору: время применения, температурные возможности, требуемое уплотняющее усилие и пригодность теплообменника.

Когда следует использовать гофрированные металлические прокладки?

Комбинации повышенного давления и температуры

Гофрированные металлические прокладки являются правильным выбором, когда условия эксплуатации системы превышают возможности сжатого волокна или листа ПТФЭ — обычно выше 260 C (500 F) или выше 100 бар (1450 фунтов на квадратный дюйм). Гофрированный профиль сохраняет остаточное напряжение на уплотнительных выступах даже при термоциклировании, которое может ослабить мягкую прокладку.

Химически агрессивные среды

Там, где технологическая жидкость воздействует на эластомеры или неметаллические наполнители (концентрированные кислоты, хлорированные растворители, водород, пар выше 400 C), гофрированная прокладка из чистого металла или с металлической оболочкой удаляет любые органические компоненты из пути уплотнения. Выбор марки (316L, Инконель 625, титан) напрямую зависит от требуемой коррозионной стойкости.

Фланцы с ограниченной нагрузкой на болты

Поскольку гофрированные прокладки концентрируют напряжение в линиях контакта гребней, а не распределяют его по всей поверхности прокладки, они обеспечивают адекватную герметизацию при более низких нагрузках на сборочные болты, чем типы спирально-навитых или кольцевых соединений. Это делает их предпочтительными для фланцев каналов теплообменника, где количество болтов ограничено и жесткость фланца ограничена.

Термический цикл и вибрация

Гофрированные металлические прокладки обладают пружинящим действием — выступы действуют как механические пружины, которые восстанавливают частичное контактное напряжение после термической релаксации или потери нагрузки на болты, вызванной вибрацией. Такое самокомпенсирующее поведение дает им значительное преимущество в надежности по сравнению с цельными плоскими металлическими прокладками во фланцах поршневых компрессоров, паропроводах и соединениях огневых нагревателей.

Стандарты фланцев с плоским и выступающим торцом

Гофрированные прокладки по размерам совместимы с фланцами с выступом ASME B16.5 и B16.47, фланцами серии EN 1092 PN и фланцами теплообменника API 660 без обработанных канавок, что делает их более удобным вариантом по сравнению с волоконными или графитовыми прокладками в существующих установках, где повторная обработка фланцев невозможна.

Какая гофрированная металлическая прокладка выдерживает высокие температуры?

Температурная способность определяется сплавом основного металла и мягким облицовочным материалом, если таковой имеется, ламинированным на гофрированную сердцевину. В таблице ниже выбор сплава сопоставлен с максимальной температурой непрерывной эксплуатации:

Металл/Сплав	Максимальная непрерывная температура	Ключевое свойство	Типичное применение
Углеродистая сталь (A36/SS400)	450 С (840 Ф)	Низкая стоимость; хорошая сила	Низколегированный пар, водоснабжение
Нержавеющая сталь 316L	600 С (1112 Ф)	Устойчивость к коррозии и окислению	Технологические трубопроводы, теплообменники
Нержавеющая сталь 321/347	650 С (1200 Ф)	Стабилизирован против сенсибилизации	Высокотемпературный пар, огневые нагреватели
Сплав 800H/800HT	870 С (1600 Ф)	Высокое сопротивление ползучести	Выходы риформинга, линии пиролиза
Inconel 625	980 С (1800 Ф)	Устойчивость к окислению хлоридов	Азотная кислота, море, отходящее тепло
Хастеллой C-276	1000 С (1832 Ф)	Широчайшая химическая стойкость	Агрессивные кислоты, системы ДДГ

Облицовочные материалы и их температурные пределы

Многие гофрированные металлические прокладки поставляются с мягкой облицовкой из графита, ПТФЭ или слюды, ламинированной на выступающие поверхности для улучшения прилегания к слегка поврежденным поверхностям фланцев. Выбор облицовки ограничивает полезную температуру независимо от металлического сердечника:

Гибкая графитовая облицовка: рассчитан на температуру 550 C (1022 F) в окислительных условиях; до 3000 C в восстановительной/инертной атмосфере
Облицовка ПТФЭ: ограничена 260 C (500 F); предпочтителен для агрессивных кислотных и фармацевтических работ
Лицо слюды: рассчитан на 900°C (1650°F); используется в высокотемпературных печах и фланцах пламенных нагревателей
Голый металл (без облицовки): максимальная температура определяется только сплавом; требуется более гладкая поверхность фланца (Ra от 1,6 до 3,2 микрона)

Какое уплотняющее усилие необходимо гофрированной металлической прокладке?

Требования к уплотняющему напряжению для гофрированных металлических прокладок определяются двумя параметрами ASME: минимальным расчетным напряжением посадки. y (первоначальная сборка) и коэффициент прокладки m (коэффициент эксплуатационного обслуживания). Эти значения ниже, чем у цельнометаллических прокладок именно потому, что гофрированные выступы усиливают местное контактное давление.

Минимальное напряжение посадки (y)

Для голой гофрированной прокладки из 316L типичное расчетное напряжение посадки y составляет от 55 до 90 МПа (от 8 000 до 13 000 фунтов на квадратный дюйм) в зависимости от шага выступов и толщины листа. Гофрированные прокладки с графитовой поверхностью требуют более низких значений y — обычно от 28 до 55 МПа (от 4000 до 8000 фунтов на квадратный дюйм) — потому что мягкая поверхность выдерживает умеренные нагрузки.

Коэффициент прокладки m (рабочий)

Коэффициент m для гофрированных металлических прокладок обычно находится в диапазоне от 2,75 до 3,75. Это означает, что остаточное напряжение прокладки под рабочим давлением должно быть как минимум в 2,75–3,75 раза больше внутреннего давления жидкости. Это значительно меньше, чем у кольцевых прокладок (m = от 5,5 до 6,5), что снижает требуемые нагрузки на болты и толщину фланца.

Расчет нагрузки на болт

Требуемая нагрузка на болт W = y x Ag (условие посадки) или W = 2b x pi x G x m x P (условие эксплуатации), где Ag — площадь контакта прокладки, b — эффективная ширина посадки, G — средний диаметр прокладки, а P — расчетное давление. Контролирующее (более высокое) значение определяет размер шпильки. Для большинства фланцев теплообменников от Ду100 до Ду400 гофрированные прокладки позволяют уменьшить размер болтов на один-два по сравнению с кольцевыми соединениями.

Требования к чистоте поверхности фланца

Для гофрированных металлических прокладок требуется обработка поверхности фланца Ra от 1,6 до 3,2 микрон (от 63 до 125 AARH). Гофрированные прокладки с графитовым покрытием выдерживают Ra до 6,3 микрон (250 AARH), что делает их пригодными для повторного использования на изношенных в эксплуатации фланцах без повторной механической обработки. Обработка ниже Ra 0,8 микрона не рекомендуется — слишком гладкая поверхность снижает трение и позволяет прокладке расползаться при рабочей вибрации.

Какая прокладка лучше всего подходит для теплообменников?

Теплообменники представляют собой наиболее требовательную среду к прокладкам на технологическом предприятии: многочисленные фланцевые соединения в непосредственной близости, разное тепловое расширение между кожухотрубным пучком, ограниченный доступ к болтам и частые разборки при техническом обслуживании. гофрированная металлическая прокладка решает все четыре проблемы более эффективно, чем конкурирующие типы, для большинства кожухотрубных применений.

Рекомендуется

Гофрированная металлическая прокладка

Низкое напряжение при посадке — отсутствие деформации фланцев на легких крышках каналов.
Пружинный возврат компенсирует дифференциальное расширение пучка при тяговом усилии.
Варианты с графитовым покрытием надежно закрываются после разборки при техническом обслуживании.
Размеры, соответствующие API 660 и TEMA, входят в стандартную комплектацию.
Экономичность для размеров от DN25 до DN1200.

Альтернатива

Спиральная прокладка для ран

Требуется более высокое напряжение посадки — риск деформации фланца канала
Невозможно повторно использовать после сжатия; замена при каждой разборке
Превосходно подходит для очень высокого давления выше 250 бар в толстостенных фланцах.
Внутренние и внешние кольца добавляют радиальные ограничения пространства.
Более высокая стоимость единицы продукции; более длительный срок поставки для специальных сплавов

Для фланцев корпуса теплообменника классов от 150 до 600 (от PN20 до PN100), эксплуатируемых при температуре ниже 600 C, гофрированные прокладки из графита 316L представляют собой оптимальный баланс надежности уплотнения, удобства обслуживания и стоимости установки. Для класса выше 900 или при парциальном давлении водорода выше 50 бар типы спирально-навитых или кольцевых соединений следует оценивать в каждом конкретном случае.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли повторно использовать гофрированные металлические прокладки после разъединения фланца?

Гофрированные металлические прокладки с графитовым покрытием обычно можно использовать повторно один раз, если на графитовой поверхности нет разрывов, металлический сердечник не был окончательно раздавлен ниже расчетной толщины, а поверхности фланцев находятся в приемлемом состоянии. Гофрированные прокладки из голого металла не следует использовать повторно — первоначальная посадка приводит к необратимой деформации кончиков гребней, а остаточное напряжение посадки при повторной сборке будет недостаточным для герметичной эксплуатации.

В чем разница между гофрированными и зубчатыми металлическими прокладками?

Зубчатая прокладка имеет концентрические канавки V-образного профиля, выточенные в цельное металлическое кольцо — зубцы представляют собой элементы поверхности на толстой подложке. Гофрированная прокладка изготовлена из тонкого листового металла, все поперечное сечение которого имеет волнообразную форму, что придает ей упругое пружинение. Зубчатые прокладки требуют значительно более высоких посадочных усилий и обычно используются во фланцах с кольцевыми канавками; гофрированные прокладки используются на стандартных фланцах с выступом при меньших нагрузках на болты.

Как определяется толщина гофрированной металлической прокладки?

Гофрированные металлические прокладки определяются толщиной в сжатом (установленном) состоянии, а не в свободном состоянии. Стандартная толщина в сжатом состоянии составляет от 1,5 мм до 4,5 мм. Высота в свободном состоянии обычно в 1,5–2,5 раза превышает толщину в сжатом состоянии. Стандарты размеров прокладок теплообменника соответствуют ASME B16.20, EN 1514-6 и API 660, Приложение G, в зависимости от спецификации проекта.

Требуют ли гофрированные металлические прокладки особого порядка затяжки при установке?

Да. Гофрированные металлические прокладки требуют перекрестной последовательности затяжки, выполняемой как минимум за три прохода: 30 % заданного крутящего момента, 70 %, затем 100 %, за которым следует последний проход при 100 % после термической обработки соединения при рабочей температуре. Эта прогрессивная нагрузка обеспечивает равномерное сжатие гребней по всей окружности прокладки и предотвращает локальное чрезмерное сжатие, которое сводит на нет преимущество упругого возврата.