自工業(yè)時(shí)代以來(lái)，密封技術(shù)主要基于同一原理，通常稱(chēng)為“非金屬與金屬的接觸”。如今，以華越國(guó)際多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，市場(chǎng)上大多數(shù)新的密封產(chǎn)品仍沿襲同樣的趨勢(shì)。與之相反的原理稱(chēng)為“金屬與金屬的接觸”，仍然是微不足道的。適用的國(guó)際法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)幾乎始終忽略了金屬與金屬之間的接觸，并且這些標(biāo)準(zhǔn)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(lái)越多的密封專(zhuān)家正在推動(dòng)金屬對(duì)金屬原理的發(fā)展。

本文介紹以下內(nèi)容：

考慮到使用它們的環(huán)境，審查和比較每個(gè)原理的主要特征

分析每種原理與全球現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)硬件的機(jī)械兼容性

回顧現(xiàn)有和即將到來(lái)的法蘭裝配計(jì)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(kāi)發(fā)當(dāng)前趨勢(shì)的關(guān)鍵參數(shù)演變的假設(shè)和建議

針對(duì)最終用戶(hù)的期望對(duì)兩種解決方案進(jìn)行分析

01 簡(jiǎn)介

已經(jīng)使用了很多年的“螺栓法蘭”技術(shù)始終基于圖1所示的相同工作原理，導(dǎo)致了各種規(guī)范，設(shè)計(jì)規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。螺栓法蘭組件通常包括以下三種基本類(lèi)型組件：法蘭，密封件或墊圈以及螺栓。將這三個(gè)組件組裝在一起必須具有雙重功能，即確保機(jī)械完整性并保持密封性。長(zhǎng)期以來(lái)，這兩個(gè)功能中只有一個(gè)保持了。關(guān)注的焦點(diǎn)始終是機(jī)械完整性，并且圍繞它建立了所有現(xiàn)有的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)（ASME，DIN，CODAP，RCCM等）。

直到最近的25-30年，官方實(shí)驗(yàn)室才開(kāi)始關(guān)注仍然未知的組件：密封。PVRC，MPA，BHRG和CETIM特別進(jìn)行了廣泛的測(cè)試，并且已經(jīng)發(fā)布了新的墊片系數(shù)，以及評(píng)估這些系數(shù)的測(cè)試程序。這些因素考慮了介質(zhì)的性質(zhì)，壓力，溫度，和密封性級(jí)別。但是，無(wú)論在什么條件下為控制或成功預(yù)測(cè)每個(gè)組件的性能付出了多大的努力，在重要的設(shè)計(jì)進(jìn)步方面仍然進(jìn)展緩慢。

02 “非金屬對(duì)金屬”原則

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

這種接頭的主要特征是：螺栓在裝配階段開(kāi)始并在接頭的整個(gè)“壽命”內(nèi)，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(lèi)型的機(jī)械擋塊。

因此，在此類(lèi)接頭中使用的不同類(lèi)型的密封件或墊圈通常圍繞相同的幾何形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)：有限的厚度與較大的寬度。當(dāng)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(lèi)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(lái)，這些密封件和墊圈的結(jié)構(gòu)和原理沒(méi)有重大變化。最終，只有材料才跟隨可技術(shù)和環(huán)境趨勢(shì)。例如，石棉替代已成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，已允許在最大范圍內(nèi)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(gè)法蘭之間壓縮時(shí)，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(kāi)始時(shí)，螺栓施加的所有負(fù)載都會(huì)直接作用在墊圈上，然后，在連接的整個(gè)壽命中，初始的墊圈反作用力（FJ）將或多或少地受到不可預(yù)測(cè)的負(fù)載的影響 （Fext）是由于它將承受的各種內(nèi)部和/或外部應(yīng)變而導(dǎo)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(yīng)用，初始?jí)|圈反應(yīng)會(huì)增加（FJ + Fext）或減少（FJ-Fext），并且有可能同時(shí)發(fā)生在墊圈的外圍，如圖3所示，詳細(xì)說(shuō)明了負(fù)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(diǎn)A會(huì)過(guò)載，而點(diǎn)C會(huì)欠載。

圖3還證實(shí)，只有墊圈（它通常是接頭中最不均勻的組件）才能適應(yīng)所有類(lèi)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(xiǎn)）情況或惡化（FJ-Fext）情況下的密封等級(jí)。此時(shí)，問(wèn)題來(lái)了：如何屏蔽所有或部分外部應(yīng)變，以使其不干擾密封墊安裝要求？

03 “金屬對(duì)金屬”原則

上面的問(wèn)題的答案看起來(lái)很直觀，因?yàn)樗菑椥泽wO形圈使用的解決方案。這是“金屬對(duì)金屬接觸”的原理，其中將通過(guò)墊片，凹槽等將壓縮限制在設(shè)定值。

“金屬對(duì)金屬”使用與“非金屬到金屬”相同的法蘭可以很好地進(jìn)行配置如圖4a，4b和4c所示，前提是某些類(lèi)型的壓縮限制設(shè)備是放置在螺栓圓內(nèi)的關(guān)節(jié)接口處，以充當(dāng)機(jī)械擋塊。該限制裝置可以是墊圈的一部分，也可以是單獨(dú)的組件，最終可以使墊圈更容易地安裝在所有類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的密封或墊片。它們以下列形式出現(xiàn)在市場(chǎng)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(yīng)力螺旋纏繞墊片

模壓柔性石墨密封件

無(wú)論其設(shè)計(jì)和基材是金屬還是復(fù)合材料，都必須預(yù)先確定密封壓縮力，并將其值用于限制裝置的尺寸設(shè)計(jì)。螺栓施加的負(fù)載必須足以使接頭到達(dá)限制裝置上的機(jī)械止動(dòng)點(diǎn)。一旦達(dá)到機(jī)械擋塊，施加的任何負(fù)載量根本不會(huì)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(fù)載都會(huì)使：

在金屬間：FB = FJ（2a）

“超過(guò)”金屬對(duì)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(gè)使用壽命內(nèi)足夠高，以確保金屬與金屬的接觸。至于負(fù)載的一致性，不僅在墊圈上的負(fù)載總是保持恒定，而且在墊圈的整個(gè)周邊上，只要保持機(jī)械擋塊即金屬與金屬的接觸，由墊圈施加的反作用負(fù)載也保持恒定。

04 密封的概念

良好的密封始終需要兩個(gè)主要特征：

獲得密封性的可塑性

保持密封性的彈性和絕對(duì)性能在金屬對(duì)金屬概念的情況下是必需的。

? 可塑性

可塑性是由復(fù)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(duì)于金屬墊片，我們首先選擇與介質(zhì)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(guān)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(shè)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(jìn)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(guò)程中補(bǔ)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(duì)應(yīng)于熱循環(huán)和壓力循環(huán)中的回彈。根據(jù)密封類(lèi)型的不同，這種有用的彈性可能會(huì)有很大的不同，請(qǐng)參見(jiàn)下面主要金屬密封的彈性概述。

05 “金屬對(duì)金屬”密封在核站中的成功應(yīng)用

在全球已安裝基地的核電站中，“金屬對(duì)金屬”設(shè)計(jì)理念的密封件幾十年來(lái)一直安全可靠，并且成功提供了數(shù)百萬(wàn)個(gè)工作小時(shí)的技術(shù)應(yīng)用，這些密封件在核濃縮設(shè)備，核發(fā)電設(shè)施以及用于運(yùn)輸和儲(chǔ)存廢核燃料的容器中的應(yīng)用已根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)背景進(jìn)行了認(rèn)證，并且在運(yùn)行中滿足了最嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和防泄漏要求以及采購(gòu)規(guī)格?；陂L(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)，在當(dāng)今正在計(jì)劃和建造的大多數(shù)PWR型III +型核反應(yīng)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(yīng)系統(tǒng)）批準(zhǔn)。下面列出的各種類(lèi)型的金屬對(duì)金屬密封件示例展示了對(duì)核電站系統(tǒng)和組件的廣泛適用性。

核反應(yīng)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(yīng)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(guān)閉冷卻系統(tǒng)）ORIGRAF?

RPE（核排氣系統(tǒng)）ORIGRAF?

儲(chǔ)罐RPE，RCP（反應(yīng)堆冷卻泵），ORIGRAF?

RIS（安全注射系統(tǒng)），ORIGRAF?

RCV（化學(xué)和音量控制系統(tǒng)）ORIGRAF?

高壓加熱器（蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)）SWG + JPR

設(shè)備艙口硅膠/ EPDM型材

池子門(mén)CEFILAIR?/型材

反應(yīng)堆建筑物/安全殼建筑物CEFILAIR?/型材

加油站CEFILAIR?/型材

汽輪機(jī)HELICOFLEX?

閥門(mén)HELICOFLEX?/ORIGRAF?/ SWG

用于廢燃料的運(yùn)輸和儲(chǔ)存容器HELICOFLEX?/O-FLEX?

聚變反應(yīng)堆HELICOFLEX?

粒子加速器HELICOFLEX?/ QDS

結(jié)論

利用螺栓法蘭組件的最新計(jì)算方法以及相關(guān)的密封件和墊圈標(biāo)準(zhǔn)特性描述程序，對(duì)接頭設(shè)計(jì)進(jìn)行基礎(chǔ)檢查非常重要。金屬對(duì)金屬和非金屬對(duì)金屬這兩個(gè)原則都必須系統(tǒng)地并行考慮。它們需要不同設(shè)計(jì)的墊片，這意味著特定接頭的規(guī)格不同。當(dāng)可靠性和使用壽命發(fā)揮作用時(shí)，這成為關(guān)鍵問(wèn)題。顯然，金屬對(duì)金屬原理具有許多優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)能吸引大量最終用戶(hù)。

? 在組裝階段：

可以準(zhǔn)確建立響應(yīng)曲線的墊圈可以用作接頭中的校準(zhǔn)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(shí)際載荷之間的差異。此外，對(duì)于常見(jiàn)的應(yīng)用，如果沒(méi)有扭矩扳手，則使用一組墊片控制相對(duì)于金屬的接觸變得相對(duì)容易。此外，機(jī)械擋塊是防止墊圈過(guò)度壓縮的最有效保護(hù)。

? 在接受檢查階段：

通過(guò)在兩個(gè)壓板之間插入一個(gè)在外殼尺寸和表面條件上與最終硬件相同的測(cè)試夾具，相對(duì)容易進(jìn)行這種密封件的檢查和/或模擬其在壓力機(jī)上的操作。

以下是檢查要素：

實(shí)現(xiàn)金屬與金屬接觸所需的載荷Y2（或座載荷PY2）

在測(cè)試壓力下的氣密性或液密性

通過(guò)將壓板分開(kāi)而獲得的卸載曲線上的密封閾值Ym

? 在驗(yàn)證和計(jì)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(guò)與一般方法類(lèi)似的方式指定為墊片密封座載荷。

必須將這個(gè)最小載荷增加一個(gè)給定的量，以補(bǔ)償流體的端載荷和外部彎矩，這兩者都會(huì)使法蘭分開(kāi)。這給出了一個(gè)稱(chēng)為Pre-Load的總負(fù)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(yù)加載是“屏蔽”組件所承受的外部應(yīng)力（如拉力和剪切力）的唯一方法。至于螺栓的計(jì)算，就像在任何螺栓連接中一樣，問(wèn)題是要確保在接頭的整個(gè)壽命中將預(yù)載荷保持在足夠的水平，從而無(wú)論任何外部應(yīng)變類(lèi)型都不會(huì)發(fā)生法蘭分離， 靜態(tài)或動(dòng)態(tài)振動(dòng)。

作為最后的結(jié)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(guān)的法規(guī)，以及對(duì)整個(gè)行業(yè)尤其是密封技術(shù)中可靠性和安全性問(wèn)題的日益增長(zhǎng)的關(guān)注，都證明了這一點(diǎn)。我們必須意識(shí)到，在密封技術(shù)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(dāng)阻尼組件以承受各種機(jī)械和熱應(yīng)力，這與提供密封性的主要功能完全不兼容。

現(xiàn)今面對(duì)的問(wèn)題如下：

只有充分利用組件的機(jī)械強(qiáng)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?yàn)樵谶^(guò)去的幾年中，在新的密封原理和設(shè)計(jì)方面幾乎看不到任何進(jìn)展。即使允許開(kāi)發(fā)新材料，也沒(méi)有取得明顯的進(jìn)展。而基于機(jī)械和密封功能分離的金屬對(duì)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(duì)此原理的唯一限制就是應(yīng)用范圍的拓寬。

關(guān)于Technetics集團(tuán)

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

從核反應(yīng)堆壓力容器到航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及世界上最關(guān)鍵和最苛刻的應(yīng)用。Technetics Group是全球公認(rèn)的工程組件，密封件，組件和子系統(tǒng)的來(lái)源，這些組件是為半導(dǎo)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(yīng)用量身定制的。

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