1 概述
蒸汽疏水閥用于管道、加熱器、散熱器等蒸汽供熱設備、系統中可自動排除凝結水、空氣和不可凝氣體，防止蒸汽泄漏，提高熱效率。它是保障蒸汽系統正常工作、凝結水回收利用和節約能源的的重要自力式控制類閥門[1-2]。
目前蒸汽疏水閥的使用溫度可達到200~300℃，此時法蘭連接處密封墊片原有的參數特性會發生改變，墊片會迅速老化，彈性下降，產生龜裂從而造成法蘭面密封不嚴而發生泄漏。另外法蘭處的連接螺栓的壓緊力過大，使螺栓變形或伸長會引起密封墊片破壞而發生泄漏。倘若人工裝放墊片時不慎將密封墊片裝偏，法蘭緊固過程中用力不均或是兩法蘭中心線偏移，造成假緊現象仍會產生泄漏。因此密封墊片預緊比壓的計算以及法蘭連接螺栓的扭矩計算直接關系到蒸汽疏水閥法蘭連接處密封效果的優良，合理地選取密封墊片與螺栓對于預防蒸汽疏水閥泄漏意義重大。
2 墊片密封原理[3]
墊片密封是工業裝置中壓力容器、工藝設備、動力機器和連接管道等可拆卸連接處最主要的密封形式，它是借助連接螺栓穿過法蘭或閥體與閥蓋之間的中法蘭螺栓孔，在螺栓預緊力的作用下對密封面施加壓緊力，從而填塞密封面間凹凸不平的微觀幾何間隙來實現密封目的(見圖1)，從閥門設計計算的觀點出發，應該將連接殼體的螺栓與起密封作用的墊片相互聯系起來整體考慮。
圖1 螺旋、墊片連接
閥門連接的密封一般屬于靜密封，而靜密封屬于接觸性密封，接觸性密封是指借助密封力使密封面互相靠緊，接觸甚至嵌入以減少或消除間隙的各類密封;而接觸性密封又可分為彈性體密封和非彈性體密封兩類;一般在設計中低壓閥門時都采用彈性密封墊密封[4]。
3 鐘形浮子式疏水閥選用墊片的預緊比壓與螺栓最大、最小扭矩的計算
3.1 疏水閥選用墊片和螺栓的參數
我公司的疏水閥產品ES8B近期在用戶使用中，出現了閥體與閥蓋之間的密封泄漏，該閥屬于鐘形浮子式疏水閥，動作特性為間歇式工作，一般使用在壓力較低場合(2.5MPa以下)，如蒸汽管線的泄水(導淋)，小型硫化機、管線伴熱等;最早該閥的閥體與閥蓋之間采用石棉復合墊密封，石棉墊淘汰后，采用柔性石墨復合墊。ES8B鐘形浮子式疏水閥螺栓、柔性石墨復合密封墊參數見表1。
表1.ES8B鐘形浮子式疏水閥墊片、螺栓參數
3.2螺栓最小扭矩的計算
當密封流體(介質)的壓力為零時，墊片應力的作用是使墊片材料發生彈塑性變形，以填塞上下密封面幾何形狀偏差形成的泄漏通道，這時的墊片應力為室溫下的最小墊片應力，稱為最小設計預緊應力或墊片最小預緊比壓，通常在設計規范中以y表示其數值[5]。如非金屬板狀墊片為10-30MPa，軟金屬墊片為20-70MPa，實心金屬墊片70-200MPa;墊片的最小預緊比壓確定后，結合密封面積可算出單個螺栓的受力及單個螺栓的最小扭矩，見表2。
表2.螺栓最小扭矩的計算
3.3螺栓最大扭矩的計算
3.3.1計算螺栓最大扭矩時遇到的問題
螺栓的最小扭矩確定后，可用定力矩扳手控制力矩從而達到預緊螺栓的目的，考慮到閥門的各種使用工況，在裝配時，扳手的實際力矩必須大于計算出的最小螺栓扭矩，大多少才不至于將墊片壓潰或螺栓偶然過載時被拉斷，需要一個螺栓最大扭矩來限制;一般在設計螺栓時，沒有將螺栓與選用的密封墊綜合來考慮;在文獻[6]中提出了墊片的壓縮(潰)強度概念，壓縮(潰)強度是墊片發生壓潰的極限載荷，其數值的大小與工作溫度和墊片厚度有關，一般通過試驗測得;不同墊片的壓縮(潰)強度可以作為墊片的極限應力來計算螺栓的最大扭矩。雖然許多密封墊片的相關資料都未給出柔性石墨復合墊片具體參數，但可以根據成分相近或類似的密封材料來預定柔性石墨復合墊片的許用比壓，繼而計算出螺栓的最大扭矩。根據實際使用中的情況來反復修正柔性石墨復合墊片許用比壓的數值，從而設計計算出符合要求的螺栓參數。
綜上所述，為了保證螺栓、密封墊聯接所需要的預緊力，又不使螺紋聯接件過載，就需要一個最大裝配墊片應力smax，用smax也可推導出螺栓的最大扭矩Mmax;在設計裝配墊片應力值時，不應超過最大裝配墊片應力smax，同樣螺栓的扭矩也不應超過最大扭矩Mmax;但文獻[6]未給出各種墊片的smax，只是提出這個概念而已。
螺栓的最大扭矩要用墊片的何種應力計算是值得考慮的問題。在對上述閥門用扭矩扳手進行預緊時發現，如果扳手的力矩超過60Nm，柔性石墨復合墊片在螺栓力的作用下，壓縮到一定的程度時，墊片的伸縮量已經很小，如果超過該力矩后，不是螺栓被擰斷，就是密封墊被壓潰，這說明預緊應力已超過了螺栓材料的許用應力或密封墊的壓縮(潰)強度;在閥門零件設計或化工容器設計時，對密封墊和螺栓尺寸、數目的計算一般給出了相應的關系，即在預緊工況和操作工況下，螺栓的載荷與該條件下螺栓材料的許用應力、螺栓所需的總截面積存在以下關系[7]：
Aa≥Wa/[s]b (1-1)
Ap=Wp/[s]bt (1-2)
式中：Aa—預緊工況下計算的螺栓總截面積
Ap—操作工況下計算的螺栓總截面積
Wa—螺栓的最小預緊載荷
Wp—操作工況下的螺栓載荷
[s]b—常溫下螺栓材料的許用應力
[s]bt—設計溫度下螺栓材料的許用應力
Wp值等于抵抗介質內壓產生的軸向力使法蘭(密封面)連接分開的載荷和維持密封墊片表面必需的壓緊載荷之和，Wp、Wa的大小與密封墊的基本寬度、密封墊的厚度和直徑有一定的關系。
如果在設計時確定了介質的壓力(一般取公稱壓力)、密封面的形式和采用的密封墊材料、螺栓材料，就可計算出螺栓的Wp、Wa，從而利用公式(1-1)和(1-2)分別計算不同條件下的螺栓總面積，選擇大者為所需螺栓總截面積，從而確定實際選用螺栓的直徑與個數。
在一些關于密封、連接件的設計資料中對于一般連接用的鋼制螺栓連接的預緊力Fmax提出了按下式確定[4]：
碳素鋼螺栓 Fmax≤(0.6-0.7)ssA1
合金鋼螺栓 Fmax≤(0.5-0.6)ssA1 (1-3)
式中：ss——螺栓材料的屈服極限
A1——螺栓危險截面的面積
A1=pd12/4(d1為螺栓截面的最小直徑)
若上述閥門選用的螺栓大小、數量符合設計要求，則用螺栓的許用拉應力來作為墊片的最大裝配應力，從而計算螺栓的最大扭矩(見表3)。表3中選用的屈服強度較小(35CrMo的螺栓熱處理后在300℃的工作條件下的屈服強度為480MPa)，如果閥門的工作溫度較低，螺栓的屈服強度增大，通過計算得出的螺栓最大扭矩也將變大，計算出的螺栓最大扭矩小于用扭矩扳手測得的螺栓力矩。
表3.螺栓最大扭矩的計算
3.3.2解決問題的方法和思路
墊片的最大裝配應力smax要通過試驗測定，有條件的企業可以對常用的密封材料在常溫下進行壓潰試驗，取壓潰試驗的極限平均值來作為墊片的最大裝配應力，從而計算單個螺栓的最大扭矩，如果沒有試驗條件也可通過有試驗條件的科研院校來完成;或是選用密封材料的許用比壓[q]來計算常溫下螺栓的最大扭矩，可通過文獻[7]取設計中使用的密封材料的許用比壓;也可以通過以上公式先計算螺栓的直徑與個數后，再計算螺栓的最大扭矩，最后用精確的扭矩扳手予以驗證。
4 結語
通過對密封墊片預緊比壓以及螺栓最大扭矩最小扭矩的計算與分析，改進了原有密封墊片與螺栓的參數，改進后的ES8B型鐘形浮子式疏水閥，截止目前已連續工作1000小時以上，閥體與閥蓋連接處無明顯泄漏，證實了經改進后選取的密封墊片與螺栓組合達到了此工況下的密封要求，這種密封墊與螺栓參數選擇的方法在相關閥門密封領域具有廣闊的推廣應用前景。
參考文獻
[1]李樹勛，隋毅，把橋環，杜兆年.膜盒式蒸汽疏水閥的特點及適用性分析[J].暖通空調，2006，36(3)：59-61
[2]李樹勛，王朝富.溫敏蠟式可調先導超大排量疏水閥設計[J].石油化工設備，2009,38(6)：28-31
[3]李新華，劉戰歌等.法蘭用密封墊片實用手冊[M]. 北京：中國標準出版社， 2004
[4]顧永泉.機械密封實用技術[M].北京：機械工業出版社，2002.
[5] 楊可幀，程光蘊.機械設計基礎[M]. 北京：高等教育出版社，1988
[6] 付平、常德功.密封設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2009.4
[7] 楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1992
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