垫片密封及其应用的相关知识

垫片密封及其应用的相关知识朱永宽2016.08.221目录一、垫片密封定义二、垫片密封原理三、垫片密封分类四、密封垫片的选择五、垫片选用原则六、垫片密封失效及措施2垫片密封的定义3垫片是一种夹持在两个独立的连接件之间（法兰）的材料或材料组合，其作用是在预定的使用寿命内，保持两个连接件间的密封。垫片必须能够密封接合面，并对密封介质不渗透和不被腐蚀，能经受温度和压力等的作用。垫片密封是化学、炼油、医药、食品、机械和电力等工业部门中压力容器、工艺设备、动力机器和连接管道等可拆接头处最主要的静密封形式。它们所处的工况条件复杂，密封的流体范围广泛，防止密封流体通过这些接头处泄漏出来，是工厂面对的最重要也是最艰巨的任务。虽然垫片密封与泵轴、阀杆、搅拌器轴等密封相比，其泄漏量比较小，但其用量却比它们多得多，因此成为工厂泄漏和易挥发有机物逸出的主要源头，它们不仅严重污染环境，而且造成产品损失相当可观，垫片密封的重要性也就不喻而言了。密封原理如密封面完全光滑、平行，并有足够的刚度，它们可以依靠紧固件夹持在一起，无须垫片可达到密封的目的（即无垫密封）。在实际中，密封面存在粗糙度；不绝对平行；刚度不是无限大；各紧固件刚度不同和分散排列，造成密封面载荷在圆周方向上不均匀。为了弥补这种不均匀的载荷和相应的变形，在两连接件密封面间放入一垫片，使之适应密封面的不规则性。垫片密封的目的：利用垫片形成物理壁垒以阻止介质的流动，防止泄漏的发生密封的方法：1、最大程度使接触面嵌合，减小间隙；2、减小泄漏通道的截面积，增加泄漏阻力，使泄漏阻力其大于泄漏介质的推动力；3、通过压紧垫片使其产生塑性变形，填平法兰密封面的微小凹凸不平，以实现密封；4垫片压紧前垫片压紧后密封原理泄漏定义：介质从有限空间内部流动到外部或从外部进入有限空间内部。泄漏的基本条件：接触面上存在间隙，接触面两侧的压力差、浓度差等是泄漏的推动力，就垫片密封而言，通常密封流体在垫片结合处的泄漏有3种情况，如图所示：1、界面泄漏2、渗透泄漏3、吹出泄漏5密封原理6三种泄漏方式1、界面泄漏：两连接件表面（下称密封面），从机械加工的微观纹理来看，存在粗糙度和变形的问题，它们与垫片之间总是存在泄漏通道，由此产生的流体泄漏称为界面泄漏，占总泄漏量的80%~90%。2、渗透泄漏：对非金属材质的一类垫片而言，从材料的微观结构来看，本身存在的微小缝隙或细微的毛细管，具有一定压力的流体自然容易通过它们渗漏出来，此称为渗透泄漏，它占总泄漏量的10%~20%。3、密封面分离和吹出泄漏：当夹紧垫片的总载荷因各种原因减少到几乎等于作用在接头端部的流体静压力时，就导致了密封面的分离。这里若增加流体压力，则对机械完整性很差的垫片，如操作期间材料发生劣化的垫片，沿垫片径向作用的流体压力就会将其撕裂，引起密封流体的大量泄放，此被称为吹出泄漏，它属于一种事故性泄漏。密封原理7对于(2）：通过不同材料的复合或机械组合形成不渗透性结构，或者使用较大的夹紧力使材料更加密实，减少以至消除泄漏；对于（1）和（3）：与垫片材料性质、接头的机械特征、结合面的性质与状态、密封流体的特性以及紧固件夹紧程度等有关。它们也是解决垫片密封设计、安装、使用以及密封失效分析等问题的关键。由垫片密封的结构和垫片的密封原理可以看出，对垫片的要求：1、具有一定的压缩变形能力可发生弹塑性变形填补密封表面上的凹凸不平造成的间隙；2、具有一定的强度和刚性以保持一定的形状和抵抗变形的能力防止在系统的满载压缩应力下被挤出密封面或压溃；3、具有一定回弹能力具有回弹能力－回弹率补偿在介质压力下紧固系统的变形；4、具有抗蠕变能力防止垫片在高温下蠕变实效；密封原理而垫片从使用上又包括初始密封和工作密封两个作用机理。1、初始密封：通过对垫片进行压缩，使其与密封面间产生足够的压力（垫片预紧应力，初始垫片比压〕，以阻止介质通过材料本身的渗透，同时保证垫片对连接件有较大的顺应性，即垫片材料受压缩后发生的弹性或弹塑性变形能够填塞密封面的变形和表面粗糙度，以堵塞界面泄漏的通道。垫片预紧应力是否能够作到初始密封，与使用的垫片材料密切相关，不同的材料在相同的压缩量下得到的垫片应力是不相同的，自然同样密封要求下所能密封的介质压力也不一样，或者说相同的介质压力下，得到的密封度不同。2、工作密封：当初始垫片应力作用于垫片后，它必须在装置的设计寿命内保持足够的应力，以维持允许的密封度。因为装置在流体压力作用下，密封面将被迫分离，垫片必须通过弹性应变以弥补该分离量，并且残余维持密封所需要的工作（残余〕垫片应力。该弹性应变必须补偿装置长期运行过程中任何可能发生的垫片应力的松弛，包括热松弛、螺栓应力松弛等。8垫片密封的分类9垫片密封的分类105聚四氟乙烯包覆垫片垫片密封的分类11适用条件类型最高温度/℃最大压力/MPa介质纸质垫片1000．1燃料油、润滑油等软木垫片1200．3油、水、溶济天然橡胶（NR）1001．0水、海水、空气、惰性气体、盐溶液、中等酸、碱等丁腈橡胶(NBR)1001．0石油产品、脂、水、盐溶液、空气、中等酸、碱、芳烃等氯丁橡胶（CR）1001．0水、盐溶液、空气、石油产品、脂、致泠剂、中等酸、碱等丁苯橡胶(SBR)1001．0水、盐溶液、饱和蒸汽、空气、惰性气体、中等酸、碱等乙丙橡胶(EPDM)1751．0水、盐溶液、饱和蒸汽、中等酸、碱等硅橡胶（MQ）2301．0水、脂、酸氟橡胶（FKM）2601．0水、石油产品、酸等石棉橡胶垫片4506.0水、水蒸汽、空气、惰性气体、盐溶液、油类、溶济、中等酸、碱等。聚四氟乙烯垫片纯车削板填充板膨胀带金属增强260（限150）260260（限200）2602．08．35．517．2强酸、碱、水、蒸汽、溶剂、烃类等柔性石墨垫片纯金属增强650（蒸汽）450(氧化性介质)2500（还原性、惰性介质）5．0酸（非强氧化性）、碱、蒸汽、溶剂、油类等无石棉橡胶垫片有机纤维增强无机纤维增强370（连续205）425（连续290）14视粘接剂（SBR、NBR、CR、EPDM等）而定非金属垫片适用条件：垫片密封的分类橡胶垫片：将各种材质的橡胶板冲裁加工而成的密封垫片，适用于不能施加很高紧固力的低压场合。主要产品有硅胶垫、丁腈橡胶垫、氟橡胶垫、其他橡胶垫。使用特点：12作为全平面座密封垫片用于Class150/PN2.0以下法兰。因流体的不同，密封垫片有可能会产生膨润、溶解。由于此类密封垫片较柔软，不易平滑地装在法兰上，所以对于DN300以上法兰推荐使用厚度3.0mm以上（例如５mm）的垫片。如果用较大紧固力紧固时，密封垫片会从螺栓与螺栓之间挤出，需注意不要过度紧固。垫片密封的分类石棉橡胶垫片：以石棉纤维与特种橡胶复合压制而成的石棉密封材料，具有较好的耐高温和耐介质性能，可应用于多数工况的密封要求。产品具有极好的性能价格比，是大众密封的首选材料。包括XB系列和NY系列石棉橡胶板，胶乳抄取石棉纸、石棉胶乳抄取板。优点：适应性广，性价比高；可裁剪为任意平面形状和尺寸的密封垫片。缺点：环境不友好，被禁用和限用产品。主要应用：管法兰、阀盖、塔、槽、反应器、压力容器、热交换器等；防腐型可用于不锈钢制管法兰以及机械设备；13垫片密封的分类非石棉橡胶垫片：以无机非石棉纤维、碳纤维、特种有机合成纤维与合成橡胶等复合制成的绿色环保型产品，具有较好的耐高温和耐介质性能，能广泛替代压缩石棉橡胶板，满足大多数苛刻工况的密封要求。优点：环境友好，性能范围广；缺点：性价比低，长期性能、时效性能差。应用：一般配管、热交换器、塔、槽、检修孔、泵的外壳及机械设备密封例：Garlock、克林格（KLINGERSIL）等14垫片密封的分类聚四氟乙烯垫片：－以聚四氟乙烯（PTFE）为主的高品质密封材料，具有优异的耐化学介质腐蚀性能和密封性能，突出的表面不粘性和抗污染性，良好的压缩回弹性能和抗蠕变松弛性能，特别适合于强腐蚀性介质或对卫生要求严格的食品、医药等行业的中低温密封。优点：应用范围广，耐低温，抗腐蚀，不粘附性；缺点：性价比较低，易冷流，耐高温性能差；通过填充改性、微孔改性、膨化改性以提高应用范围。应用：用于各种产业的设备、药液配管、纯水管线、低温管线、氧气管等15垫片密封的分类聚四氟乙烯包覆垫片：以聚四氟乙烯（PTFE）为包覆层，以石棉或非石棉压缩板等为内芯的复合垫片。垫片既具有PTFE优异的耐化学介质腐蚀性能和密封性能，突出的表面不粘性和抗污染性，又具有压缩板材良好的压缩回弹性能和抗蠕变松弛性能，特别适合于强腐蚀性介质或对卫生要求严格的食品、医药等行业的中低温密封。广泛的抗腐蚀能力广泛的类型和尺寸可靠的密封和安全保证满足FDA要求的聚四氟乙烯材料最经济的代石棉聚四氟乙烯包复垫片应用：药液管线、玻璃衬里设备、半导体的设备、食品医药设备等密封16PTFE包覆无石棉毡压缩板垫片密封的分类半金属垫片：由金属与非金属材料组合而成；结合了非金属垫片的高压缩性、低垫片比压，又具有金属材料强度高、弹性好、耐高温特点；具有压缩回弹性能好、强度高、耐腐蚀、抗高温、密封可靠；应用广泛。典型产品：金属缠绕式垫片、柔性石墨复合垫片17使用条件类型断面形状最高温度，℃最大压力/MPa金属缠绕垫片PRFE：有约束无约束柔性石墨：蒸汽介质氧化性介质白石棉纸陶瓷（硅酸铝）取金属带或非金属填充带材料的最低使用温度。下列温度是非金属材料使用温度：[1]290150650500600109042（有约束）21（无约束）金属包复垫片石棉板石墨板4005006半金属波形垫片同上4注：[1]金属的最高使用温度参见下表。垫片密封的分类缠绕式垫片:以V型或W型断面的金属带与非金属填充材料缠绕而成。分基本型、带内加强环、带外环和带内外环型，软填料有特殊石棉、柔性石墨、聚四氟乙烯和非石棉纸。另有特窄型、椭圆型等异型缠绕垫片及组合型（带金属包垫片）、铁路机车缸头专用的缠绕垫片。特点：优异的压缩回弹性能和安全可靠的长期密封性，极好的耐高低温性能和抗压力波动性，对介质有很好的适应性,适用于中高低温、中高压设备及管线法兰的密封，也是机动车排气管用垫片的首选。18垫片密封的分类19金属带使用温度范围缠绕式垫片形式非金属带使用温度范围垫片密封的分类金属包覆垫片：以石棉、非石棉、柔性石墨等非金属材料为缓冲材料作为内芯，表面包覆金属层，可制成任意形状，特别适用于异型法兰及换热器用密封垫片。使用范围－适用于各种行业的热交换器、压力容器、塔槽类、阀帽等的密封垫片。金属包覆垫片具有与包覆金属相同的耐腐蚀性和相近的耐热性，非金属填充材料使垫片具有较好的弹性。与非金属垫片相比，该类垫片在经常拆卸的条件下不易损坏、不玷污、不腐蚀法兰密封面并具有较高强度。也备有将膨胀石墨带粘贴于密封垫片表面、进一步提高其密封性的产品用于热交换器、管法兰、塔、槽阀盖等密封原理：因紧固时金属重叠较多的部分（金属的翻折部分）的密度较高，因此可达到密封效果。20垫片密封的分类柔性石墨：应力松弛较小、适用范围从极低温（-240℃）到高温（500℃，2500℃）、耐辐射性优异、耐介质范围广柔性石墨复合垫片：是以高纯度柔性石墨板材与金属骨架复合而成，具有优异的耐介质腐蚀性能和耐高低温性能，在极端条件下具有优异的密封性能，能满足普通材料无法胜任的密封要求，且工艺成熟、使用方便，具有广泛的适用性。适用介质：水、空气、惰性气体、饱和蒸汽、中强度化学品、碳氢化合物等水、饱和蒸汽、碳氢化合物及大多数腐蚀、非腐蚀性介质。型式：冲齿板增强(高强垫片)、波齿板增强、波纹板增强、金属丝网增强、金属箔增等。应用：用于各种产业的设备、配管（LNG船、LPG船）；热催化油管线等21柔性石墨板柔性石墨板不锈钢冲齿薄板PTFE板（软质型）柔性石墨板PTFE板（软质型）柔性石墨板不锈钢薄板PTE板（软质型）垫片密封的分类金属垫片：由金属加工而成；具有强度高、弹性好、耐高温特点；适合高温、高压及载荷循环频繁等苛刻操作条件；螺栓载荷大，结构复杂；应尽量选用窄密封面和具有线接触特征的环垫结构，如齿形垫、椭圆垫、八角垫、透镜垫等