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垫片密封及其应用的相关知识 朱永宽 2016.08.22,1,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,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,10,5 聚四氟乙烯包覆垫片,垫片密封的分类,11,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Class 150/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mm）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,16,PTFE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,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。,22,垫片密封的分类,金属平垫：将已轧制的金属板加工成规定尺寸的经济性密封垫片。高垫片比压，多用于强制密封 金属齿形垫片金属车削而成，断面为锯齿形，齿间距1.52mm，齿高0.650.85mm，顶宽度0.20.3mm，密封面上有若干同心圆。 结构型式基本型、带内环型、带外环型、带内外环型。 优点与金属平垫片相比，预紧力较小，密封效果好； 缺点易损伤法兰面。 使用范围 高温、高压场合。 温度：视金属材质定，一般小于650； 压力：25MPa以下 应用领域：适用于高温、高压的阀盖以及管法兰、压力容器的盖板密封垫片等,23,垫片密封的分类,金属环垫：是以不同金属材料经锻造、精密加工而成的环状垫片，主要指截面为八角形的八角垫和截面为椭圆形的椭圆垫。它们具有优异的高温、高压密封性和抗渗透性，可在一定条件下重复使用。适用于化工、炼油、石化、冶金、能源、核电等工业部门的高温、高压水蒸气及塔、槽、热交换器、高压罐、阀帽密封，也可用于平面形、槽形、嵌入形的所有接头密封。 特点具有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。 应用领域：高温及高压下的管法兰、阀盖、压力容器等。,24,垫片密封的分类,金属空心O型圈：将金属管弯折成圆形或指定的形状，并在两端进行带颈对焊，然后对表面进行研磨的密封垫片。也可由模具压制而成，并可在表面涂覆金、银镀层。密封具有优良的密封性能,耐高温、耐腐蚀及气密性好,特别适用于高压、真空密封。 目前使用的金属O型圈,其型式有三种(如图所示):非自紧式、自紧式、充气式 1、非自紧式O型圈适用于全约束或半约束设计中，可密封真空、有较低压力及有与腐蚀性介质的管道密封。 2、自紧式O型圈只适用于半约束设计中。在环内侧钻有许多小孔，由于管内具有操作压力相同的内压，而增加了自紧性，只要法兰和紧固件具有足够的强度和刚度，可密封无限高的压力，使用压力可达8500大气压，有时甚至达到7000大气压以上，是此类密封承压能力最高的结构形式。 3、充气式O型圈适用于全约束或半约束设计中，管内充有惰性气体，压力一般在4050公斤/平方厘米，可根据使用要求确定。在高温下虽然管材强度会降低，但同时气体压力增加了，增强了回弹能力而补偿了密封性能。通常用于400800,25,垫片密封的选用,垫片选用的基本原则： 1、相配法兰的密封面型式和尺寸； 2、法兰及垫片的公称直径； 3、法兰及垫片的公称应力； 4、流体介质的温度； 5、流体介质的性质。 其它因素： 1、良好的压缩回弹性能，适应温度及压力的波动； 2、良好的塑性，能与法兰密封面很好的贴合； 3、不污染工艺介质； 4、有足够的强度，不因工作介质压力和紧固力而造成破坏； 5、低温不硬化，收缩量小，高温不易软化，抗蠕变性能好； 6、加工性能好，安装方便； 7、不粘结法兰密封面，拆卸容易。,26,垫片运用原则,垫片在运用时应考虑以下原则（薄，窄，尺寸，螺栓布置，安装工艺） 1、尽可能选择薄的垫片 垫片要求的厚度与其形式、材料、直径、密封面的加工状况和密封介质等有关。例如对大多数非金属板状垫片而言，其抵抗应力松驰的能力随垫片厚度减少而增加，薄的垫片其周边暴露于密封介质的面积较少，因而沿垫片本体的渗漏也随之减少。可是垫片必须填补法兰密封表面的凹凸和起伏不平，因此垫片的最小厚度就取决于法兰表面光洁度、垫片的压缩性、垫处应力、法兰的偏转程度等因素。 2、尽可能选择较窄的垫片 在同样的螺栓载荷下，垫片宽度越窄，垫片应力越高，密封压力也就越大，但垫片不至于被压裂或压溃，同时还要具有必需的径向密封通道长度和足够的吹出抗力。一般的板状垫片通常可根据公称直径和公称压力选取，并按照实际法兰和使用情况做适当修改，例如法兰密封面光洁度低或密封介质粘度低，则增加宽度。