垫片选用技术导则

垫片选用技术导则目录TOC\o"1-2"\h\z\u1总则 PAGEREF_LarkToc00001\h11.1编制目的 PAGEREF_LarkToc00002\h11.2适用范围 PAGEREF_LarkToc00003\h11.3编制依据 PAGEREF_LarkToc00004\h11.4术语与定义 PAGEREF_LarkToc00005\h22垫片的密封机理与失效分析 PAGEREF_LarkToc00006\h22.1密封机理 PAGEREF_LarkToc00007\h22.2泄漏途径 PAGEREF_LarkToc00008\h22.3主要失效形式与成因 PAGEREF_LarkToc00009\h33垫片的主要性能参数及其工程意义 PAGEREF_LarkToc00010\h33.1压缩率与回弹率 PAGEREF_LarkToc00011\h33.2应力松弛率 PAGEREF_LarkToc00012\h33.3密封性能（泄漏率） PAGEREF_LarkToc00013\h33.4耐介质与耐温性能 PAGEREF_LarkToc00014\h43.5其他力学与物理性能 PAGEREF_LarkToc00015\h44垫片分类与各类垫片的技术特性 PAGEREF_LarkToc00016\h44.1分类体系概述 PAGEREF_LarkToc00017\h44.2非金属垫片 PAGEREF_LarkToc00018\h44.3半金属垫片 PAGEREF_LarkToc00019\h54.4金属垫片 PAGEREF_LarkToc00020\h65垫片选用的基本原则与流程 PAGEREF_LarkToc00021\h65.1选用基本原则 PAGEREF_LarkToc00022\h65.2选用的主要影响因素 PAGEREF_LarkToc00023\h65.3垫片选型流程 PAGEREF_LarkToc00024\h75.4各类垫片适用工况速查 PAGEREF_LarkToc00025\h76典型工况下的选型技术要点 PAGEREF_LarkToc00026\h86.1高温高压工况 PAGEREF_LarkToc00027\h86.2低温与深冷工况 PAGEREF_LarkToc00028\h86.3强腐蚀介质工况 PAGEREF_LarkToc00029\h86.4真空工况 PAGEREF_LarkToc00030\h86.5交变与循环工况 PAGEREF_LarkToc00031\h86.6卫生洁净工况 PAGEREF_LarkToc00032\h97垫片安装、紧固与使用维护要点 PAGEREF_LarkToc00033\h97.1安装前检查与准备 PAGEREF_LarkToc00034\h97.2安装方法要求 PAGEREF_LarkToc00035\h97.3螺栓预紧与紧固顺序 PAGEREF_LarkToc00036\h97.4运行维护与更换 PAGEREF_LarkToc00037\h98垫片选用常见误区与对策 PAGEREF_LarkToc00038\h109结语 PAGEREF_LarkToc00039\h10附录A常用垫片标准速查表 PAGEREF_LarkToc00040\h11PAGE111总则1.1编制目的垫片是法兰连接实现可靠密封的关键元件，其选用质量直接决定压力容器、压力管道及各类工艺装置的密封性能、运行安全与检修周期。工程实践表明，法兰连接泄漏中相当比例与垫片选型不当、材料不匹配或安装使用失误有关。编制本导则，旨在为工程设计、安装施工与检维修人员提供一套系统、规范、可操作的垫片选型与使用指导，统一选型依据，减少因选型不当导致的泄漏与跑冒滴漏，保障装置安全、连续、经济地运行。1.2适用范围本导则适用于石油化工、化学工业、电力、冶金、制药、食品及一般工业领域中钢制管法兰连接用垫片的选用、检验与使用维护，覆盖非金属垫片、半金属垫片与金属垫片的选型要点。对采用特殊材料或特殊工况（如核能装置、极高压力、极低温等）的场合，应在满足相应专项规范要求的基础上参照本导则执行。本导则不替代产品标准、设计规范及制造厂的产品技术资料，具体工程应以适用标准与实测数据为准。1.3编制依据本导则在编制过程中参考并引用了下列现行有效的国家、行业及国际标准。凡注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本导则；凡不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有修改单）适用于本导则。主要引用文件包括：GB/T9126.1—2023《管法兰用非金属平垫片第1部分：PN系列》、GB/T9126.2—2023《管法兰用非金属平垫片第2部分：Class系列》、GB/T4622.1—2022《管法兰用缠绕式垫片第1部分：PN系列》、GB/T4622.2—2022《管法兰用缠绕式垫片第2部分：Class系列》、GB/T15601—2013《管法兰用金属包覆垫片》、GB/T12385—2025《管法兰用垫片密封性能试验方法》、GB/T12622—2008《管法兰用垫片压缩率及回弹率试验方法》、GB/T12621—2008《管法兰用垫片应力松弛试验方法》、HG/T20606—2009《钢制管法兰用非金属平垫片（PN系列）》、HG/T20631—2009《钢制管法兰用缠绕式垫片（Class系列）》、HG/T20592—2009《钢制管法兰（PN系列）》、HG/T20615—2009《钢制管法兰（Class系列）》、ASMEB16.20—2023《管法兰用金属垫片》（MetallicGasketsforPipeFlanges）等。1.4术语与定义垫片：置于两法兰密封面之间，依靠预紧与操作状态下的压紧应力，阻止流体从法兰连接处泄漏的密封元件。密封面：法兰上与垫片接触、形成密封的加工表面，包括突面（RF）、凹凸面（MFM）、榫槽面（TG）、环连接面（RJ）等型式。压缩率：垫片在给定压紧应力下厚度的相对压缩量，表征垫片填平法兰密封面微观不平度的能力。回弹率：垫片卸载后厚度的回复程度，表征垫片跟随法兰分离、补偿压力与温度波动引起载荷变化的能力。应力松弛率：垫片在长期压紧与温度作用下，其内部应力随时间减小的程度，直接关联螺栓残余载荷的保持能力。泄漏率：单位时间、单位密封周长或单位面积上通过垫片的流体量，是衡量垫片密封性能的核心指标。垫片系数与最小垫片比压力：法兰强度计算中用于确定操作与预紧状态下所需垫片载荷的系数，由垫片类型与材料决定。2垫片的密封机理与失效分析2.1密封机理法兰垫片密封的本质，是在垫片与两法兰密封面之间维持一个足以抵抗流体压力作用的接触压紧应力场。安装时通过螺栓预紧，使垫片受压变形，填平法兰密封面的微观凹凸不平，形成初始密封；运行时，介质压力使法兰产生分离趋势，若垫片与密封面之间的接触应力仍高于密封临界应力，则界面间隙不连通，即可保持密封。因此，垫片的密封能力取决于两个环节：一是初始状态下能承受多大的预紧而不被压溃，二是运行状态下能保留多大的残余应力以抵御介质压力与法兰变形。垫片选型的一切考虑，最终都指向这一“密封应力的建立与保持”。2.2泄漏途径垫片连接的泄漏主要有两条途径。一是界面泄漏，即流体沿垫片与法兰密封面之间的微小间隙渗漏，这是最常见、最主要的泄漏形式，与密封面粗糙度、垫片压缩情况、接触应力大小密切相关；二是渗透泄漏，即流体透过垫片材料本身的微小孔隙渗漏，主要发生于多孔性非金属材料，与材料致密度、介质分子大小和压力有关。此外，当垫片承受过高应力而被压溃、剪裂，或垫片材料在高温下老化、在介质中腐蚀，还可能形成破坏性泄漏，往往表现为突然的大量泄漏。理解泄漏途径，有助于针对性地选择垫片材料与确定安装要求。2.3主要失效形式与成因垫片失效的常见形式主要包括以下六类：一是应力松弛失效，垫片在高温和长期压紧作用下蠕变松弛，导致螺栓残余载荷下降、接触应力低于密封临界值而泄漏，这是高温工况下最主要的失效模式；二是热老化失效，橡胶、塑料等有机材料在高温下分解、炭化、失去弹性而失效；三是化学腐蚀失效，垫片材料与介质发生反应，被溶胀、溶解或腐蚀，导致体积变化与强度下降；四是吹出失效，在高压或介质压力骤变下，垫片被挤出密封面间隙；五是压溃失效，预紧力过大或密封面间隙过宽，垫片被过度压缩而破碎或失去回弹能力；六是径向变形与剪断，垫片内径小于密封面内径或安装错位，在介质作用下发生径向卷边或剪切破坏。3垫片的主要性能参数及其工程意义3.1压缩率与回弹率压缩率反映垫片在外力作用下的可压缩性。压缩率过小，垫片过硬，难以填平法兰密封面的粗糙度，所需预紧力大，易损伤法兰；压缩率过大，垫片过软，虽易贴合但承载能力低，易被压溃。回弹率反映垫片卸载后的恢复能力，回弹率高的垫片能更好地补偿因压力、温度波动和螺栓松弛引起的法兰面分离，密封可靠性更高。工程上通常要求垫片在具有适当压缩率的同时，保持足够高的回弹率。压缩率与回弹率按GB/T12622—2008《管法兰用垫片压缩率及回弹率试验方法》测定。3.2应力松弛率应力松弛率表征垫片在恒定压缩变形下，其压紧应力随时间衰减的程度。应力松弛率越低，表明垫片越能长期保持初始密封应力，螺栓载荷维持得越好，密封寿命越长。对高温、交变工况下的垫片选型，应力松弛率是仅次于密封性能的重要指标，按GB/T12621—2008《管法兰用垫片应力松弛试验方法》测定。非金属垫片材料的蠕变松弛性能还可参照GB/T20671系列标准的相关部分评定。3.3密封性能（泄漏率）密封性能是垫片最核心的指标，以泄漏率衡量，泄漏率越低，密封性能越好。密封性能与垫片所受压紧应力、介质压力、温度及介质性质均有关，通常以给定压紧应力和内压下的泄漏率表征。密封性能试验按GB/T12385—2025《管法兰用垫片密封性能试验方法》执行，该标准提供了测漏空腔增压法、压降法及氦质谱真空测漏法等试验方法。对可燃、有毒或极贵重介质，应选择泄漏率低、密封等级高的垫片。3.4耐介质与耐温性能垫片材料必须与接触介质相容，不发生溶胀、溶解、腐蚀或催化反应。耐温性能决定垫片的使用上限温度，超过上限会导致材料老化、分解或失去弹性。不同材料的耐温差异很大：普通橡胶一般不超过一百多摄氏度，聚四氟乙烯耐温上限约二百多摄氏度但高温下易蠕变，柔性石墨耐温范围很宽，金属垫片的耐温取决于所选金属材料。耐介质与耐温性能共同决定了垫片适用的介质—温度组合，是选材的首要依据。3.5其他力学与物理性能除上述指标外，垫片的抗拉强度、密度、硬度、蠕变性能、抗渗透性及抗老化性能等，对选型也有重要影响。抗拉强度反映垫片的整体强度与抗剪断能力；密度与致密度影响渗透泄漏；蠕变性能与应力松弛相关。对非金属垫片材料，其分类体系及各项性能试验方法可参照GB/T20671系列标准执行。工程选型时，应综合考量各项性能，避免只盯单一指标而忽视整体匹配。4垫片分类与各类垫片的技术特性4.1分类体系概述按结构与材料组成，垫片通常分为三大类。一是非金属垫片，由橡胶、纤维增强橡胶板、聚四氟乙烯、柔性石墨等单一或复合非金属材料制成，质软、贴合性好，但耐温耐压范围有限；二是半金属垫片，由金属骨架与柔性填充材料复合而成，如缠绕垫片、金属包覆垫片、金属齿形复合垫片等，兼具金属的高强度、耐温耐压与非金属的良好密封性能；三是金属垫片，全部由金属材料制成，依靠金属的塑性变形实现密封，耐高温高压，但所需预紧力大，对密封面与安装要求高。4.2非金属垫片橡胶垫片以丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶等制成，适用于低压、低温、非强腐蚀介质。丁腈橡胶耐油性好，适用于油类介质；乙丙橡胶耐候耐老化，适用于水、蒸汽及稀酸碱介质；氟橡胶耐高温、耐多种化学品，但价格较高。橡胶垫片柔软、贴合性好，但耐温耐压有限、易老化，多用于温度不高、压力较低的场合。非石棉橡胶板垫片由非石棉纤维、橡胶及填料压制而成，是传统石棉橡胶板的环保替代品，具有较好的耐温、耐压与密封性能，适用于中低压、中等温度的水、蒸汽、油品及一般化学介质，广泛用于管法兰连接。随着环保与职业健康要求提高，含石棉垫片已被禁止使用，非石棉橡胶板垫片得以普遍采用。聚四氟乙烯垫片具有优异的化学稳定性，几乎耐所有介质的腐蚀，摩擦系数低、不粘，适用于强腐蚀介质和卫生要求高的场合。但普通聚四氟乙烯机械强度低、易蠕变、热膨胀系数大，使用温度一般不超过二百多摄氏度，且高温下易变形。改性聚四氟乙烯与膨体聚四氟乙烯通过填料改性或微孔化结构，显著改善了抗蠕变性与密封性能，扩展了其应用范围。柔性石墨（膨胀石墨）垫片由天然鳞片石墨经高温膨胀压制而成，耐温范围极宽，耐强酸碱（除强氧化性介质），回弹率高，密封性能好，广泛用于高温、高压及交变工况。纯柔性石墨板强度较低、易碎，常与金属薄板复合成增强柔性石墨垫片使用。柔性石墨不耐强氧化性介质，选用时应予注意。4.3半金属垫片金属缠绕垫片由金属钢带与柔性填充带（柔性石墨、聚四氟乙烯、非石棉板等）交替缠绕而成，按结构分为基本型、带内环型、带定位环型（外环）等。金属带提供强度与耐温耐压能力，填充带提供密封性。缠绕垫片密封性能好、适用范围广，是石油化工领域应用最广泛的垫片之一，适用于中高压、较高温工况。带内环型适用于凹凸面法兰，带定位环型适用于突面法兰，基本型适用于榫槽面法兰。其型式、尺寸与技术要术按GB/T4622.1—2022、GB/T4622.2—2022及HG/T20631—2009等标准规定。金属包覆垫片以柔性石墨、陶瓷纤维等为填充芯材，外包金属薄板（碳钢、不锈钢等）制成，适用于中低压、较高温、介质腐蚀性较强而要求金属隔离的场合。金属外壳提供机械强度与耐蚀隔离，填充芯材提供弹性与密封。其尺寸与技术要术按GB/T15601—2013《管法兰用金属包覆垫片》规定。金属齿形复合垫片在金属齿形环的上下表面覆以柔性石墨等软质密封层，兼具金属齿形垫的高强度、耐温耐压与石墨层的良好密封及回弹性能，适用于高温、高压、频繁温度波动的苛刻工况，常用于换热器、塔器等设备法兰。金属波齿复合垫片在金属波齿环表面复合柔性石墨，通过波齿结构与石墨填充层协同密封，接触应力分布均匀，回弹性能好，适用于高温高压及要求低泄漏的场合。4.4金属垫片平金属垫片由金属板材直接切割或加工而成，靠金属的塑性变形贴合密封面，适用于高温高压、介质腐蚀性较弱的场合，但所需预紧力大，对密封面粗糙度与平行度要求高。齿形金属垫片在金属环的上下表面加工出同心三角齿，通过齿尖压入密封面实现密封，接触应力集中、密封效果好，适用于高温高压及剧烈温度波动工况，但需较高的螺栓载荷。环连接垫片（八角垫、椭圆垫）与环连接面（RJ）法兰配合使用，依靠金属垫片与法兰环槽的金属对金属密封，适用于高压、高温及超高压工况，广泛用于油气与高压化工装置。八角垫对中性与密封性好，椭圆垫适用于较高压力。其型式、尺寸按ASMEB16.20—2023及相应国家标准规定。透镜垫外表面呈透镜状，安装于特殊型式的管接头内，通过金属的线（面）接触实现密封，适用于高压、超高压管道，密封可靠但制造与安装精度要求高。5垫片选用的基本原则与流程5.1选用基本原则垫片选用应遵循以下基本原则：一是安全第一，垫片材料必须与介质相容，耐温耐压能力必须覆盖操作工况并留有余量，对可燃、有毒、易爆介质应选用高密封等级、低泄漏率的垫片；二是密封可靠，在满足工况的前提下，优先选择密封性能好、应力松弛率低、回弹率高的垫片，以保证长周期稳定运行；三是经济合理，在满足安全与密封要求的前提下，综合权衡垫片价格、安装成本、检修频率与停产损失，选择综合成本最优的垫片；四是易于维护，优先选择结构简单、便于安装与更换、备件易得的垫片；五是环保合规，禁止选用含石棉的垫片，符合环保与职业健康要求。5.2选用的主要影响因素介质性质是选材的首要因素。介质的腐蚀性、毒性、易燃易爆性、清洁度与纯度直接决定垫片材料，腐蚀性介质须选耐蚀材料，卫生洁净介质须选不析出、易清洁的材料。操作压力与温度共同决定垫片所需的承载能力与耐温等级，压力—温度组合越高，对垫片的强度、耐温与密封性能要求越高，通常需选用半金属或金属垫片。法兰型式与密封面型式决定了垫片的结构型式：突面（RF）配带定位环缠绕垫或平垫片，凹凸面（MFM）配带内环缠绕垫或相应型式垫片，榫槽面（TG）配基本型缠绕垫，环连接面（RJ）配八角垫或椭圆垫。密封面表面粗糙度影响垫片与密封面的贴合程度，粗糙度过大，垫片难以填平微观不平度而易泄漏，粗糙度过细则会降低垫片的密封可靠性，不同垫片对表面粗糙度有不同的要求。螺栓载荷与法兰刚度决定了垫片所能获得的压紧应力及其分布，垫片的可压缩性必须与螺栓预紧能力匹配，避免因垫片过硬而预紧不足或因过软而压溃。交变与循环工况会加剧垫片应力松弛与法兰分离趋势，应选择回弹率高、应力松弛率低的垫片。此外，还应统筹考虑经济性与更换周期，综合权衡垫片寿命、检修便利性与停产成本。5.3垫片选型流程垫片选型可按以下步骤系统进行：第一步，明确介质性质，确定材料的耐蚀相容性；第二步，确定操作压力与温度，明确压力—温度组合等级；第三步，确定法兰型式、密封面型式与表面粗糙度；第四步，评估螺栓预紧能力与法兰刚度，核算垫片所需压紧应力；第五步，评估工况的苛刻程度，包括交变、真空、卫生洁净等特殊要求；第六步，在上述约束下初选垫片类别，再选定具体材料与结构；第七步，按标准选取垫片尺寸、型式与标记，核算并校核密封性能；第八步，评估经济性与维护性，最终确定垫片，并明确安装与紧固要求。5.4各类垫片适用工况速查为便于工程快速选型，表1汇总了各类垫片的典型适用工况。表中压力、温度数值为工艺通用参考值，具体应以产品标准与制造厂实测数据为准。垫片类别典型材料/结构适用压力适用温度适用介质与场合橡胶垫片丁腈、乙丙、氟橡胶等低压（一般≤PN16）常温至约150℃（视胶种）水、油、一般气体，低压管道非石棉橡胶板垫片非石棉纤维+橡胶中低压常温至约250℃水、蒸汽、油品、一般介质聚四氟乙烯（含改性）垫片PTFE、改性PTFE、ePTFE中低压约-200℃至250℃强腐蚀、卫生洁净介质柔性石墨（增强）垫片柔性石墨+金属增强中高压低温至约500℃以上高温、蒸汽、多数酸碱介质金属缠绕垫片金属带+石墨/PTFE填充中高压视材料约-200℃至600℃中高压、高温管法兰金属包覆垫片金属外壳+柔性填充芯中低压中温腐蚀介质、换热器金属齿形复合垫片金属齿形环+石墨层高压高温高温高压设备法兰环连接垫片（八角/椭圆）金属实心高压/超高压高温高压油气、高压化工装置表1各类垫片适用工况速查6典型工况下的选型技术要点6.1高温高压工况高温下垫片蠕变松弛加剧，螺栓载荷衰减明显，故应优先选择应力松弛率低、耐高温的垫片，如金属缠绕垫片、金属齿形复合垫片、金属齿形垫片及环连接垫片。同时，高温下法兰与螺栓的热膨胀差会引起载荷变化，应选用回弹率高、能补偿热变形的垫片。柔性石墨作为填充或密封层，在高温下性能稳定，是高温垫片的理想组合材料。应避免在高温工况选用普通橡胶与聚四氟乙烯垫片。6.2低温与深冷工况低温下金属材料易变脆，橡胶、塑料等非金属材料会变硬变脆而失去弹性，选型时应选择耐低温的材料。柔性石墨垫片耐低温性能好，适用于深冷工况；金属垫片在低温下应选用低温韧性好的材料。深冷工况下密封面易结霜，安装时应保证密封面清洁干燥，避免水分冻结影响密封。6.3强腐蚀介质工况强腐蚀介质工况应优先选用化学稳定性好的材料。聚四氟乙烯及改性聚四氟乙烯垫片耐蚀性极佳，适用于强酸、强碱及多种腐蚀性介质，但须注意其耐温与抗蠕变限制。柔性石墨耐酸碱（除强氧化性介质），适用于许多腐蚀性介质。金属垫片应根据介质选择耐蚀合金（如不锈钢、哈氏合金等），并注意垫片材料与法兰材料的电偶腐蚀问题，避免异种金属接触引发的加速腐蚀。6.4真空工况真空工况要求垫片具有低的渗透率和良好的密封保持能力，任何微小泄漏都可能导致真空度下降。应选择致密、渗透率低的垫片材料，并确保足够的压紧应力以维持密封。柔性石墨及金属缠绕垫片在真空工况下有较好表现；应避免使用多孔性、渗透率高的材料。真空工况安装时密封面须高度清洁，并防止垫片吸附杂质影响密封。6.5交变与循环工况温度、压力频繁波动及频繁开停工的场合，法兰面反复分离、闭合，要求垫片具有高回弹率和低应力松弛率，以持续补偿法兰变形。金属缠绕垫片、金属齿形复合垫片及柔性石墨垫片回弹性能好，适合此类工况。应避免选用回弹率低、易永久变形的垫片，以免在多次循环后密封失效。6.6卫生洁净工况食品、制药等行业要求垫片材料不析出有害物质、易清洁、不藏污纳垢，通常选用符合卫生标准的聚四氟乙烯、改性聚四氟乙烯或特定橡胶垫片。垫片表面应光滑，结构应便于拆卸与清洗，避免缝隙残留，以防止微生物滋生与交叉污染。7垫片安装、紧固与使用维护要点7.1安装前检查与准备安装前应核对垫片规格、材质与型式是否与设计一致，检查垫片无破损、老化与变形。应检查法兰密封面清洁、无划伤、无腐蚀凹坑，表面粗糙度符合要求；检查法兰对中与平行度符合要求，螺栓、螺母完好，螺纹无损伤。安装前应清除密封面与螺栓上的油污、锈迹与杂质，必要时采用适当的清洁剂处理。7.2安装方法要求垫片应准确对中，不得偏斜、翘曲，内径不得小于密封面内径。缠绕垫片与金属垫片不得重复使用，拆装后应更换新垫片。安装过程中不得用强力敲击垫片或法兰，以免损伤密封面。对高温法兰，因操作温度下螺栓会松弛，必要时应在带温状态进行热紧固。7.3螺栓预紧与紧固顺序紧固前应保证各螺栓受力均匀，采用对称交叉的顺序分多次逐步拧紧。应使用扭矩扳手或液压拉伸器控制预紧载荷，避免单螺栓过载。对大口径法兰，应从中心向两侧对称依次紧固，分两至三遍达到规定扭矩。预紧载荷应根据垫片允许比压与螺栓许用应力核算，既保证密封，又避免压溃垫片或损伤螺栓与法兰。7.4运行维护与更换运行中应定期巡检，检查法兰连接有无泄漏、螺栓有无松弛。发现泄漏应首先判断原因，必要时在安全条件下进行带压或带温紧固。检修更换时应记录垫片型式、规格、安装扭矩与更换日期，建立台账，便于追溯与周期管理。对高密封要求或苛刻工况的连接，应结合计划检修周期定期更换垫片，防止因超期使用而泄漏。8垫片选用常见误区与对策误区一：认为垫片越厚越耐压。实际上垫片过厚反而易导致应力松弛大、密封不稳定。对策：按标准选用标准厚度垫片，不盲目加厚。误区二：认为垫片越软密封越好。垫片过软易压溃、承载能力低。对策：根据工况选择适当的压缩率，软硬适度。误区三：认为螺栓拧得越紧越好。过紧会压溃垫