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垫片密封类产品选用指导

1 前言

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。由于它们通常采用螺栓法兰连接结构,这种结构首先要求接头密闭,这就意味着必须将其装配并拧到足够紧,而这恰恰是一个很艰难的任务,要做到精确控制则需要涉及多方面的问题;其次,影响招牌密封的因素很多,且至今还是一个尚未能定量的问题。正因为垫片的应用范围极其广泛,故垫片需要的压载荷各不相同,如低压水泵薄法兰用的垫片,需要的压紧载荷较低;而压力容器和管道法兰垫片,需要较大的压紧载荷和刚性较好的连接结构。对后者通常有标准可查,但对特殊要求的垫片密封,它们没有标准的连接件尺寸,如法兰厚度、螺栓尺寸、螺栓间距等,则就需要考虑自行设计。

本文重点介绍垫片密封的基本原理、垫片的类型与选择、垫片的主要性能和试验方法等。有关国内外垫片和试验标准读者可参阅本手册的附录。

2 密封机理

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
(1)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%;

(2)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%。

(3)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(degradation)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(blowout)泄漏,它属于一种事故性泄漏。对于上述(1)通常可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;而(2)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。

垫片用于对两个连接件的密封面产生初始装配密封和保持工作密封。在理论上,如果密封面完全光滑、平行,并有足够的刚度,它们可以依靠紧固件夹持在一起,无须垫片而达到密封的目的(即无垫密封)。但是在实际中,连接件的两个密封面总是存在粗糙度,两者也不是绝对平等的,刚度也有限,加上紧固件柔度不同和排列分散,因此垫片接受的载荷通常是不均匀的,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插入一垫片,使之适应密封面的不规则性。显然,要产生初始密封的基本要求是压缩垫片,使其与密封面间产生足够的压力(通常称为垫片预紧应力,也称初始垫片比压),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从性,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。

预紧垫片应力是否能够做到初始密封,与使用的垫片的材料密切相关,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,自然同样的密封要求下所有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紧密性大小不同。

当初始垫片应力加在垫片上之后,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。因为当接头受到流体压力作用时,密封面被迫发生分离,此时要求垫片能释放出足够的弹性应变能,以弥补这一分离量,并且留下足以保持密封所需要的工作(残留)垫片应力。此外,这一弹性应变能还要补偿装置长期运行过程中任何可能发生的垫片应力松弛,因为各种垫片材料在长时期的应力作用下,都会发生不同程度的应力降低。此外,接头的不均匀热变形,也会引起垫片应力的变化,例如连接件与紧固件材料不同,引起各自的热膨胀量不同,导致招牌应力的降低或升高;或者因受热引起坚固件应力的松弛而减少了作用在招牌上的应力等。

图2-2中的曲线表示上述两个过程中垫片的应力与变形关系,图中δg和δR分别对应垫片预紧至δgi时的压缩量和工作时δgo下的回弹量。综上所述,任何形式的垫片密封,都要在连接件的密封面与垫片表面之间产生一种垫片密封,其大小与装配垫片时的预压缩量以及垫片材料的弹性模量有关,而其分布状况与垫片截面的几何形状有关。至少从理论上说,垫片预紧应力愈大,垫片中贮存的弹性应变通也愈大,因而可用于补偿分离或松弛的余地也就愈大,当然这要以密封材料本身的最大弹性承载能力为极限。但就实际使用而言,垫片预紧应力的合理值取决于密封材料与结构、密封程度、环境因素、使用寿命以及经济性等因素。

3 垫片法兰连接的基本要求。

垫片法兰连接是由垫片-螺栓-法兰组成的结构,其力学行为和密封特性比其他机械构件复杂,因为它受到许多因素的影响,以致工作时的整体性能很难预测或解释。首先螺栓和螺母之间的摩擦关系复杂,依靠普通的拧紧工具,不可能精确地控制和预测螺栓的预紧载荷;其次,这些性能受到各个零件弹性的制约,尤其是存在垫片时,整个结构表现出弹塑性行为。因此,这种连接系统显然是静不定的,问题变得更加复杂了。如此的系统却随着多种载荷,如果栓力、垫片反作用力和流体压力,还可能有与之相连的设备或管道的反作用力(如重量、垫膨胀等),这些力最终使法兰受到一外加弯矩的作用,在弯矩的作用下,法兰发生弯曲变形和角变形。因此整个系统的设计目的是在给定的垫片特性下,确定法兰和螺栓等结构的安全、经济尺寸,同时达到规定的密封度要求,即完整性—整修结构的机械或热应力必须在材料允许范围内;密封性—垫片应力必须使整个接头的泄漏率在允许范围内。

显然,起密封作用的垫片在整个连接系统中是关键的元件。在垫片法兰连接中,任何元件既相互联系又相互制约,例如垫片的结构形式和材料的选择合理与否,直接影响螺栓尺寸的大小与经济性;法兰结构尺寸确定好坏,影响到结构的刚度和紧凑性,它们之间的相互协调将最终决定连接的密封性。

4 垫片的一般化结构

现代工业使用的平垫片是1890年前奥地利工程师理查德·克林格(Richard Klinger)发明的,由此引出了许多用于不同场合的不同材料和各种结构的垫片。
图2-3示出垫片的一般化结构,当然不是每种垫片都具有图示的所有组成,但只是其中某些元件的增减变化而已。

件b是密封元件,其作用是阻止泄漏。常用的结构材料为非金属材料,如柔性石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、云母(Mica)或普通的橡胶粘结纤维板等。此外,密封元件的结构材料也可以是刚性或柔性的金属,通常用于压力和温度较高的场合。但非金属材料常通过插入金属材料e予以增强,同时也方便了如石墨和云母等易碎材料的加工。增强材料可以用金属箔、丝网或薄析,金属薄析常常采用冲方刺孔的方式提高增强效果和增加弹性,并通过粘结剂和(或)辊压将它们贴合一起(也称半金属材料)。密封元件也可设一表面层d或f来增加密封效果,防止与密封面粘结,密封垫片的应力也取决于此表面层。表面层材料可以是PTEF或屈服强度低的金属薄衬(如金、黄铜、软钢、钛、锆、蒙乃尔等),也可以采用表面现象镀层(如铅、锡、铟、PTFE、FEP、金、银等)。对柔性金属密封环而言,其作用是使内芯材料免受密封流体的化学侵蚀,同时又保留了内芯材料的弹性,例如各种包覆结构形式的垫片。

外环(或外间隔环c有以下几个作用:帮助密封元件对中;防止密封元件过分压缩;防止垫片吹出和减少法兰转动等。因为外环c主要起机械性作用,材料均为实心金属,且不接触密封介质,所以不要求耐介质腐蚀。如果仅起定位作用,在预紧螺栓时就不要让法兰压到此环。如果目的是减少法兰转动,外环就要延伸至法兰螺栓圆外的法兰外周边,并与法兰端面接触,以形成阻止法兰转动的反力矩。而且当螺栓载荷超过压缩密封元件需要的载荷时,即使因流体压力变化引起了轴向载荷的波动,也会被法兰与外环之间的反力所补偿,因此避免了因循环载荷而螺栓发生的疲劳破坏,同时垫片仍能保持其最佳的密封应力。外环也可以与密封元件连成一体,例如实心金属垫片。此外,具有凹凸面或榫槽面的法兰也可起此作用。

内环(或内间隔环a也有很多种作用:防止无内环的密封元件因刚性不足沿垫片内圆发生向内屈曲;填补密封件与管道或容器内孔之间的空隙,以避免此空隙干扰流体的流动和由此引起的流体对垫片的冲蚀。内环接触流体,故其材料要能抵御密封介质的腐蚀。

5 垫片的基本类型

垫片按照构造的主体材料分为金属、半金属和非金属垫片三大类,如图2-4所示。

5.1 非金属(软)垫片

因为绝大多数垫片或是非金属(软)垫片,或是金属与非金属组合垫片,所以非金属材料是垫片最基本的构成材料。了解各种非金属软垫片材料的主要组分、结构特征和优缺点,是更好理解这些垫片最终结构具有的性能和应用的基础。按照构成这些材料的基本组分和借货状态,可以进行如下的分类。

5.1.1 按组成垫片的基本组分(基质)可分为7类

(1)植物质:如纸、棉、软木等;

(2)动物质:如皮革、羊毛毡等;

(3)矿物质:如石棉、玻璃、陶瓷等纤维;

(4)橡胶质:如天然橡胶(NR)及各种合成橡胶[包括丁腈橡胶(NBR)、氯丁橡胶(CR)、丁苯橡胶(SBR)、氟橡胶(FPM)、硅橡胶(VMQ)、乙丙橡胶(EPDM)等];

(5)合成树脂质:如纯聚四氟乙烯(PTFE)、膨胀聚四氟乙烯(e-PTEF)、填充聚四氟乙烯等;

(6)石墨质:如柔性石墨(也称膨胀石墨)、碳纤维和石墨纤维等;

(7)短纤维增强弹性体(橡胶、塑料):如石棉、矿棉等无机纤维、有机纤维、碳或石墨纤维增强弹性体等。

5.1.2 按目前工业上常用的垫片(板材)品种分为如下6种

(1)橡胶垫片(弹性体板);

(2)石板橡胶垫片;

(3)无石棉橡胶垫片

(4)聚四氟乙烯垫片:包括纯聚四氟乙烯、填充聚四氟乙烯或膨胀聚四氟乙烯,以及内部插入金属网或板增强的聚四氟乙烯垫片等;

(5)聚四氟乙烯包覆垫片:包括聚四氟乙烯包覆的橡胶或石棉橡胶垫片和聚四氟乙烯包覆的有金属增强的橡胶或石棉橡胶或无石棉橡胶垫片;

(6)柔性石墨垫片:包括纯柔性石墨垫片和各种纤维、金属网、金属冲刺板、金属波纹板增强的柔性石墨垫片等。

上述(4)、(5)、(6)中金属骨架增强的垫片也可划归为半金属类垫片。

常用非金属(软)垫片及适用范围见表2-15。

表2-15 常用非金属软(平)垫片

5.2 半金属垫片

非金属材料虽具有很好的柔软性、压缩性和螺栓载荷低等优点,但主要缺点是强度不高,回弹性差,不适合高压、高温场合,所以结合金属材料强度高、回弹性好、经受得起高温的特点,制成具有两者组合结构的垫片,即半金属垫片。除上述内衬金属骨架的非金属板制成的垫片也属其一大类外,金属缠绕垫片、金属包覆垫片、金属波纹组合垫片、金属齿形组合垫片是目前各工业部门中应用最广泛的半金属垫片,尤其是与柔性石墨、PTFE材料组合的这些垫片更具特色。

常用半金属垫片及适用范围如表2-16所示。

5.3金属垫片

在高温、高压及载荷循环频繁等苛刻操作条件下、各种金属材料仍是密封垫片的首选材料。为了减少螺栓载荷和保证结构紧凑,除了平金属垫片应尽量采用窄宽度外,各种具有线接触特征的环垫结构,如齿形热、椭圆垫、八角垫、透镜垫等则是优选的形式。常用金属垫片及适用范围见表2-17

5.3金属垫片

在高温、高压及载荷循环频繁等苛刻操作条件下、各种金属材料仍是密封垫片的首选材料。为了减少螺栓载荷和保证结构紧凑,除了平金属垫片应尽量采用窄宽度外,各种具有线接触特征的环垫结构,如齿形热、椭圆垫、八角垫、透镜垫等则是优选的形式。常用金属垫片及适用范围见表2-17

6 垫片的主要性能 
6.1压缩性和回弹性

压缩性指初始压缩后垫片厚度的改变量,表征了垫片刚性的大小。垫片压缩性越小,就越容易变形。而回弹性的定义是当压缩载荷卸除后垫片厚度的回复量,它对操作时因介质压力或其他原因引起的密封面分离进行了补偿,以保持接头的密封能力,比压缩性更具重要性。两者分别以百分率表示,如式(2-1)、(2-2)所示:

C=(to-tc)/to×100% (2-1)

R=(tr-tc)/(to-tc)×100% (2-2)

式中 C—压缩率,%;

R—回弹率,%;

to --垫片的原始厚度(测试时取初载荷下的厚度),㎜;

tc --垫片在全载荷下的厚度,㎜;

tr --垫片在回复载荷下的厚度,㎜

不同材料和结构形式的垫片的压缩率和回弹率是不相同的,如表2-18所示。压缩率通常是一个范围,如压缩石棉或非石棉纤维橡胶板,压缩率为7%~17%,而回弹率则大于40%~50%,纯PTFE 的压缩率为6%~55%,回弹率大于20%~40%等。它们还受到温度、厚度和垫片应力等因素的影响。因此,试验标准中通常按照规定的厚度和垫片应力在室温测得。对垫片的压缩-回弹性除了评价其数值大小外,还应从不同开关的压缩-回弹曲线,特别是卸载部分回复曲线的斜率观察,这一斜率越大,垫片的弹性补偿能力越大,垫片应力的损失越小,即越容易适应载荷的循环作用或密封的稳定性越好。实际压缩-回弹曲线图中压缩曲下的面积代表压缩所作的全部功,这些功将以弹性应变通的形式贮存于垫片中,该面积越大则表明垫片弹性补偿的潜力越大;而回弹曲线下的面积则表示垫片卸载时释放出来的弹性应变能,显然曲线包围部分的面积代表了垫片的刚性大小。因此在评价垫片的压缩性和回弹性时,不但要求合适的压缩性和最大的回弹率,还要求有最佳开关的压缩-回弹曲线。

6.2拉伸强度

因为垫片主要承受压缩作用,理论上没有拉伸强度垫片也不会发生问题,但在实际使用中,即使在一般场合,垫片也必须具有基本的拉伸强度,如表2-18所示。这不仅是构成材料的需要,也是垫片抵抗压力介质撕裂或吹出的需要。对于用各种橡胶粘结纤维增强板材通过通常压缩法制成的非金属垫片,由于横向拉伸强度和纵向拉伸强度常常是不相同的,而且前者往往比后者低,所以拉伸强度一般是指横向拉伸强度。其他半金属垫片和金属垫片,拉伸强度比非金属板材高得多,因此不是主要考虑的因素。

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