现代密封技术应用

——使用、维修方法与案例（五）

第二章   垫片密封的使用维修

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2.1 垫片密封概述

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1. 垫片密封的原理

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2. 垫片密封的结构

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2.1.2垫片的种类

垫片的种类多种多样，按其构造的主体材料分为非金属、半金属和金属垫片三大类。

1. 非金属垫片

非金属垫片质地柔软、耐腐蚀、价格便宜，但耐温和耐压性能差。多用于常温和中温中、低压容器或管道的法兰密封。

非金属垫片包括橡胶垫、石棉垫、石棉橡胶垫、柔性石墨垫和聚四氟乙烯垫等。

1）橡胶板。制作橡胶板垫片的主要材料是天然橡胶、丁睛橡胶、氯丁橡胶等，另外氟橡胶等特种橡胶也被广泛应用。橡胶因具有组织致密、质地柔软、回弹性好、容易剪切成各种形状，且便宜、易购等特点而被广泛适用于容器和管道密封中。但它不耐高压，容易在矿物油中溶解和膨胀，不耐腐蚀，并且在高温下容易老化，失去回弹能力。

2）石棉。石棉材料有湿石棉和蓝石棉两种。湿石棉耐热、耐碱性好，抗拉强度高，耐酸性能差，大多数石棉橡胶板由它制作；蓝石棉不仅耐热性能好，并且耐酸性能也好，故多被用于制造耐酸石棉橡胶板。石棉板正常使用温度在550℃以下。直径较大的低压容器可使用石棉带或石棉绳。在使用石棉绳时，通常线浸渍水玻璃。酸、碱、溶剂等介质也可用此类垫片。（现在已禁用，改为无石棉替代）

3）石棉橡胶板。石棉橡胶板是由石棉、橡胶和填料经压制而成的。一般石棉纤维占60%～85%。根据其制配工艺、性能及用途不同，主要有高压石棉橡胶板，中、低压石棉橡胶板和耐油石棉橡胶板。石棉橡胶板有适宜的强度、弹性、柔软性、耐热性等性能，用它制作垫片，既方便又便宜，因此在化工企业，尤其是在中小型化工企业中得到广泛的应用。（现在已禁用，改为无石棉橡胶板替代）

4）柔性石墨。柔性石墨是一种被广泛应用的密封材料，具有良好的回弹性、柔软性、耐温性，在化工企业中得到迅速推广和应用。

5）聚四氟乙烯（简称PTFE）。聚四氟乙烯以其化学稳定性、耐热性、耐寒性、耐油性优越于现在任何塑料而有“塑料之王”之称。它不易老化，不燃烧，吸水性几乎为零。其组织致密，分子结构无极性，用作垫片，接触面可做到平整光滑，对金属法兰不粘着。除受熔融金属及含氟元素气体的侵蚀外，它能耐多种酸、碱、盐、油脂类溶液介质的腐蚀。

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等。

2.半金属垫片（又称金属复合垫片）

非金属材料具有很好的柔软性、压缩性和螺栓载荷低等优点，但它也有强度不高，回弹性差，不适合高压、高温场合等缺点，所以结合金属材料强度高，回弹性好，经受的起高温的特点，产生了将两者结合结构的垫片，即为半金属垫片。

半金属垫片是用不同材料的金属薄板把非金属材料包裹起来压制成形的。金属材料在外层，可耐高温，非金属材料在内层，使垫片具有良好的弹性和回弹性。这样组后后的垫片可满足高温和较高压力的使用要求。

半金属垫片主要有金属包覆垫片、金属缠绕垫片、金属波纹复合垫片、金属齿形复合垫片等。

金属包垫以非金属为芯材，外包厚度为0.25～0.50mm的金属薄板。按包覆状态，可分为全包覆、半包覆、波形包覆、双层包覆等。金属薄板根据材料的弹塑性、耐热性、耐蚀性选取。主要有铜、镀锌铁皮、不锈钢、钛、蒙乃尔合金等，使用最多的是铜、镀锌铁皮和不锈钢。最为金属包垫的芯材，耐热性是主要考核指标。一般采用石棉板和低橡胶石棉板、耐高温性能好的碳纤维或瓷质纤维及柔性石墨板材等。金属包垫的另一特点是能制成各式异性垫片。可以满足各种热交换器管箱和非圆形压力容器密封的需要，而其他复合垫片却不能。

金属缠绕垫片是由薄金属波形带与石棉或柔性石墨等非金属带交替绕成螺旋状，将金属带的始末端焊接制成。国外也称作螺旋垫片。

3.金属垫片

在高温高压及载荷频繁变换等苛刻操作条件下，各种金属材料扔是密封垫片的首选，常用的材料有铜、铝、低碳钢、不锈钢、铬镍合金刚、钛、蒙乃尔合金等。为了减少螺栓载荷和保证结构紧凑，一般金属平垫尽量采用窄宽度，各种具有线接触特征的环垫结构更有其优选的形式。

金属垫片的截面形状有平形、波形、齿形、八角形、透镜形等等。

平形金属垫片使用时分宽垫片和窄垫片两种。宽垫片因预紧力要求大，易引起螺栓和法兰变形，压力超过1.96MPa时在光滑面上的法兰很少使用。窄垫片容易预紧，可在压力6.27～9.8MPa的管道上使用。

波形金属垫片的金属板厚度一般为0.25～0.80mm。垫片厚度一般为波形的40%～50%。适宜于光滑密封面，压力小于3.43MPa的管道上使用。

齿形金属垫多用于6.27～9.8MPa的管道上。齿顶距约1.5mm，齿顶。齿根角均为90°。其密封性能比平形密封垫好，压紧力也比平形垫小。

4.高压设备的密封

高压设备密封在工业中应用较广，其结构比较复杂，制造要求也高，与中、低压设备和管道密封相比，有以下几个特点：

1）为使垫片达到足够的预紧密封比压和操作密封比压，以保证密封性能而又不至于将垫片压溃，一般常采用金属垫片，且垫片与密封面的接触面甚窄，有时近乎线接触。

2）为减小包括主螺栓在内的密封件尺寸，密封面的直径应尽可能的小，密封面应尽量靠近筒近内壁处，且往往采用筒体端部法兰，并配以双头螺柱结构，以尽可能地减小端部法兰的直径。

3）为达到预期的密封性能，较多的采用自紧式或半自紧式密封结构，即尽量利用操作压力对密封构成操作密封比压。

4）因高压设备的高压空间十分宝贵，所以密封结构应尽量少占用高压空间。

根据密封作用力的不同，高压密封可以分为强制式密封、半自紧式密封和自紧式密封三种结构。

强制式密封是依靠螺栓的拉紧力来保证顶盖、密封元件和筒体端部法兰之间具有一定的接触压力（或密封比压）来达到密封的。这种密封要求有大的螺栓力，以保证工作状态下垫片与顶盖、筒体端部之间有可靠的密封性能。

半自紧式密封利用螺栓预紧力使密封元件产生弹性变形并提供建立初始密封的比压力，当压力升高时，密封面的接触应力也随之上升，从而保证密封性能。

自紧式密封是通过自身的结构特点，使垫片、顶盖与筒体端部之间的接触应力随工作压力升高而增大，并且高压下的密封性能更好。这种密封可不用大直径的螺栓，建立初始密封所需的螺栓力比强制式密封时的螺栓力要小的多。

随着工业生产向高压和大型化方向发展，所用容器直径的增大，强制式密封和半自紧式密封将逐渐被自紧式密封所代替。

在设计或选用高压密封时应根据下列原则：①工作可靠，在正常操作或压力、温度有波动时，仍能保证容器的密封性能。②结构简单，装拆和维修方便。③结构紧凑，密封构件少。④加工制造方便，不要求有过高的精度和过低的表面粗糙度值。⑤所用紧固件应简单轻巧。⑥密封元件应耐腐蚀，并能多次重复使用。⑦造价低廉。

（未完，待续）

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