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密封垫片基础知识
浏览次数:1180次   更新时间:2014-09-23 10:39:43

一、垫片的种类

垫片的种类繁多,按其材料和结构大致可分为三大类。

1.非金属垫片

有橡胶、石棉橡胶板、柔性石墨、聚四氟乙烯等,截面形状皆为矩形;

2.金属复合型垫片

有各种金属包垫、金属缠绕垫;

3.金属垫片

有金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫、三角垫、双锥环、C形环、中空O形环等。

按照密封分类的原则,上述垫片中的***、第二和第三类的金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫属于强制型密封,而其余则为半自紧或自紧式密封。

二、垫片的性能和构造

各种垫片的性能和构造分别介绍如下:

1.非金属垫片

1)橡胶板   用于密封的橡胶品种较多,一般有天然橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、异丁橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶。

制作垫片的橡胶板材用量较大的有天然橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶三种。近几年,氟橡胶等特种橡胶也逐步推广使用。

有关橡胶板材的数据,详见工业橡胶板标准GB5574-85

2)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。根据其配方、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。

制造石棉橡胶板的石棉材料有温石棉、蓝石棉(青石棉)两种。温石棉属于蛇纹石类石棉,其主要成分是含有约13%结晶水的镁硅酸盐,它耐热、耐碱性好,抗拉强度高,耐酸性能较差,大多数石棉橡胶板都由它制作。蓝石棉属于角闪石类石棉,主要成分是含有2.53.5%结晶水的硅酸盐,氧化镁成分极微,氧化铁约占1824%。蓝石棉不仅耐热性能好,而且耐酸性能也好,故多被用于制造耐酸石棉橡胶板。

石棉纤维的质量对石棉橡胶板的性能影响较大,故要求石棉纤维抗拉强度高,耐热性能好,有一定的长度,纤维易挠曲,有弹性。一般高压石棉橡胶板和400号耐油石棉橡胶板都采用23级石棉纤维。

因为石棉属疏松性材料,压制成板材后内部尚有大量孔隙,须加入一定量的橡胶(作为粘结剂)和各种填充剂制成石棉橡胶板。加入的粘结剂和填充剂可以填塞空隙,防止渗漏。一般,石棉纤维占60~85%

例如,高压石棉橡胶板XB450其配方如下:

 

其余为硫化剂和填充剂。

400号耐油石棉橡胶板配方如下:

石棉纤维     68%;丁腈橡胶(内含36~40%丙烯腈)17%;碳酸钙8.2%;酚醛树脂1.5~2%;其余为硫化剂及各种填充剂。

石棉橡胶板有适宜、弹性、柔软性、耐热及耐介质性,用它制作垫片,既方便又便宜,因此在化工企业中,尤其是中、小型化工厂得到广泛应用。有关标准见表2-1.

随着石油化学工业的迅速发展,石棉橡胶板相继出现了一些新产品。例如,由石棉橡胶板和一层或多层镀锌钢丝或不锈钢丝网组成的增强石棉橡胶板以及在石棉中加入氟橡胶制成的耐酸耐油石棉橡胶板。

3)柔性石墨板材及带材     柔性石墨是一种新颖的密封材料,具有良好的回弹性、柔软性、耐介质性、耐温性,在化工企业中迅速得到推广应用。其板材和带材的性能见第十四章。

4)聚四氟乙烯    聚四氟乙烯是合成树脂材料中的佼佼者。优良的耐腐蚀性能使他在绝大部分强腐蚀介质中可作为密封垫片,对于不允许物料有污染的医药、食品等行业尤为合适,是塑料中使用温度***高者。但是聚四氟乙烯材料受压后易冷流,受热后易蠕变,影响密封性能。通常加入部分玻璃纤维、石墨、二硫化钼,以提高抗蠕变和导热性能。

聚四氟乙烯垫片通常是由板材裁制的。它还可与石棉橡胶板、石棉板制成聚四氟乙烯包垫。其结构见图2-3

                               

2-3a)为Y型断面的包垫,它是用筒料车削成0.8~1mm厚的环状薄片,从外侧厚度的中心切开,在切口中放入芯材。切口开至距内孔处约为1.5~2mm。图(b)为型断面包垫,内径可与法兰内径一致,以防止流体在法兰处产生涡流。由于芯材放入后空隙比Y型小,故内部空气膨胀量也小,密封性能好。图(c)为厚0.4~0.8mm的带状聚四氟乙烯薄膜,将它两端热合后抱在环状的芯材外面呈U状,制造简便,适用于直径较大的设备。

70年代起,国外出现了一种GORE-TEX聚四氟乙烯接口密封带,它是将聚四氟乙烯扩张成一种强韧、多孔的材料,及GORE-TEX膨体聚四氟乙烯。该材料保持了聚四氟乙烯原有的各种性能,截面为扁平状,比聚四氟乙烯塑料更为柔软,压缩性能好。在一些法兰表面质量不高或玻搪类设备上使用,比一般的密封材料更为合适。此外,该密封带以各种宽度的盘形包装供货,可根据设备的具体情况,现场截取所需长度。安装时,接口交叉安放并留出一定长度,便可压紧。据介绍,GORE-TEX接口密封带使用范围如下:压力至20MPa,温度-260~315

聚四氟乙烯的物理、化学性能和机械性能见第十四章。

5)其它    为了解决化工生产中的密封问题,国内还试制出一些石棉类垫片。现举几例介绍如下:

    石棉树脂板垫片    采用蓝石棉和聚氯乙烯树脂等原料制成的一种软质板状材料裁成的耐酸垫片,强度较高,耐压性能好,价格较为便宜。试样在65%硝酸中煮沸1小时,重量损失为7.28%

     石棉浸渍垫片        采用耐酸的蓝石棉板冲制成型并经浸渍耐酸涂料而成的一种定型耐酸密封垫片。

上两种垫片在硝酸、硫酸作浸泡、煮沸试验后,其失重和增重百分比均大大低于耐酸石棉橡胶板。

     石棉编织垫片        将石棉绳编织成扁平状,然后将两头用石棉绳缝接而成的垫片。根据使用温度的高低,石棉用料有所不同。目前,国内采用60~70%蓝石棉与一级温石棉混制的石棉编织垫片,可使用至800℃。

2、金属复合型垫片

非金属垫片(除柔性石墨外)的耐高温、高压性能均不如金属材料。因此,为了解决高温、高压设备的密封,设计了金属复合型垫片。

                        

1)金属包垫       该垫片以非金属材料为芯材,外包厚度为0.25~0.5mm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。见图2-4

金属薄板根据材料的弹塑性、耐热性和耐蚀性选择选取。主要有铜镀锌铁皮、不锈钢、钛、蒙乃尔合金等。使用较多的为铜、镀锌铁皮和不锈钢。

作为金属包垫的中芯材料,耐热性是主要考核指标。一般采用石棉板或低橡胶用量的石棉橡胶板、耐高温性能好的碳纤维或瓷质纤维(一般指碳化硅纤维、氮化硅、氮化硼纤维)及柔性石墨板材等。

金属包垫的另一特点是能制成各式异形垫片。例如椭圆形、方形、带叉形或更复杂的形状,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,而其它复合型垫片却不能。

目前,炼油行业使用全包覆型包垫较多,其标准有JB1163-82.

2)金属带缠绕式垫片      缠绕垫片是由薄的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,将金属带的始末端点焊二制成。国外亦称作螺旋垫片。

                        

缠绕垫有四种类型,见图2-5.2-5a)为基本型;图2-5b)为带内环的;图2-5c)为带外环的;图2-5d)为带内、外环的。钢带剖面形状也有两种:W形和V形。W形钢带回弹性能优于V形,但加工困难,故国内目前绝大部分使用V形。其剖面图见2-6

                            

钢带材料一般有低碳钢、不锈钢、钛、蒙乃尔合金等,厚度为0.15~0.2mm。国内大都采用低碳钢、1Cr18Ni9Ti不锈钢。非金属带材中,曾以石棉带为主,近年来,柔性石墨材料得到迅速发展,大有取代石棉缠绕垫之势。此外,国外还出现了聚四氟乙烯带、陶瓷纤维纸、碳纤维纸缠绕垫片。缠绕垫的标准有JB1162-82.

加内、外环对增进缠绕垫的密封性能有一定作用。由于金属带的断面形状使缠绕垫获得一定弹性,再加上内、外环,则当基本型垫片受压时,外环和内环分别处于受拉和受压状态;当基本型垫片载荷下降时,内、外环储藏的能量释放,提高了垫片的回弹力。与其它类型垫片相比,增强了对压力和温度变化的适应能力,二次紧固的必要性也大大减少。

另外,加内环可阻止由于过度紧固造成的垫片压损,减小法兰之间的间隙,防止因流体涡流对垫片的侵蚀;加外环有利于安装时垫片的定位。

3、金属垫片

强制型密封常用的金属垫片有金属平垫、波形垫、齿形垫、环形垫(包括八角垫、椭圆垫两种)。这些垫片制造比较复杂,特别对于直径大的垫片(如环形垫),需经卷制、焊接、探伤、车削多道工艺,精度和表面粗糙度要求相对高一些,故成本也高,一般用于高温、高压和非金属垫以及金属包垫所不能胜任的苛刻条件下。

金属垫片根据介质的温度和物性,通常选用铝、铜、软钢、纯铁、不锈钢、钛、蒙乃尔合金等材料。例如,合成氨装置中常用铝和软钢,而尿素装置中则多用1Cr18Ni9Ti0Cr18Ni12Mo2Ti;高温时可采用1Cr18Ni9Ti、蒙乃尔合金,低温中0Cr18Ni9较为合适。

三、垫片的选择

1、选择时的注意事项

正确选用密封垫片是保证设备无泄漏之关键。对于同一种工况,一般有若干种垫片可供选择。必须根据介质的物性、压力、温度和设备大小、操作条件、连续运转周期长短等情况,合理地选择垫片,扬长避短,充分发挥各种垫片的特点。

选择垫片时,应充分考虑下列因素:

1)有良好的弹性和恢复性,能适应压力变化和温度波动;

2)有适当的柔软性,能与接触面很好地贴合;

3)不污染工艺介质;

4)有足够的韧性而不因压力和紧固力造成破环;

5)低温时不硬化,收缩量小;

6)加工性能好,安装、压紧方便;

7)不粘结密封面、拆卸容易;

8)价格便宜,使用寿命长。

在垫片的使用中,压力和温度二者是相互制约的,随着温度的升高,在设备运转一段时间后,垫片材料发生软化、蠕变、应力松弛现象,机械强度也会下降,密封的压力降低。反之亦然。例如,手册上列举高压石棉橡胶板XB450在水、蒸汽介质中,使用温度450℃、压力<6MPa(该材料作密封性能试验时,在440~45012MPa的蒸汽中保压30分钟)。但在长期实际使用中,温度若达到450℃,所能密封的压力仅0.3~0.4MPa。对于渗透性强的气体介质则仅有0.1~0.2MPa

上述情况,在选用时应予以充分考虑。

2、国产垫片的选用

1)工业橡胶板      天然橡胶适用于水、海水、空气、惰性气体、碱类、盐类水溶液等介质,但不耐矿物油和非极性溶剂,长期使用温度不超过90℃,低温性能优异,可在-60℃以上使用。

丁腈橡胶适用于石油类产品,如石油、润滑油、燃料油等,长期使用温度为120℃,如在热油中可耐150℃,低温为-10~-20

氯丁橡胶适用于海水、弱酸、弱碱、盐溶液,耐氧和臭氧老化性能优异,耐油性次于丁腈橡胶而优于其他通用橡胶,长期使用温度低于90℃,***高使用温度不超过130℃,低温为-30~-50

氟橡胶有多个品种,它们分别具有良好的耐酸、耐氧化性能以及耐油、耐溶剂性能。可以在几乎所有的酸类介质以及一些油和溶剂中使用,长期使用温度低于200℃。

橡胶板材作为法兰垫片,多用于管道或经常拆卸的人孔、手孔,压力不超过1.568MPa。因在各类垫片中,橡胶垫片***软,贴合性能好,在较小的预紧力下就能发挥密封效果。正因如此,在承受内压时,因垫片偏厚或硬度偏低而容易被挤出。

橡胶板材在苯、酮、醚等有机溶剂中使用,易出现溶胀、增重、变软、发粘现象,导致密封失效。一般溶胀度超过30%就不能使用。

在低压(尤其是0.6MPa以下)、真空情况下,采用橡胶垫较为适宜。橡胶材料致密性好,透气率低。例如氟橡胶,***适宜作真空容器的密封垫片,真空度***高可达1.3×10-7Pa。橡胶垫在10-1~10-7Pa真空度范围使用时,需经烘焙和抽气处理。

石棉橡胶板价格较其它垫片低,使用方便;***大问题是:垫片材料虽然加入了橡胶和一些填充剂,仍无法将那些串通的微小孔隙完全填满,存在微量渗透。故在污染性极强的介质中,即使压力、温度不高也不能使用。当用于一些高温油类介质时,通常在使用后期,由于橡胶和填充剂碳化,强度降低,材质变疏松,便在界面和垫片内部产生渗透,出现结焦和发烟现象。另外,石棉橡胶板在高温下易粘结在法兰密封面上,给更换垫片带来了许多麻烦。

      

在受热状态下,垫片在各种介质中的使用压力取决于垫片材料的强度保持率。石棉纤维材料中存在着结晶水和吸附水。110℃时,纤维之间的吸附水已有2/3析出,纤维的抗拉强度约降低10%368℃时,吸附水全部析出,纤维的抗拉强度约降低20%;超过500℃,结晶水开始析出,强度则更低。介质对石棉橡胶板的强度影响也很大。例如,在航空润滑油和航空燃油中,400号耐油石棉橡胶板横向抗拉强度相差80%,这是由于航空燃油对板材中橡胶的溶胀比航空润滑油严重之故。考虑到上述因素,国产石棉橡胶板XB450的推荐安全使用范围:温度250~300,压力3~3.5MPa400号耐油石棉橡胶板使用温度不宜超过350℃。

石棉橡胶板含有氯离子和硫化物,吸水后容易与金属法兰形成腐蚀原电池,尤其是耐油石棉橡胶板中硫磺含量高出普通石棉橡胶板好几倍,故在非油性介质中不宜使用。垫片在油品和溶剂类介质中会发生溶胀现象,但在一定范围内,对密封性能基本没有什么影响。例如,400号耐油石棉橡胶板在常温航空燃油中作24小时浸泡试验,要求因吸油重量增加不得超过15%

国产石棉橡胶板与国外名牌产品相比尚有一定差距。某单位的统计数字表明,在超过350℃的油介质中,凡使用石棉橡胶板不漏的大多为进口产品。图2-7是日本石油工业标准JPI-7S-71《石油工业用石棉橡胶板使用标准》,使用期限约为一年。图2-7a)为该材料标准的A种,国产垫片中XB350NY300的抗拉强度和使用温度与它接近。图2-7b)为该材料标准的B种,国产垫片XB450400号耐油石棉橡胶板的抗拉强度和使用温度超过或接近它。故图2-7对国产石棉橡胶板的使用有一定的参考价值。

            

3)聚四氟乙烯     聚四氟乙烯在受压及高温下易冷流及蠕变,故一般用于低压、中温、强腐蚀以及不允许污染的介质,如强酸、强碱、卤素、药品等。安全使用温度在150℃,压力1MPa以下。填充聚四氟乙烯虽然强度高些,但使用温度也不超过200℃,且耐腐蚀能力下降。聚四氟乙烯包垫***高使用压力一般不超过2MPa。图2-8表示某一试验中,聚四氟乙烯垫片以及包垫的使用曲线。

2-8a)可见,由于温度升高,材料发生蠕变,致使密封压力明显下降。即使不升温,随着时间的延长,密封面的压紧应力也会下降,产生应力松弛现象(见图2-8b))。该现象在各种垫片中都会产生,只是聚四氟乙烯垫的应力松弛现象较为严重,应予注意。

        

聚四氟乙烯的摩擦系数较小(压紧应力大于4MPa,摩擦系数为0.035~0.04),预紧时垫片易向外滑移,所以***好采用凹凸式法兰面。当采用平面法兰时,可将垫片外径接触螺栓,利用螺栓阻止垫片外滑。图2-3a)、图2-3b)两种聚四氟乙烯包垫使用直径不大于300mm,图2-3c)则可用在直径300mm以上的设备、特别是搪玻璃设备及管道。由于搪玻璃设备是在金属表面喷涂了一层瓷釉后烧结而成的,釉层很脆,加之喷涂不均匀和釉层流动,法兰表面平面度较差。采用金属复合型垫片易损坏釉层,所以推荐使用芯材由石棉板加橡胶的聚四氟乙烯包垫。这种包垫既容易与法兰面贴合又耐腐蚀,使用效果良好。

有许多厂在温度、压力不高的强腐蚀介质中,采用石棉橡胶板外缠聚四氟乙烯生料带,用于经常拆卸的人孔、管道上。由于制作、使用方便,颇受欢迎。

4)其它      石棉树脂板和浸渍石棉板垫片多用于各种酸性介质的管道、泵、阀、进出口法兰,其使用温度在80℃、压力在0.6MPa以下。

石棉编制垫片适用于压力0.1MPa以下,温度不超过800℃的低压、高温工况。并可根据设备的具体要求,编织成不通宽度、厚度、直径的垫片。或将石棉带剪下后直接敷在法兰表面。它用于大型硫酸、硝酸氧化炉以及一些未经加工的设备接口处,效果远远超过原来的石棉绳。

5)金属包石棉垫      由金属薄板包覆石棉板或石棉橡胶板,使其不与介质直接接触,避免了石棉纤维强度下降,客服了渗漏现象,从而扩大了石棉橡胶板的使用范围。一般金属包石棉垫使用温度为450℃(个别也有达600~700,如在常压~0.16MPa的烟道气中),使用压力为4MPa,***高可达6MPa。如压力再增高,垫片易产生横流现象,芯材从搭接处挤出。

由于金属包石棉垫需要较大的螺栓拧紧力,即使当使用压力低于2.45MPa,也不能采用pg25公斤级以下的法兰。否则,法兰、螺栓的刚度就显得不够,产生变形而导致密封失效。有人认为,若将芯材改为弹性较好的合成橡胶,其紧固力就会下降。其实不然,因为芯材改软后,紧固力被芯材吸收,不能提供金属板在法兰面上贴合所需的紧固力,包垫反容易被极坏。另外,在含氯离子较多的介质以及酸性介质中,不锈钢包垫及铁皮包垫的搭接处易产生缝隙腐蚀。

温度高于450℃,芯材可使用陶瓷纤维或碳纤维。某钢铁厂采用金属包陶瓷纤维垫片用于1100℃的高温,使用二年尚未损坏。柔性石墨作芯材是***合适的。目前,国内已批量生产金属包柔性石墨垫。其使用效果优于金属包石棉垫。

金属包垫能制成各种形状,大量用于各种热交换器、反应器的大盖、装卸孔、人孔法兰等。国内曾制作过直径为2m的铁包垫,使用情况良好。

在金属包垫的表面贴覆一层柔性石墨薄板,这种垫片与表面未包覆的同类金属包垫相比,预紧比压较小,密封性能更佳。图2-9为两者压紧应力与泄漏量的关系曲线。

              

目前国内尚无此产品,故有的单位将现有的柔性石墨皱纹带贴在金属包垫以及金属平垫、齿形垫甚至石棉橡胶垫表面,解决了许多泄漏难题。例如某厂的热交换器,压力为5.88MPa、温度450℃,介质为氢/油气。曾用过金属平垫、齿形垫,均有泄漏。后在平垫上贴了柔性石墨皱纹带,解决了这一问题。应该指出,这种垫片形式是一种解决法兰垫片泄漏的简便措施,贴覆柔性石墨带的工作性质量直接影响设备能否正常运转。若在带材背面涂刷一层胶水,可提高贴覆质量。

                                

6)金属缠绕垫       金属缠绕垫巧妙地利用金属的耐热性、回弹性和强度以及非金属材料的柔软性,所以密封性能较好,其中又以不锈钢带缠绕柔性石墨垫的性能为***佳。其预紧比压较石棉缠绕垫小,不存在石棉纤维毛细孔渗漏的缺点。图2-10为两者预紧比压与泄漏量的关系曲线。

在油介质中,金属带材多使用0Cr13,而其它介质则推荐使用1Cr18Ni9Ti

不锈钢带柔性石墨缠绕垫在气体介质中,使用压力为14.7MPa(国内有高达19.6MPa),在液体中可用至30MPa。温度-190~+600(在无氧、低压情况下可用至1000℃)。

聚四氟乙烯的耐低温性能良好,它在低温下的屈服强度大大高于常温时的强度。所以聚四氟乙烯缠绕垫可用于低温介质,如液态烃等。同时,因加入金属带提高了导热性,聚四氟乙烯缠绕垫使用温度可达250℃,在酸性介质中可用至9MPa200℃。

缠绕垫用于压力和温度波动较大的换热器、反应器、管道、阀门、泵进出口法兰较为合适。对于中等以上压力、温度超过300℃者,应考虑使用带内环、外环或内外环。若使用凹凸面法兰,配带内环的缠绕垫效果更好些。

在柔性石墨缠绕垫两面贴覆柔性石墨板也能取得好的密封效果。某大型化肥厂废热锅炉属高温高压关键设备,用带外环的柔性石墨缠绕垫,满负荷时不漏,减负荷时则漏。在垫片两面增加了0.5mm厚的柔性石墨板,剪成圆弧状,接头部分采用斜口搭接,使用情况良好。

7)金属平垫、波形垫和齿形垫        金属平垫和金属波形垫一般用于中、高压阀门、管道和直径较小的设备法兰上。使用压力则根据温度的不同,前者为1.568~31.36MPa,后者为1.568~3.92MPa。垫片材质根据介质和温度选取。

8)八角垫和椭圆垫       用于梯形槽面法兰的八角垫和椭圆垫(炼油行业俗称土钢圈)密封性能均好。在沟槽的锥面上,八角垫为面接触而椭圆垫是线接触。因此,椭圆垫在低紧固力下贴合性好,但需进行二次紧固;而八角垫一般一次紧固后,不易出现泄漏。它们的不足之处为要求较大的螺栓拧紧力,当用于低压高温情况时,法兰等级须在pg25公斤级以上。

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