现代密封技术应用——使用、维修方法与案例（三）

现代密封技术应用

——使用、维修方法与案例（三）

第二章   垫片密封的使用维修

垫片密封是工业装置中压力容器、工业设备、动力及其和连接管道等可拆连接处最主要的静密封形式。它们所处的工况条件十分复杂，包含的流体介质范围相当广泛，防止液体或气体通过这些连接处泄漏出来，是工厂要面对的最重要也是最困难的任务。虽然法兰连接接头与泵轴、阀杆、搅拌器等密封相比，其泄漏量不及它们大，但法兰连接接头的数量比他们多的多，因此法兰连接接头成为工作过程中泄漏的主要来源。泄漏带来的环境污染、产品损失，使垫片密封的重要性不言而喻。垫片密封通常采用螺栓法兰连接结构，装配时要将螺栓预紧到足以达到初步密封的要求，此时精确的控制预紧水平是一个十分棘手的问题；同时，这一结构中的垫片更是一个受很多因素影响的密封元件。

2.1 垫片密封概述

垫片的应用范围极其广泛，垫片需要的预紧载荷也各不相同，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。对于特殊要求的垫片密封，没有标准的连接尺寸，如法兰厚度、螺栓尺寸、螺栓间距等，需要考虑专门的设计。

2.1.1垫片密封的原理和结构

1. 垫片密封的原理

垫片是一种夹持在两个独立连接件之间的材料或材料的组合，其作用是在预定的使用寿命内，保持两个连接件间的密封。垫片必须能够密封结合面，使密封介质不渗透和不被密封介质腐蚀，并能经受温度和压力等的作用。

从两连接表面（即密封面）机械加工的微观纹理开看存在表面粗糙度和变形，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，其泄漏量占总泄漏量的80%～90%。

对非金属材质，从材料的微观结构来看，本身存在微小缝隙或细微的毛细管，具有一定压力的流体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%。

当夹紧垫片的总载荷因各种原因减少到几乎等于作用在连接件端部的流体静压力，导致了密封面的分离。对于机械完整性很差的垫片，如果操作期间材料发生劣化，这时若增加密封面的压力，则沿垫片径向作用的流体压力会将其撕裂，引起密封流体的大量泄漏，此被称为吹出泄漏，它属于一种事故性泄漏。

对于渗透泄漏通常可采用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，减少以致消除泄漏；而界面泄漏和事故性泄漏与垫片材料的性质、接头的机械特征、密封面的性质与状态、密封流体的特性以及紧固件夹紧程度有关，它们也是解决垫片密封设计、安装、使用以及失效分析等问题的关键。

垫片密封是靠外力压紧密封垫片，使其本身发生弹性或塑性变形，以填满密封面上的微观凹凸不平来实现密封的。也就是利用密封面上的比使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的介质压力差来实现密封。它包括初始密封和工作密封两部分。

初始密封，即垫片的作用是对两个连接件密封面产生初始装配密封和保持工作密封。理论上如果密封面完全光滑、平行并有足够的刚度，它们可直接用紧固件夹持在一起，不用垫片即可达到密封的目的，即直接接触密封。但在实际生产中，连接件的两个密封面上存在表面粗糙度，也不是绝对平行的，刚度也是有限的，加上紧固件的韧性不同及分散排列，因此垫片接受的载荷是不均匀的，为弥补不均匀的载荷和相应变形，在两连接密封件间插入一垫片，使之适应密封面的不规则性，以达到密封的目的。显然，产生初始密封的基本要求是使垫片压缩，在密封面间产生足够的压紧力，即垫片预紧应力（初始密封比压），以阻止介质通过垫片本身的泄漏，同时垫片压缩后产生弹性或塑性变形，能够填塞密封面的变形及其表面粗糙而出现的微观凹凸不平，以堵塞介质泄漏的通道。

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压紧应力，以维持允许的密封度。因为当接头收到流体压力作用时，密封面将被迫发生分离，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，并且留下足以保持密封所需要的工作垫片应力，这就是工作密封的概念。此外，这一弹性应变能还要补偿装置在长期运行过程中，任何可能发生的垫片应力的松弛。因为各种垫片材料在长期的应力作用下，都会发生不同程度的应力降低。此外，接头不均匀的热变形，例如连接件与紧固件材料的不同，热膨胀系数不同，引起各自的热膨胀量不同，导致垫片应力的降低或升高；或者紧固件因受热引起应力松弛而减少作用在密封垫片上应力等。

任何形式的垫片密封，首先要在连接件的密封面与垫片表面之间产生一种垫片预紧力，其大小与装配垫片时的“预紧压缩量”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。理论上垫片预紧应力愈大，垫片中贮存的弹性应变能也愈大，因而可用于补偿分离或松弛的余地也就愈大，当然要以密封材料本身最大弹性变形能力为极限。实际使用中，垫片预紧应力的合理取值决定与密封材料与结构、密封要求、环境因素、使用寿命及经济性等。

（未完，待续）

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