现代工业密封产品之无石棉橡胶垫

发表时间：2022-10-21 15:55作者：知为材料

石棉纤维橡胶板曾是一种广泛使用的密封材料，但国际上已公认石棉是一种致癌物质。上世纪七十年代，许多国家提出无石棉计划，经过二十多年的努力，美国、日本和澳大利亚等国先后研制成功各种系列无石棉垫片材料，1990年美国环保局EPA颁布政府法规禁止使用石棉材料及其制品，如今世界先进国家已将无石棉材料推广至各应用领域，全面禁用石棉材料。国内外研究机构和企业陆续着手研发非石棉短纤维增强橡胶密封复合材料,并已进入推广使用阶段。非石棉增强纤维已由有机纤维向无机纤维、单一纤维向混杂纤维发展,主要有芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、钛酸钾晶须和硼纤维等,品种日益丰富。

无石棉橡胶垫片一词是对应石棉橡胶垫片而来的。无石棉垫片是用芳纶纤维结合弹性体加NBR或FKM粘剂制成，是无石棉垫片系列中最具代表性的两个型号，也是知为材料的主打密封产品之一。这种产品的设计适用于工业中气体、蒸汽和液体的密封，良好的动态稳定性让它非常适合中等负荷，可适用于船舶、化工、织染、造纸、食品和煤气工业。

知为材料的ZW200/350密封材料按国际公认的此类产品的标准进行测试。

尺寸一般为：1500mm×2000mm, 1500mm×1500mm

厚度一般为：0.5mm,0.8mm,1.0mm,1.5mm,2.0mm,3.0mm,5.0mm

公差：板材尺寸+/-50mm, 厚度+/-10%

实际使用限度取决于温度和压力之间的相互关系、所密封的流体和介质以及法兰等连接因素。安装垫片之前请勿使用任何化合物，否则将影响垫片的使用功效，导致蠕变降低摩擦性能。

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行业研究人员曾对无石棉橡胶垫片进行多因素条件下进行密封性能测试：研究主要集中在不同垫片厚度和预紧力下的泄漏率测试,很少见到综合考虑密封介质压力、垫片尺寸效应和预紧力等多因素的研究。研究人员以无石棉橡胶垫片为对象,研究预紧应力、介质压力和垫片尺寸效应等多种因素对泄漏率的影响。

试验所用的无石棉橡胶垫片在材料选用和加工技术方面严格按照化工行业标准HG/T 20610-2009。以3组不同尺寸垫片为试验对象,每组5个,共15个垫片试样。

试验在自制的泄漏率测试平台上进行,该试验平台主要由垫片加载系统、介质供给系统、测漏系统和试验法兰等组成。加载系统为液压万能试验机(WEW-1000D),其最大试验载荷为1 000 kN,加载、卸载速度在0.01～500 mm/min之间。试验介质为99.99%高纯氮气,试验测漏系统部分如图2所示,泄漏率测试精度为1×10-5 cm3/s,最大可测垫片外径为250 mm。

图2 测试平台中的测漏系统

试验依照标准GB/T 12385-2008《管法兰用垫片密封性能试验方法》进行。无石棉橡胶垫片的标准预紧应力为35 MPa,最大允许介质压力为4.0 MPa。试验选取的预紧应力范围为35～50 MPa,介质压力范围为0.5～3.0 MPa。试验中的加载速度为0.2 MPa/s,当预紧应力加载至设定值后,保持15 min,随后通入氮气,保持10 min后开始测试泄漏率,每个工况条件下测试3组数据取平均值。

试验施加的介质压力分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa 6个等级。

图3示出了DN50型无石棉橡胶垫片在预紧应力分别为35、40、45、50 MPa时的泄漏率曲线。可知,当介质压力相同时,垫片的泄漏率随着预紧应力的增大而减小;当预紧应力一定时,垫片的泄漏率随着介质压力的增大而增大。在选定工况下,泄漏率范围为0.048～1.33×10-3 cm3/s,泄漏率波动较大。

图3 非石棉橡胶垫片DN50泄漏曲线

图4示出了DN80型非石棉橡胶垫片在预紧应力分别为35、37.5、40、42.5、45 MPa 时的泄漏率曲线,其泄漏率曲线变化规律与DN50型垫片大致相同,泄漏率值与DN50型相比有所降低。例如,在预紧应力40 MPa、介质压力0.5 MPa的工况下,DN50型垫片的泄漏率为2.54×10-3 cm3/s,DN80型垫片的泄漏率为1.40×10-3 cm3/s,泄漏率降低了44.9%。当预紧应力为45 MPa,介质压力为0.5 MPa时,DN80型垫片的泄漏率为5.50×10-4 cm3/s,密封效果良好。

图4 非石棉橡胶垫片DN80泄漏曲线

图5示出了DN80型无石棉橡胶垫片在预紧应力分别为35、37.5、40、42.5、45 MPa时的泄漏率曲线。该型垫片泄漏率变化规律与DN50型和DN80型垫片相似,但相同工况下的泄漏率值有所降低。例如,在预紧应力40 MPa、介质压力0.5 MPa的工况下,DN125型垫片的泄漏率为9.76×10-4 cm3/s,相较于DN50型垫片泄漏率降低了61.6%。当预紧应力为45 MPa,介质压力为0.5 MPa时,DN80型垫片泄漏率达到3.356×10-4 cm3/s,密封效果良好。

图5 非石棉橡胶垫片DN125泄漏曲线

综上可知,在相同的预紧应力和介质压力下,无石棉橡胶垫片尺寸越大,泄漏率越小。其主要原因是,随着垫片尺寸的增加,有效密封面宽度增加,泄漏率随之降低。

（1)以3种不同尺寸的无石棉橡胶垫片(DN50、DN80和DN125)为研究对象,对不同预紧应力和介质压力下的垫片进行试验,获得了泄漏率随工况条件和垫片尺寸的变化规律。

(2)当介质压力相同时,预紧应力越大,垫片泄漏率越小;当预紧应力相同时,介质压力越大,垫片泄漏率越大;当预紧应力和介质压力相同时,垫片尺寸越大,泄漏率越小。

(3)采用改进后的多孔介质泄漏模型对试验数据进行了拟合,结果表明,改进后泄漏模型的预测值与试验结果更为接近,相关系数为0.94,可有效预测无石棉橡胶垫片的泄漏率。

以上内容希望对工厂的技术工作人员有所帮助。

无石棉橡胶垫常用上海知为材料科技有限公司推荐产品。

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