機械設(shè)計必備知識點 —— 密封墊片如何選型

在石油、石化、化工等行業(yè)的生產(chǎn)、加工、儲運乃至銷售環(huán)節(jié)，常常伴隨著易燃、易爆、高溫、高壓、有毒有害和腐蝕等危險因素，機器及設(shè)備在使用中工作介質(zhì)的“跑、冒、滴、漏”，給生產(chǎn)帶來極大的危害。設(shè)備中工作介質(zhì)的泄漏，會造成浪費并污染環(huán)境。

墊片密封是過程工業(yè)裝置中壓力容器、過程設(shè)備、動力機器和連接管道等可拆連接處最主要的靜密封型式。它們所包含的流體介質(zhì)范圍相當(dāng)廣泛，防止液體或氣體通過這些接頭處泄漏出來是工廠面臨的最重要，也是最困難的任務(wù)。

隨著生產(chǎn)裝置的大型化，生產(chǎn)工藝向高溫、高壓、高速的方向發(fā)展，出現(xiàn)泄漏的機會越來越多，發(fā)生事故的概率越來越大，造成的經(jīng)濟損失也越來越大。往往一處法蘭的泄漏就有可能導(dǎo)致一套裝置乃至全廠停產(chǎn)，還極有可能會引起火災(zāi)、爆炸，造成人員傷亡等重大事故，發(fā)生泄漏帶來環(huán)境污染、產(chǎn)品損失甚至事故，墊片密封的重要性也就不言而喻了。因此，墊片的選用、設(shè)計、制造所存在的問題已逐步引起人們的高度重視。

那么，究竟應(yīng)該如何選擇合適的墊片呢？

墊片與墊片密封

墊片是一種夾持在兩個獨立的連接件（主要是指法蘭）之間的材料或材料的組合，其作用是在預(yù)定的使用壽命內(nèi)，保持兩個連接件間的密封。

墊片必須能夠密封結(jié)合面，并確保密封介質(zhì)不滲透和不被腐蝕，能夠承受得住溫度和壓力的作用。墊片密封一般有連接件（如法蘭）、墊片和緊固件（如螺栓、螺母）等組成（見圖1），因此決定某個法蘭密封性時，必須將整個法蘭連接結(jié)構(gòu)作為一個系統(tǒng)進行考慮。墊片工作正常或失效與否，除了取決于設(shè)計選用墊片本身的性能外，還取決于系統(tǒng)的剛度和變形、結(jié)合面的粗糙度和平行度以及緊固載荷的大小和均勻性。

圖1-墊片密封的法蘭連接結(jié)構(gòu)

墊片選型五要素

了解了墊片密封的結(jié)構(gòu)，我們就可以從溫度、應(yīng)用、介質(zhì)、壓力和尺寸(TAMPS）五個方面來考慮選擇一個合適的墊片。

溫度

所選用的墊片應(yīng)該在最高或最低的工作溫度下有合理的使用壽命，不同的墊片材料的最高工作溫度差異很大。

圖2 常用非金屬材料的最高工作溫度

除了短期能耐受的最高和最低工作溫度外，還應(yīng)考慮其允許的連續(xù)工作溫度。墊片材料應(yīng)能夠抗蠕變，以降低墊片的應(yīng)力松弛，這樣才能保證墊片在工作條件下密封，大多數(shù)墊片材料隨著溫度的升高，蠕變會變得嚴(yán)重，因此，墊片質(zhì)量優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)就是墊片在一定溫度下的蠕變松弛性能。

圖3 不同的改性PTFE和傳統(tǒng)純PTFE的蠕變測試對比

應(yīng)用

主要是指墊片所處的連接系統(tǒng)的信息，需要根據(jù)法蘭的材質(zhì)，法蘭的密封面型式，法蘭的粗糙度以及螺栓信息等來選擇合適的墊片材質(zhì)和型式。

非金屬類法蘭就必須選擇預(yù)緊力要求比較小的墊片，否則很可能會有在法蘭上緊過程中，墊片還沒有壓緊而法蘭已經(jīng)壓碎的情況出現(xiàn)（如圖4）。

圖4 非金屬法蘭被壓碎

對于不同的法蘭密封面型式，與之相對應(yīng)的墊片型式也是不一樣的，例如突面法蘭（RF）對應(yīng)的纏繞墊片型式就是帶內(nèi)外環(huán)型纏繞墊片，榫槽面（TG）法蘭對應(yīng)的纏繞墊片型式就是基本型纏繞墊片，凹凸面（MFM）法蘭對應(yīng)的纏繞墊片型式就是只帶內(nèi)環(huán)的纏繞墊片（如圖5）。

圖5不同的法蘭密封面型式對應(yīng)不同型式的纏繞墊片

不同的墊片對于法蘭粗糙度要求也是不一樣的，具體可以參考圖6。

圖6不同墊片推薦的法蘭表面粗糙度

介質(zhì)

墊片應(yīng)在全程工作條件下不受密封介質(zhì)的影響，包括抗高溫氧化性、抗化學(xué)腐蝕性、抗溶劑性、抗?jié)B透性等，顯然墊片材料對介質(zhì)的耐化學(xué)腐蝕性是選擇墊片的首要條件。對于非金屬墊片或者復(fù)合墊片中的非金屬材料來說，材料的耐化學(xué)腐蝕性能可以參考墊片廠家提供的非金屬材料抗化學(xué)品性能表。對于墊片中跟介質(zhì)直接接觸的金屬材料，應(yīng)和法蘭材料一樣或有更高的耐腐蝕性能。

壓力

墊片必須能夠承受最大壓力，這種最大壓力或許是試驗壓力，它可能是正常工作壓力的1.25-1.5倍。對于非金屬材料的墊片，其最大壓力還會與最高工作溫度有關(guān)系，通常最高溫度乘以最高壓力的值（即PxT值）有一極限值，所以在選擇其最大工作壓力時，還要考慮墊片能承受的最大PxT值。下圖為GARLOCK常見壓制墊片的PxT值圖，不同型式的墊片所能夠承受的壓力也是不一樣的。

圖7GARLOCK常見壓制墊片的P╳T值圖

圖8為各種型式的墊片所適用的法蘭壓力等級

尺寸

在滿足法蘭粗糙度和不平度條件時，盡可能的選擇薄的墊片。墊片的厚度與其型式、材料、直徑、密封面的加工狀況和密封介質(zhì)等相關(guān)。對于大多數(shù)非金屬板材墊片而言，薄的墊片抵抗應(yīng)力松弛的能力也比較大。因薄的墊片其內(nèi)側(cè)跟介質(zhì)接觸的面積也小，所以沿墊片本體滲漏也隨之減少，并且此情況下墊片所承受的吹出力也小，墊片也就不容易被吹出，圖9形象的展示了薄墊片的抗吹出能力要比厚墊片強。當(dāng)然也可以參考墊片標(biāo)準(zhǔn)選擇墊片厚度以及其它尺寸。

圖9 同樣工況下不同厚度墊片的徑向受力示意圖

此外，由于墊片通常采用螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)，因此裝配時需要將螺栓預(yù)緊到足以達到密封的要求，另外，這一結(jié)構(gòu)中的墊片更是一個受很多因素影響的密封元件，因而如何控制預(yù)緊力是一個十分棘手的問題。各種墊片需要的壓緊載荷也各不相同，對于特殊要求的墊片密封，它們沒有標(biāo)準(zhǔn)的連接尺寸，如法蘭厚度、螺栓尺寸、螺栓間距等，這就需要考慮專門設(shè)計。