墊片密封技術最新進展綜述摘要：對墊片密封技術的基本分類進行介紹并對不同墊片密封材料、國內外密封結構、技術進行比較，展現當前最新墊片密封技術的發展趨勢及前景。關鍵詞：靜密封、墊片、法蘭、壓力容器。0.前言：現代工業對密封的可靠性提出了越來越高的要求，密封失效不僅會造成巨大的經濟損失，而且會污染環境，甚至釀成重大人員傷亡事故。據統計，靜密封故障處理中，調整和更換墊片占49．2％，調整緊固螺栓占40．3％，更換法蘭和螺栓的占10．5％[1]。墊片密封在現代工業中占有很重要的地位，密封失效造成的跑、冒、滴、漏嚴重地影響生產的連續性，密封的好壞直接關系到生產安全，因此墊片的發展越來越受到人們的重視。墊片密封技術的發展是隨著壓力容器的發展而發展的，應用范圍越來越廣，隨著現代化工業特別是石油化工業、原子能工業、大型電站的興起，壓力容器向高溫、高壓、高真空、深冷和大型化發展，也對墊片密封提出新的要求。近年來，許多工業發達國家設立專門研究機構，投入大量人力和資金，就密封機理、密封材料、元件性能、連接設計方法及泄漏檢測等展開了一系列研究，取得了較大進展[2-3]。墊片的類型分類現代工業中使用的墊片按其材料可分為非金屬墊片(主要包括石棉橡膠板、聚四氟乙烯墊和柔性石墨墊，墊片形式多為平墊)、組合墊片(由兩種非金屬材料或一種金屬和一種非金屬材料組合而成的，主要包括纏繞式墊片、金屬包墊以及最近發明的波形活壓墊片等)和金屬墊片(通常是由一種金屬或合金通過機械加工而成的，主要包括平墊、橢圓形、八角形墊圈等)[4]。1．1非金屬墊片1．1．1石棉橡膠墊片石棉橡膠墊片是過去常使用的墊片之一，價格較其他墊片便宜，使用方便，一般用于壓力不超過1.6MPa、溫度不超過200℃1．1．2柔性石墨墊片柔性石墨墊片是取代石棉墊片的理想選擇。柔性石墨是膨脹石墨的別稱，是天然石墨經過強酸氧化處理膨脹而成的一種理想的密封材料，具有良好的回彈性、柔軟性、耐蝕性和耐溫性。膨脹石墨的干摩擦系數僅為0．08—0．15，膨脹石墨比表面積和表面能很大，其表面總吸附著大量氣體或水分子，形成極薄的氣膜層或液膜而阻止介質的滲透，其不滲透性較好。柔性石墨幾乎對一切無機及有機介質均耐蝕，有良好的耐低溫性能，研究表明在超低溫的液氧(-183℃)、液氮(-1961．1．3聚四氟乙烯墊片聚四氟乙烯墊片也是取代石棉墊片的理想選擇。優良的耐腐蝕性能使它在絕大部分腐蝕性介質中可作為密封墊片，對于不允許有污染的場合下尤為適宜。但是聚四氟乙烯受壓后易冷流，受熱后易蠕變而影響其密封性能。通常加入部分玻璃纖維、石墨及二硫化鉬等，以提高抗蠕變和導熱性能，但同時硬度變大，耐腐蝕性能下降。其適用溫度為-268—315℃，最高壓力為21MPa1．2組合墊片1．2．1纏繞式墊片纏繞式墊片是由預壓成型的薄金屬波形帶及非金屬填料帶緊密貼合，相互交替重疊，螺旋纏繞壓制而成的，故也稱螺旋墊片。由金屬帶、非金屬帶以及金屬加強環3部分組成。金屬帶起夾持非金屬填料的作用。非金屬帶起密封作用。金屬加強環能保證墊片有足夠的強度，防止在螺栓過載時不被壓潰，同時提高了墊片的回彈力，增強了墊片對溫度和壓力波動的適應能力。由于纏繞式墊片具有多道密封、彈性好、強度高、耐高溫、抗腐蝕，因而密封性能好，廣泛用于石化、冶金及電力行業中的中低壓介質的密封上。1．2．2波形活壓墊片波形活壓墊片是一種專利產品，也是一種新型通用墊片，由沖壓成波形的不銹鋼彈性框架和非金屬填料組成，其性能部分超過了纏繞式墊片。波形活壓墊片可用于超高壓、超高溫以及化學屬性較強的介質，是取代石棉墊、纏繞式墊片及橡膠墊的理想選擇。波形活壓墊片不傷法蘭面，可無限期存放。波形活壓墊片的的適用最高溫度為-200—650~C(空氣、蒸汽)和-200—900~C(惰性介質)，最高壓力為25MPa，pH值為0—14。可用于除濃硫酸、濃硝酸和王水等幾種強氧化劑外的幾乎所有介質。1．2．3金屬包覆墊片金屬包覆墊片是以耐溫性能好的碳纖維或陶瓷纖維以及柔性石墨板材為中芯材料，外包厚度為0．25—0．5mm厚的金屬薄板。按其包覆狀態可分為全包、半包、波形包及雙層包等。金屬薄板材質主要有銅、鍍鋅鐵皮、不銹鋼、鈦和MONEL合金等。密封性能隨中芯材料和金屬薄板的密封性能而定。金屬包墊的最大優點是能制成各式異形墊片，可滿足多管程換熱器和非圓形壓力容器的需要，在煉油行業中使用廣泛。1．3金屬墊片金屬墊片按其截面形狀分為橢圓形和八角形，主要用于梯形槽面法蘭，屬于強制性密封。1985年，Bazergui對橢圓墊進行了試驗研究[5]，結果發現隨著墊片應力的增加，泄漏率降低速度很快，而達到某一墊片應力后，泄漏率隨墊片應力變化很小。密封性能良好，制造復雜，成本高，一般用于高溫、高壓和非金屬墊片及纏繞墊片難以勝任的苛刻條件下。它的不足之處在于需要較大的螺栓預緊力。新型靜密封材料現代材料科學和技術的發展對密封技術的開發和應用具有十分深遠的影響，特別是復合材料技術的發展，使得原來由單一材料如礦物纖維、橡膠、塑料、金屬制成的密封元件，經復合或改性后其應用范圍大大擴大。由金屬和非金屬材料制成的組合式密封墊片，充分利用了金屬和非金屬材料的各自優點，其壓縮、回彈性能好，適應工況能力強，密封可靠，在石化行業得到廣泛應用。最新研究開發的新型靜密封材料主要有：填充玻璃纖維、碳纖維、青銅粉、石墨、二硫化鉬及聚合物填充劑的改性聚四氟乙烯；膨脹聚四氟乙烯；用芳綸纖維、玻璃纖維、碳纖維、礦渣棉和芳砜綸纖維代替石棉的非石棉纖維復合密封材料；鈦纏繞式墊片和鎳銅合金纏繞式墊片[6]。接下來就對新型靜密封材料進行介紹。2.1．改性聚四氟乙烯純聚四氟乙烯耐熱性差，蠕變大，會發生“冷流現象”，在聚四氟乙烯中加入不同的填充材料制成填充聚四氟乙烯，能有效地改善其性能。常用的填充材料有玻璃纖維、碳纖維、青銅粉、石墨、二硫化鉬以及一些聚合物填充劑[7]。改性聚四氟乙烯材料可在-196—260℃2.2．膨脹聚四氟乙烯密封材料膨脹聚四氟乙烯密封材料是采用獨特的加工工藝制成的一種低密度純白色聚四氟乙烯制品，它改變了普通聚四氟乙烯密封材料存在的過硬、回彈性差、熱膨脹系數大、易蠕變等缺點，繼承了聚四氟乙烯的優越品性，賦予了聚四氟乙烯高度的柔韌性、可壓縮性，優異的抗酸、堿耐腐蝕性、抗老化、耐蠕變性，自潤滑性好，摩擦系數低和抗張強度高等特點。改變了傳統的靜密封元件的制造和使用方式，現場可隨意變更成任何直徑、任何截面積的墊片和閥函填料，無需預先設計、加工制作，使用方便、快捷。其使用溫度為-218—320℃，使用壓力可達20MPa，適用于pH值0—14的環境，它不受絕大多數化學物質腐蝕(除熔融堿金屬和游離氟原子以外)，可用于生物、化工、食品、釀酒和制藥等行業[8]2.3．非石棉纖維復合密封材料由于石棉是強致癌物質，自20世紀70年代起，一些工業發達國家先后制定了禁止或限制生產和使用石棉及含石棉制品的法令，這就需要研究開發新型纖維材料來代替石棉纖維。研究表明，芳綸纖維、玻璃纖維、碳纖維、礦渣棉、芳砜綸纖維等為較理想的代石棉材料[9]。2.4．鈦纏繞式墊片和鎳銅合金纏繞式墊片金屬鈦質量輕、比強度大，在海水和許多電解質稀溶液中抗腐蝕能力強，在高溫和低溫下的力學性能良好。鎳銅合金具有良好的機械性能、很高的化學穩定性，耐熱濃堿液腐蝕性，還具有耐中性、微酸性及有機溶劑性，鎳銅合金的冷加工性能優于鈦，且價格適中。南京工業大學成功研制開發了鎳銅合金纏繞式墊片和鈦纏繞式墊片[10]，該類墊片將鎳銅合金和金屬鈦的化學、物理和力學性能與纏繞式墊片的特點相結合，使墊片的性能、品質得到大幅度改善，適應工況范圍大大拓寬，成為石油、化工、核能、航空航天、造船、軍工等行業的重要密封元件。這種纏繞式墊片密封性能優越。泄漏率小于1．0×10-5cm新型墊片密封結構3.1．平面型彈性密封墊片平面型彈性密封墊片的加工工藝好，生產成本低，對于帶螺孔的法蘭連接件而言，相鄰螺栓由金屬的變形限定器固定。限定器是一個套管，其內側面向內凹，因此其橫斷面呈C形，從一側抱住穿過法蘭孔的螺栓，當法蘭連接件拉緊時，限定器可以防止密封墊被擠出去。缸體4和與缸體表面相匹配的頂蓋8(圖1)之間的可拆卸靜密封連接件的高度密封效果是通過彈性密封件3與金屬止推環2和5的組合實現的，它們位于缸體4和頂蓋8之間的密封室中密封環3上下兩側。止推環的斷面呈斜角梯形，位于存有壓力介質P的缸體內室A旁，與缸體1的內表面有很大的接觸面積，止推環5位于頂蓋8的外柱面。密封環3有內，外兩個柱面，分別與頂蓋8和缸體4的柱面相匹配。密封環3的橫斷面的錐形端面與環2和環5的相應端面配合。密封環2，3和5受到頂蓋8的蓋肩B的限定，不能沿軸向運動，頂蓋8的蓋肩的外部的錐形面與止推環2相配合，頂蓋8上的壓環B是從外側密封壓力介質(P)的。缸體1和頂蓋8之間由螺栓7和螺母6固定。該密封系統結構簡單，使用壽命長，可以確保可拆卸靜密封連接件對高壓介質的密封[11]。3.2.有支撐環的皮碗密封為了提高在較寬溫度范圍內靜密封連接件的可靠密封作用，可采用已經申請了專利的密封結構[12]，它是有一種皮碗的密封結構，皮碗4位于B環槽內(圖2)，其初始變形可以調節，槽是由被密封的連接件3和止推環2的表面構成，而2固定在部件3上。皮碗4是由自密封性能優異的非金屬彈性材料加工而成，其線膨脹系數大于部件1和3。槽B的端面隨著槽B的橫斷面沿接頭軸向不斷地減小而構成錐形表面。皮碗4通過支撐面B實現與環2內表面相接觸。通過它在B槽內可能的位移而固定。確保皮碗的密封唇Ⅱ對件體1的密封面A之壓縮量。皮碗4上的環形槽r可以排除環2周邊與皮碗4的支撐面B相接觸的可能性。所以，不會出現環2邊緣對皮碗的傷害，環2還可以防止皮碗4在B槽中的移動。皮碗4的密封唇Ⅱ也能彌補部件1和3制作時出現的誤差，并依靠其初始形變補償溫度收縮率。用皮碗4密封的可拆卸靜密封連接件，即使密封介質在很低的溫度條件下，也能保證具有很高的密封性能。3.3.金屬“O”形環金屬“O”形環是靠預緊后“O”形環的彈性變形(壓扁)所產生的回彈力，使密封面上產生一定的應力，此應力使“O”形環表面的材料屈服，用以填補法蘭密封面上的凹凸不平之處，使“O”形環和密封槽的密封面嚴密貼合，從而實現線接觸密封之目的。“O”形環具有耐高低溫(一250～650。C)、耐高壓(300MPa)、大直徑、耐腐蝕、不老化等特點，故特別適用于高溫、高壓及高真空密封的場合。“O”形環密封技術自60年代被提出后，國內外一些研究單位和團體紛紛對其密封機理和設計方法進行了研究，“O”形環密封亦已在設備與管道連接中獲得了廣泛的應用[13]。3.4.金屬雙錐環雙錐環密封是半自緊式密封。由于結構簡單，制造方便，適應性強，至今仍是高壓設備的主要密封結構形式。國內外進行過較多的理論分析和試驗研究、l958年，BA.Korndorf[14]詳述了雙錐環密封的計算方法，在此方法中考慮了具有摩擦力的雙錐環因內壓載荷所產生的附加螺栓力，但忽略了由預緊力所產生的雙錐環應力。1962年，Meincke給出了計算雙錐環許用螺栓力的假設內徑。1998年，蔡仁良等采用PAFEC有限元程序對國內某廠一臺雙錐環密封的高壓分離器在非正常操作中出現的泄漏失效進行了模擬。結果表明，雙錐環密封結構的溫度改變導致墊片應力的改變是密封失效的重要原因，適當加大間隙值可以提高雙錐環密封對溫度、壓力波動的適應性。4.總結：為了提高墊片密封的可靠性，不僅要加快密封墊片新材料的研究，以適應苛刻工況條件的需要，還要積極采用新結構、新工藝，保障密封能力，提高密封壽命。隨著各類化工行業及壓力容器壓力的不斷提高、結構的復雜化及對密封性能及安全性的更高要求，一些傳統的墊片密封材料和結構已經不能滿足要求。因而開發新型墊片密封材料和結構始終是密封技術領域的研究熱點。今后墊片密封研究開發重點和發展趨勢將是進一步研究開發各類新型密封復合材料及結構，以適合特殊場合使用。參考文獻：[1]張麥秋董衛國何鵬飛.靜密封新技術及應用[J].化工設計通訊，2010，36(2)：53-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