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。

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致一套裝置乃至全廠停產(chǎn)，還極有可能會引起火災、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，還應考慮其允許的連續(xù)工作溫度。墊片材料應能夠抗蠕變，以降低墊片的應力松弛，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，蠕變會變得嚴重，因此，墊片質(zhì)量優(yōu)劣的一個重要指標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，與之相對應的墊片型式也是不一樣的，例如突面法蘭（RF）對應的纏繞墊片型式就是帶內(nèi)外環(huán)型纏繞墊片，榫槽面（TG）法蘭對應的纏繞墊片型式就是基本型纏繞墊片，凹凸面（MFM）法蘭對應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)的耐化學腐蝕性是選擇墊片的首要條件。對于非金屬墊片或者復合墊片中的非金屬材料來說，材料的耐化學腐蝕性能可以參考墊片廠家提供的非金屬材料抗化學品性能表。對于墊片中跟介質(zhì)直接接觸的金屬材料，應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。當然也可以參考墊片標準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，它們沒有標準的連接尺寸，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。