机械设计必备知识点 —— 密封垫片如何选型

在石油、石化、化工等行业的生产、加工、储运乃至销售环节，常常伴随着易燃、易爆、高温、高压、有毒有害和腐蚀等危险因素，机器及设备在使用中工作介质的“跑、冒、滴、漏”，给生产带来极大的危害。设备中工作介质的泄漏，会造成浪费并污染环境。

垫片密封是过程工业装置中压力容器、过程设备、动力机器和连接管道等可拆连接处最主要的静密封型式。它们所包含的流体介质范围相当广泛，防止液体或气体通过这些接头处泄漏出来是工厂面临的最重要，也是最困难的任务。

随着生产装置的大型化，生产工艺向高温、高压、高速的方向发展，出现泄漏的机会越来越多，发生事故的概率越来越大，造成的经济损失也越来越大。往往一处法兰的泄漏就有可能导致一套装置乃至全厂停产，还极有可能会引起火灾、爆炸，造成人员伤亡等重大事故，发生泄漏带来环境污染、产品损失甚至事故，垫片密封的重要性也就不言而喻了。因此，垫片的选用、设计、制造所存在的问题已逐步引起人们的高度重视。

那么，究竟应该如何选择合适的垫片呢？

垫片与垫片密封

垫片是一种夹持在两个独立的连接件（主要是指法兰）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，并确保密封介质不渗透和不被腐蚀，能够承受得住温度和压力的作用。垫片密封一般有连接件（如法兰）、垫片和紧固件（如螺栓、螺母）等组成（见图1），因此决定某个法兰密封性时，必须将整个法兰连接结构作为一个系统进行考虑。垫片工作正常或失效与否，除了取决于设计选用垫片本身的性能外，还取决于系统的刚度和变形、结合面的粗糙度和平行度以及紧固载荷的大小和均匀性。

图1-垫片密封的法兰连接结构

垫片选型五要素

了解了垫片密封的结构，我们就可以从温度、应用、介质、压力和尺寸(TAMPS）五个方面来考虑选择一个合适的垫片。

温度

所选用的垫片应该在最高或最低的工作温度下有合理的使用寿命，不同的垫片材料的最高工作温度差异很大。

图2 常用非金属材料的最高工作温度

除了短期能耐受的最高和最低工作温度外，还应考虑其允许的连续工作温度。垫片材料应能够抗蠕变，以降低垫片的应力松弛，这样才能保证垫片在工作条件下密封，大多数垫片材料随着温度的升高，蠕变会变得严重，因此，垫片质量优劣的一个重要指标就是垫片在一定温度下的蠕变松弛性能。

图3 不同的改性PTFE和传统纯PTFE的蠕变测试对比

应用

主要是指垫片所处的连接系统的信息，需要根据法兰的材质，法兰的密封面型式，法兰的粗糙度以及螺栓信息等来选择合适的垫片材质和型式。

非金属类法兰就必须选择预紧力要求比较小的垫片，否则很可能会有在法兰上紧过程中，垫片还没有压紧而法兰已经压碎的情况出现（如图4）。

图4 非金属法兰被压碎

对于不同的法兰密封面型式，与之相对应的垫片型式也是不一样的，例如突面法兰（RF）对应的缠绕垫片型式就是带内外环型缠绕垫片，榫槽面（TG）法兰对应的缠绕垫片型式就是基本型缠绕垫片，凹凸面（MFM）法兰对应的缠绕垫片型式就是只带内环的缠绕垫片（如图5）。

图5 不同的法兰密封面型式对应不同型式的缠绕垫片

不同的垫片对于法兰粗糙度要求也是不一样的，具体可以参考图6。

图6 不同垫片推荐的法兰表面粗糙度

介质

垫片应在全程工作条件下不受密封介质的影响，包括抗高温氧化性、抗化学腐蚀性、抗溶剂性、抗渗透性等，显然垫片材料对介质的耐化学腐蚀性是选择垫片的首要条件。对于非金属垫片或者复合垫片中的非金属材料来说，材料的耐化学腐蚀性能可以参考垫片厂家提供的非金属材料抗化学品性能表。对于垫片中跟介质直接接触的金属材料，应和法兰材料一样或有更高的耐腐蚀性能。

压力

垫片必须能够承受最大压力，这种最大压力或许是试验压力，它可能是正常工作压力的1.25-1.5倍。对于非金属材料的垫片，其最大压力还会与最高工作温度有关系，通常最高温度乘以最高压力的值（即PxT值）有一极限值，所以在选择其最大工作压力时，还要考虑垫片能承受的最大PxT值。下图为GARLOCK常见压制垫片的PxT值图，不同型式的垫片所能够承受的压力也是不一样的。

图7 GARLOCK常见压制垫片的P╳T值图

图8为各种型式的垫片所适用的法兰压力等级

尺寸

在满足法兰粗糙度和不平度条件时，尽可能的选择薄的垫片。垫片的厚度与其型式、材料、直径、密封面的加工状况和密封介质等相关。对于大多数非金属板材垫片而言，薄的垫片抵抗应力松弛的能力也比较大。因薄的垫片其内侧跟介质接触的面积也小，所以沿垫片本体渗漏也随之减少，并且此情况下垫片所承受的吹出力也小，垫片也就不容易被吹出，图9形象的展示了薄垫片的抗吹出能力要比厚垫片强。当然也可以参考垫片标准选择垫片厚度以及其它尺寸。

图9 同样工况下不同厚度垫片的径向受力示意图

此外，由于垫片通常采用螺栓法兰连接结构，因此装配时需要将螺栓预紧到足以达到密封的要求，另外，这一结构中的垫片更是一个受很多因素影响的密封元件，因而如何控制预紧力是一个十分棘手的问题。各种垫片需要的压紧载荷也各不相同，对于特殊要求的垫片密封，它们没有标准的连接尺寸，如法兰厚度、螺栓尺寸、螺栓间距等，这就需要考虑专门设计。