密封技术第一章-垫片密封

第一章垫片密封10/2/2024

自1886年奥地利工程师理查得克林格发明第一块石棉橡胶板垫片开始，全球各地相继开始使用垫片密封。

垫片密封已成为压力容器、工艺设备、机器和连接管道等可拆连接处最主要的静密封形式。

10/2/2024一、垫片密封的原理和结构第一节中低压设备和管道的垫片密封

工作压力≤10MPa

10/2/20241.垫片的概念石棉橡胶垫片

10/2/20241.

垫片的概念缠绕垫10/2/20241.垫片的概念八角垫10/2/20241.垫片的概念金属波形垫片

10/2/20241.垫片的概念换热器垫片

10/2/2024定义：一种夹持在两个独立连接件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。要求：垫片必须能够密封结合面，使密封介质不渗透和不被密封介质腐蚀，并能经受温度和压力等的作用。

10/2/20242.垫片密封的泄漏形式对非金属材质而言，从材料的微观结构来看，本身存在微小缝隙或细微的毛细管，具有一定压力的流体自然容易通过它们渗漏出来，此称为渗透泄漏，它占总泄漏量的10%

20%。

两连接表面（即密封面），从机械加工的微观纹理来看存在粗糙度和变形，它们与垫片之间总是存在泄漏通道，由此产生的流体泄漏称为界面泄漏，其泄漏量占总泄漏量的80%

90%。

10/2/2024当夹紧垫片的总载荷因各种原因减少到几乎等于作用在连接件端部的流体静压力，导致了密封面的分离。这时若增加密封面的压力，则对于机械完整性很差的垫片，如操作期间材料发生劣化，则沿垫片径向作用的流体压力会将其撕裂，引起密封流体的大量泄漏，此被称为吹出泄漏，它属于一种事故性泄漏。10/2/2024对于渗透泄漏通常可采用不同材料的复合或机械组合形成不渗透性结构，或者使用较大的夹紧力使材料更加密实，减少以至消除泄漏。对于界面泄漏和事故性泄漏与垫片材料的性质、接头的机械特征、密封面的性质与状态、密封流体的特性以及紧固件夹紧程度有关。10/2/20243.垫片密封的原理

垫片密封是靠外力压紧密封垫片，使其本身发生弹性或塑性变形，以填满密封面上的微观凹凸不平来实现密封。也就是利用密封面上的比压使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的介质压力差来实现密封。10/2/2024垫片密封过程工作密封初始密封10/2/2024（1）初始密封

垫片用于对两个连接件密封面产生初始装配密封和保持工作密封。

产生初始密封的基本要求：使垫片压缩，在密封面间产生足够的压紧力，即垫片预紧应力（也称初始密封比压），以阻止介质通过垫片本身的渗漏，同时保证垫片对连接件有较大的适应性，即垫片压缩后产生弹性或塑性变形，能够填塞密封面的变形及其表面粗糙度而出现的微观凹凸不平，以堵塞介质泄漏的通道。

10/2/2024（2）工作密封

当接头受到流体压力作用时，密封面将被迫发生分离，此时要求垫片能释放出足够的弹性应变能，以弥补这一分离量，并且留下足以保持密封所需要的工作（残留）垫片应力。此外，这一弹性应变能还要补偿装置在长期运行过程中，任何可能发生的垫片应力的松弛。10/2/20243.垫片密封的原理综上所述，任何形式的垫片密封，首先要在连接件的密封面与垫片表面之间产生一种垫片预紧力，其大小与装配垫片时的“预紧压缩量”以及垫片材料的弹性模量等有关，而其分布状况与垫片截面的几何形状有关。从理论上说，垫片预紧应力愈大，垫片中贮存的弹性应变能也愈大，因而可用于补偿分离或松弛的余地也就愈大，当然要以密封材料本身最大弹性变形能力为极限。就实际使用而言，垫片预紧应力的合理取值取决于密封材料与结构、密封要求、环境因素、使用寿命及经济性等。

10/2/20244.垫片密封的结构典型的垫片密封结构，一般由连接件、垫片和紧固件等组成。

垫片工作正常或失效与否，除了取决于设计选用的垫片本身性能外，还取决于密封系统的刚度和变形、结合面的粗糙度和不平行度、紧固载荷的大小和均匀性等。

10/2/2024常用法兰密封面形状以突面、凹凸面、榫槽面最为常用10/2/2024二、垫片的种类及适用范围垫片种类非金属垫片半金属垫片金属垫片质地柔软、耐腐蚀、价格便宜，但耐温和耐压性能差。

具有良好的弹性和回复性，可耐高温和较高的压力。具有良好的耐高温、耐高压性能10/2/2024（1）非金属垫片

①橡胶板

②石棉

③石棉橡胶板

④柔性石墨

⑤聚四氟乙烯（简称PTFE）

10/2/2024（1）非金属垫片

橡胶垫片10/2/2024（1）非金属垫片

石棉垫片10/2/2024（1）非金属垫片

石棉橡胶垫片10/2/2024（1）非金属垫片

柔性石墨垫片10/2/2024（1）非金属垫片

聚四氟乙烯垫片10/2/2024（2）半金属垫片（又称金属复合垫片）

①金属包垫。该垫片以非金属为芯材、外包厚度为0.25

0.5mm的金属薄板。按包覆状态，可分为全包覆、半包覆、波形包覆、双层包覆等。

②金属缠绕垫片。是由薄金属波形带与石棉或柔性石墨等非金属带交替绕成螺旋状，将金属带的始末端点焊接制成。国外亦称作螺旋垫片。

半金属垫片是用不同材料的金属薄板把非金属材料包裹起来压制成型的。

10/2/2024金属包垫10/2/2024金属缠绕垫片10/2/2024（3）金属垫片①平形金属垫片②波形金属垫片

常用的材料有铜、铝、低碳钢、不锈钢、铬镍合金钢、钛、蒙乃尔合金等。为了减少螺栓载荷和保证结构紧凑，除了金属平垫尽量采用窄宽度外，各种具有线接触特征的环垫结构则是其优选的形式。

③齿形金属垫10/2/2024平形金属垫片10/2/2024波形金属垫片10/2/2024齿形金属垫片10/2/2024三、垫片的选择（1）考虑易挥发有机物的逸出要求

（2）密封介质

1.垫片材料的选择（3）温度范围选择垫片材料要考虑以下因素。

（4）工作压力

（5）法兰密封面粗糙度

（6）其他考虑10/2/2024（1）尽可能选择薄的垫片（2）尽可能选择较窄的垫片2.垫片尺寸选择的一般原则（3）不要让垫片内径伸进管道内；也没有必要过分增加垫片的外径10/2/20241.垫片的保管四、垫片的保管及安装技术

除橡胶垫片外，其他各种垫片不允许弯折和在直径方向受挤压。垫片尽可能呈包装状态保管，不得淋雨或置于温度过高的地方，以防浸胀或老化。一般石棉橡胶板的贮存期限为二年，耐油石棉橡胶板贮存期限为一年半，并应存放在10

30℃的室内，防止曝光照射而氧化。若石棉橡胶板长期置于10℃以下的环境中，还会产生不同程度的失弹、发脆等现象。

10/2/20242.垫片的安装技术垫片的精心设计和合理选择对垫片的有效工作固然重要，但是，经过详细计算和合理选择过的垫片，如果在实际应用中安装不好，也不可能指望它起到密封作用，达到预期的密封效果；安装好管理不好，垫片的使用寿命也会缩短。因此，合理安装垫片，是达到有效密封最关键的一步。同时在运行中，对那些容易泄漏的接头，有针对性地、有重点地经常维护、加强管理，也是保证设备和管路系统稳定可靠运行所必不可少的措施。10/2/2024五、垫片密封的失效分析

影响垫片密封连接，导致泄漏的主要因素包括以下几个方面。（1）被密封介质物理性能的影响

（2）工况的影响（3）法兰密封面粗糙度的影响（4）垫片压紧应力的影响（5）垫片几何尺寸的影响10/2/2024第二节高压设备的密封一、强制式密封

1.平垫密封

由筒体端部、金属平垫片、顶盖和主螺栓组成。是最常见的强制密封，这种结构与中、低压容器密封中常用的法兰垫片密封相似，只是将非金属垫片改成金属垫片，将宽面密封改成窄面密封。

一般仅适用于温度不高、压力不大和直径较小的高压容器。10/2/20242.卡扎里密封

卡扎里密封属于强制式密封，有外螺纹卡扎里密封、内螺纹卡扎里密封和改进卡扎里密封三种形式。

这种密封结构较适宜于大直径和较高压力的场合使用。一般用于内径Di≥1000mm，工作温度t≤350℃，压力pi≥30MPa的场合。10/2/202410/2/2024二、自紧式密封1.双锥环密封

10/2/20242.伍德密封10/