垫片密封技术进展综述

垫片密封技术最新进展综述摘要：对垫片密封技术的基本分类进行介绍并对不同垫片密封材料、国内外密封结构、技术进行比较，展现当前最新垫片密封技术的发展趋势及前景。关键词：静密封、垫片、法兰、压力容器。0.前言：现代工业对密封的可靠性提出了越来越高的要求，密封失效不仅会造成巨大的经济损失，而且会污染环境，甚至酿成重大人员伤亡事故。据统计，静密封故障处理中，调整和更换垫片占49．2％，调整紧固螺栓占40．3％，更换法兰和螺栓的占10．5％[1]。垫片密封在现代工业中占有很重要的地位，密封失效造成的跑、冒、滴、漏严重地影响生产的连续性，密封的好坏直接关系到生产安全，因此垫片的发展越来越受到人们的重视。垫片密封技术的发展是随着压力容器的发展而发展的，应用范围越来越广，随着现代化工业特别是石油化工业、原子能工业、大型电站的兴起，压力容器向高温、高压、高真空、深冷和大型化发展，也对垫片密封提出新的要求。近年来，许多工业发达国家设立专门研究机构，投入大量人力和资金，就密封机理、密封材料、元件性能、连接设计方法及泄漏检测等展开了一系列研究，取得了较大进展[2-3]。垫片的类型分类现代工业中使用的垫片按其材料可分为非金属垫片(主要包括石棉橡胶板、聚四氟乙烯垫和柔性石墨垫，垫片形式多为平垫)、组合垫片(由两种非金属材料或一种金属和一种非金属材料组合而成的，主要包括缠绕式垫片、金属包垫以及最近发明的波形活压垫片等)和金属垫片(通常是由一种金属或合金通过机械加工而成的，主要包括平垫、椭圆形、八角形垫圈等)[4]。1．1非金属垫片1．1．1石棉橡胶垫片石棉橡胶垫片是过去常使用的垫片之一，价格较其他垫片便宜，使用方便，一般用于压力不超过1.6MPa、温度不超过200℃1．1．2柔性石墨垫片柔性石墨垫片是取代石棉垫片的理想选择。柔性石墨是膨胀石墨的别称，是天然石墨经过强酸氧化处理膨胀而成的一种理想的密封材料，具有良好的回弹性、柔软性、耐蚀性和耐温性。膨胀石墨的干摩擦系数仅为0．08—0．15，膨胀石墨比表面积和表面能很大，其表面总吸附着大量气体或水分子，形成极薄的气膜层或液膜而阻止介质的渗透，其不渗透性较好。柔性石墨几乎对一切无机及有机介质均耐蚀，有良好的耐低温性能，研究表明在超低温的液氧(-183℃)、液氮(-1961．1．3聚四氟乙烯垫片聚四氟乙烯垫片也是取代石棉垫片的理想选择。优良的耐腐蚀性能使它在绝大部分腐蚀性介质中可作为密封垫片，对于不允许有污染的场合下尤为适宜。但是聚四氟乙烯受压后易冷流，受热后易蠕变而影响其密封性能。通常加入部分玻璃纤维、石墨及二硫化钼等，以提高抗蠕变和导热性能，但同时硬度变大，耐腐蚀性能下降。其适用温度为-268—315℃，最高压力为21MPa1．2组合垫片1．2．1缠绕式垫片缠绕式垫片是由预压成型的薄金属波形带及非金属填料带紧密贴合，相互交替重叠，螺旋缠绕压制而成的，故也称螺旋垫片。由金属带、非金属带以及金属加强环3部分组成。金属带起夹持非金属填料的作用。非金属带起密封作用。金属加强环能保证垫片有足够的强度，防止在螺栓过载时不被压溃，同时提高了垫片的回弹力，增强了垫片对温度和压力波动的适应能力。由于缠绕式垫片具有多道密封、弹性好、强度高、耐高温、抗腐蚀，因而密封性能好，广泛用于石化、冶金及电力行业中的中低压介质的密封上。1．2．2波形活压垫片波形活压垫片是一种专利产品，也是一种新型通用垫片，由冲压成波形的不锈钢弹性框架和非金属填料组成，其性能部分超过了缠绕式垫片。波形活压垫片可用于超高压、超高温以及化学属性较强的介质，是取代石棉垫、缠绕式垫片及橡胶垫的理想选择。波形活压垫片不伤法兰面，可无限期存放。波形活压垫片的的适用最高温度为-200—650~C(空气、蒸汽)和-200—900~C(惰性介质)，最高压力为25MPa，pH值为0—14。可用于除浓硫酸、浓硝酸和王水等几种强氧化剂外的几乎所有介质。1．2．3金属包覆垫片金属包覆垫片是以耐温性能好的碳纤维或陶瓷纤维以及柔性石墨板材为中芯材料，外包厚度为0．25—0．5mm厚的金属薄板。按其包覆状态可分为全包、半包、波形包及双层包等。金属薄板材质主要有铜、镀锌铁皮、不锈钢、钛和MONEL合金等。密封性能随中芯材料和金属薄板的密封性能而定。金属包垫的最大优点是能制成各式异形垫片，可满足多管程换热器和非圆形压力容器的需要，在炼油行业中使用广泛。1．3金属垫片金属垫片按其截面形状分为椭圆形和八角形，主要用于梯形槽面法兰，属于强制性密封。1985年，Bazergui对椭圆垫进行了试验研究[5]，结果发现随着垫片应力的增加，泄漏率降低速度很快，而达到某一垫片应力后，泄漏率随垫片应力变化很小。密封性能良好，制造复杂，成本高，一般用于高温、高压和非金属垫片及缠绕垫片难以胜任的苛刻条件下。它的不足之处在于需要较大的螺栓预紧力。新型静密封材料现代材料科学和技术的发展对密封技术的开发和应用具有十分深远的影响，特别是复合材料技术的发展，使得原来由单一材料如矿物纤维、橡胶、塑料、金属制成的密封元件，经复合或改性后其应用范围大大扩大。由金属和非金属材料制成的组合式密封垫片，充分利用了金属和非金属材料的各自优点，其压缩、回弹性能好，适应工况能力强，密封可靠，在石化行业得到广泛应用。最新研究开发的新型静密封材料主要有：填充玻璃纤维、碳纤维、青铜粉、石墨、二硫化钼及聚合物填充剂的改性聚四氟乙烯；膨胀聚四氟乙烯；用芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维、矿渣棉和芳砜纶纤维代替石棉的非石棉纤维复合密封材料；钛缠绕式垫片和镍铜合金缠绕式垫片[6]。接下来就对新型静密封材料进行介绍。2.1．改性聚四氟乙烯纯聚四氟乙烯耐热性差，蠕变大，会发生“冷流现象”，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纤维、碳纤维、青铜粉、石墨、二硫化钼以及一些聚合物填充剂[7]。改性聚四氟乙烯材料可在-196—260℃2.2．膨胀聚四氟乙烯密封材料膨胀聚四氟乙烯密封材料是采用独特的加工工艺制成的一种低密度纯白色聚四氟乙烯制品，它改变了普通聚四氟乙烯密封材料存在的过硬、回弹性差、热膨胀系数大、易蠕变等缺点，继承了聚四氟乙烯的优越品性，赋予了聚四氟乙烯高度的柔韧性、可压缩性，优异的抗酸、碱耐腐蚀性、抗老化、耐蠕变性，自润滑性好，摩擦系数低和抗张强度高等特点。改变了传统的静密封元件的制造和使用方式，现场可随意变更成任何直径、任何截面积的垫片和阀函填料，无需预先设计、加工制作，使用方便、快捷。其使用温度为-218—320℃，使用压力可达20MPa，适用于pH值0—14的环境，它不受绝大多数化学物质腐蚀(除熔融碱金属和游离氟原子以外)，可用于生物、化工、食品、酿酒和制药等行业[8]2.3．非石棉纤维复合密封材料由于石棉是强致癌物质，自20世纪70年代起，一些工业发达国家先后制定了禁止或限制生产和使用石棉及含石棉制品的法令，这就需要研究开发新型纤维材料来代替石棉纤维。研究表明，芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维、矿渣棉、芳砜纶纤维等为较理想的代石棉材料[9]。2.4．钛缠绕式垫片和镍铜合金缠绕式垫片金属钛质量轻、比强度大，在海水和许多电解质稀溶液中抗腐蚀能力强，在高温和低温下的力学性能良好。镍铜合金具有良好的机械性能、很高的化学稳定性，耐热浓碱液腐蚀性，还具有耐中性、微酸性及有机溶剂性，镍铜合金的冷加工性能优于钛，且价格适中。南京工业大学成功研制开发了镍铜合金缠绕式垫片和钛缠绕式垫片[10]，该类垫片将镍铜合金和金属钛的化学、物理和力学性能与缠绕式垫片的特点相结合，使垫片的性能、品质得到大幅度改善，适应工况范围大大拓宽，成为石油、化工、核能、航空航天、造船、军工等行业的重要密封元件。这种缠绕式垫片密封性能优越。泄漏率小于1．0×10-5cm新型垫片密封结构3.1．平面型弹性密封垫片平面型弹性密封垫片的加工工艺好，生产成本低，对于带螺孔的法兰连接件而言，相邻螺栓由金属的变形限定器固定。限定器是一个套管，其内侧面向内凹，因此其横断面呈C形，从一侧抱住穿过法兰孔的螺栓，当法兰连接件拉紧时，限定器可以防止密封垫被挤出去。缸体4和与缸体表面相匹配的顶盖8(图1)之间的可拆卸静密封连接件的高度密封效果是通过弹性密封件3与金属止推环2和5的组合实现的，它们位于缸体4和顶盖8之间的密封室中密封环3上下两侧。止推环的断面呈斜角梯形，位于存有压力介质P的缸体内室A旁，与缸体1的内表面有很大的接触面积，止推环5位于顶盖8的外柱面。密封环3有内，外两个柱面，分别与顶盖8和缸体4的柱面相匹配。密封环3的横断面的锥形端面与环2和环5的相应端面配合。密封环2，3和5受到顶盖8的盖肩B的限定，不能沿轴向运动，顶盖8的盖肩的外部的锥形面与止推环2相配合，顶盖8上的压环B是从外侧密封压力介质(P)的。缸体1和顶盖8之间由螺栓7和螺母6固定。该密封系统结构简单，使用寿命长，可以确保可拆卸静密封连接件对高压介质的密封[11]。3.2.有支撑环的皮碗密封为了提高在较宽温度范围内静密封连接件的可靠密封作用，可采用已经申请了专利的密封结构[12]，它是有一种皮碗的密封结构，皮碗4位于B环槽内(图2)，其初始变形可以调节，槽是由被密封的连接件3和止推环2的表面构成，而2固定在部件3上。皮碗4是由自密封性能优异的非金属弹性材料加工而成，其线膨胀系数大于部件1和3。槽B的端面随着槽B的横断面沿接头轴向不断地减小而构成锥形表面。皮碗4通过支撑面B实现与环2内表面相接触。通过它在B槽内可能的位移而固定。确保皮碗的密封唇Ⅱ对件体1的密封面A之压缩量。皮碗4上的环形槽r可以排除环2周边与皮碗4的支撑面B相接触的可能性。所以，不会出现环2边缘对皮碗的伤害，环2还可以防止皮碗4在B槽中的移动。皮碗4的密封唇Ⅱ也能弥补部件1和3制作时出现的误差，并依靠其初始形变补偿温度收缩率。用皮碗4密封的可拆卸静密封连接件，即使密封介质在很低的温度条件下，也能保证具有很高的密封性能。3.3.金属“O”形环金属“O”形环是靠预紧后“O”形环的弹性变形(压扁)所产生的回弹力，使密封面上产生一定的应力，此应力使“O”形环表面的材料屈服，用以填补法兰密封面上的凹凸不平之处，使“O”形环和密封槽的密封面严密贴合，从而实现线接触密封之目的。“O”形环具有耐高低温(一250～650。C)、耐高压(300MPa)、大直径、耐腐蚀、不老化等特点，故特别适用于高温、高压及高真空密封的场合。“O”形环密封技术自60年代被提出后，国内外一些研究单位和团体纷纷对其密封机理和设计方法进行了研究，“O”形环密封亦已在设备与管道连接中获得了广泛的应用[13]。3.4.金属双锥环双锥环密封是半自紧式密封。由于结构简单，制造方便，适应性强，至今仍是高压设备的主要密封结构形式。国内外进行过较多的理论分析和试验研究、l958年，BA.Korndorf[14]详述了双锥环密封的计算方法，在此方法中考虑了具有摩擦力的双锥环因内压载荷所产生的附加螺栓力，但忽略了由预紧力所产生的双锥环应力。1962年，Meincke给出了计算双锥环许用螺栓力的假设内径。1998年，蔡仁良等采用PAFEC有限元程序对国内某厂一台双锥环密封的高压分离器在非正常操作中出现的泄漏失效进行了模拟。结果表明，双锥环密封结构的温度改变导致垫片应力的改变是密封失效的重要原因，适当加大间隙值可以提高双锥环密封对温度、压力波动的适应性。4.总结：为了提高垫片密封的可靠性，不仅要加快密封垫片新材料的研究，以适应苛刻工况条件的需要，还要积极采用新结构、新工艺，保障密封能力，提高密封寿命。随着各类化工行业及压力容器压力的不断提高、结构的复杂化及对密封性能及安全性的更高要求，一些传统的垫片密封材料和结构已经不能满足要求。因而开发新型垫片密封材料和结构始终是密封技术领域的研究热点。今后垫片密封研究开发重点和发展趋势将是进一步研究开发各类新型密封复合材料及结构，以适合特殊场合使用。参考文献：[1]张麦秋董卫国何鹏飞.静密封新技术及应用[J].化工设计通讯，2010，36(2)：53-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