垫片的基本知识(2)
三、垫片的选择
1、选择时的注意事项
正确选用密封垫片是保证设备无泄漏之关键。对于同一种工况，一般有若干种垫片可供选择。必须根据介质的物性、压力、温度和设备大小、操作条件、连续运转周期长短等情况，合理地选择垫片，扬长避短，充分发挥各种垫片的特点。 选择垫片时，应充分考虑下列因素：
(1)有良好的弹性和恢复性，能适应压力变化和温度波动;
(2)有适当的柔软性，能与接触面很好地贴合;
(3)不污染工艺介质;
(4)有足够的韧性而不因压力和紧固力造成破环;
(5)低温时不硬化，收缩量小;
(6)加工性能好，安装、压紧方便;
(7)不粘结密封面、拆卸容易;
(8)价格便宜，使用寿命长。
在垫片的使用中，压力和温度二者是相互制约的，随着温度的升高，在设备运转一段时间后，垫片材料发生软化、蠕变、应力松弛现象，机械强度也会下降，密封的压力降低。反之亦然。例如，手册上列举高压石棉橡胶板XB450在水、蒸汽介质中，使用温度450℃、压力<6MPa(该材料作密封性能试验时，在
440℃~450℃、12MPa的蒸汽中保压30分钟)。但在长期实际使用中，温度若达到450℃，所能密封的压力仅0.3~0.4MPa。对于渗透性强的气体介质则仅有0.1~0.2MPa。
上述情况，在选用时应予以充分考虑。
2、国产垫片的选用
(1)工业橡胶板
天然橡胶适用于水、海水、空气、惰性气体、碱类、盐类水溶液等介质，但不耐矿物油和非极性溶剂，长期使用温度不超过90℃，低温性能优异，可在-60℃以上使用。
丁腈橡胶适用于石油类产品，如石油、润滑油、燃料油等，长期使用温度为120℃，如在热油中可耐150℃，低温为-10~-20℃。
氯丁橡胶适用于海水、弱酸、弱碱、盐溶液，耐氧和臭氧老化性能优异，耐油性次于丁腈橡胶而优于其他通用橡胶，长期使用温度低于90℃，最高使用温度不超过130℃，低温为-30~-50℃。
氟橡胶有多个品种，它们分别具有良好的耐酸、耐氧化性能以及耐油、耐溶剂性能。可以在几乎所有的酸类介质以及一些油和溶剂中使用，长期使用温度低于200℃。
橡胶板材作为法兰垫片，多用于管道或经常拆卸的人孔、手孔，压力不超过1.568MPa。因在各类垫片中，橡胶垫片最软，贴合性能好，在较小的预紧力下就能发挥密封效果。正因如此，在承受内压时，因垫片偏厚或硬度偏低而容易被挤出。
橡胶板材在苯、酮、醚等有机溶剂中使用，易出现溶胀、增重、变软、发粘现象，导致密封失效。一般溶胀度超过30%就不能使用。
在低压(尤其是0.6MPa以下)、真空情况下，采用橡胶垫较为适宜。橡胶材料致密性好，透气率低。例如氟橡胶，最适宜作真空容器的密封垫片，真空度最高可达1.3×10-7Pa。橡胶垫在10-1~10-7Pa真空度范围使用时，需经烘焙和抽气处理。
石棉橡胶板价格较其它垫片低，使用方便;最大问题是：垫片材料虽然加入了橡胶和一些填充剂，仍无法将那些串通的微小孔隙完全填满，存在微量渗透。故在污染性极强的介质中，即使压力、温度不高也不能使用。当用于一些高温油类介质时，通常在使用后期，由于橡胶和填充剂碳化，强度降低，材质变疏松，便在界面和垫片内部产生渗透，出现结焦和发烟现象。另外，石棉橡胶板在高温下易粘结在法兰密封面上，给更换垫片带来了许多麻烦。
在受热状态下，垫片在各种介质中的使用压力取决于垫片材料的强度保持率。石棉纤维材料中存在着结晶水和吸附水。110℃时，纤维之间的吸附水已有2/3析出，纤维的抗拉强度约降低10%;368℃时，吸附水全部析出，纤维的抗拉强度约降低20%;超过500℃，结晶水开始析出，强度则更低。介质对石棉橡胶板的强度影响也很大。例如，在航空润滑油和航空燃油中，400号耐油石棉橡胶板横向抗拉强度相差80%，这是由于航空燃油对板材中橡胶的溶胀比航空润滑油严重之故。考虑到上述因素，国产石棉橡胶板XB450的推荐安全使用范围：温度250℃~300℃，压力3~3.5MPa;400号耐油石棉橡胶板使用温度不宜超过350℃。
石棉橡胶板含有氯离子和硫化物，吸水后容易与金属法兰形成腐蚀原电池，尤其是耐油石棉橡胶板中硫磺含量高出普通石棉橡胶板好几倍，故在非油性介质中不宜使用。垫片在油品和溶剂类介质中会发生溶胀现象，但在一定范围内，对密封性能基本没有什么影响。例如，400号耐油石棉橡胶板在常温航空燃油中作24小时浸泡试验，要求因吸油重量增加不得超过15%。
聚四氟乙烯在受压及高温下易冷流及蠕变，故一般用于低压、中温、强腐蚀以及不允许污染的介质，如强酸、强碱、卤素、药品等。安全使用温度在150℃，压力1MPa以下。填充聚四氟乙烯虽然强度高些，但使用温度也不超过200℃，且耐腐蚀能力下降。聚四氟乙烯包垫最高使用压力一般不超过2MPa。图2-8表示某一试验中，聚四氟乙烯垫片以及包垫的使用曲线。
由2-8(a)可见，由于温度升高，材料发生蠕变，致使密封压力明显下降。即使不升温，随着时间的延长，密封面的压紧应力也会下降，产生“应力松弛现象(见图2-8(b))”。该现象在各种垫片中都会产生，只是聚四氟乙烯垫的应力松弛现象较为严重，应予注意。
聚四氟乙烯的摩擦系数较小(压紧应力大于4MPa，摩擦系数为0.035~0.04)，预紧时垫片易向外滑移，所以最好采用凹凸式法兰面。当采用平面法兰时，可将垫片外径接触螺栓，利用螺栓阻止垫片外滑。图2-3(a)、图2-3(b)两种聚四氟乙烯包垫使用直径不大于300mm，图2-3(c)则可用在直径300mm以上的设备、特别是搪玻璃设备及管道。由于搪玻璃设备是在金属表面喷涂了一层瓷釉后烧结而成的，釉层很脆，加之喷涂不均匀和釉层流动，法兰表面平面度较差。采用金属复合型垫片易损坏釉层，所以推荐使用芯材由石棉板加橡胶的聚四氟乙烯包垫。这种包垫既容易与法兰面贴合又耐腐蚀，使用效果良好。
有许多厂在温度、压力不高的强腐蚀介质中，采用石棉橡胶板外缠聚四氟乙烯生料带，用于经常拆卸的人孔、管道上。由于制作、使用方便，颇受欢迎。
(4)其它
石棉树脂板和浸渍石棉板垫片多用于各种酸性介质的管道、泵、阀、进出口法兰，其使用温度在80℃、压力在0.6MPa以下。
石棉编制垫片适用于压力0.1MPa以下，温度不超过800℃的低压、高温工况。并可根据设备的具体要求，编织成不通宽度、厚度、直径的垫片。或将石棉带剪下后直接敷在法兰表面。它用于大型硫酸、硝酸氧化炉以及一些未经加工的设备接口处，效果远远超过原来的石棉绳。
(5)金属包石棉垫
由金属薄板包覆石棉板或石棉橡胶板，使其不与介质直接接触，避免了石棉纤维强度下降，客服了渗漏现象，从而扩大了石棉橡胶板的使用范围。一般金属包石棉垫使用温度为450℃(个别也有达600~700℃，如在常压~0.16MPa的烟道气中)，使用压力为4MPa，最高可达6MPa。如压力再增高，垫片易产生横流现象，芯材从搭接处挤出。
由于金属包石棉垫需要较大的螺栓拧紧力，即使当使用压力低于2.45MPa，也不能采用pg25公斤级以下的法兰。否则，法兰、螺栓的刚度就显得不够，产生变形而导致密封失效。有人认为，若将芯材改为弹性较好的合成橡胶，其紧固力就会下降。其实不然，因为芯材改软后，紧固力被芯材吸收，不能提供金属板在法兰面上贴合所需的紧固力，包垫反容易被极坏。另外，在含氯离子较多的介质以及酸性介质中，不锈钢包垫及铁皮包垫的搭接处易产生缝隙腐蚀。
温度高于450℃，芯材可使用陶瓷纤维或碳纤维。某钢铁厂采用金属包陶瓷纤维垫片用于1100℃的高温，使用二年尚未损坏。柔性石墨作芯材是最合适的。目前，国内已批量生产金属包柔性石墨垫。其使用效果优于金属包石棉垫。 金属包垫能制成各种形状，大量用于各种热交换器、反应器的大盖、装卸孔、人孔法兰等。国内曾制作过直径为2m的铁包垫，使用情况良好。
在金属包垫的表面贴覆一层柔性石墨薄板，这种垫片与表面未包覆的同类金属包垫相比，预紧比压较小，密封性能更佳。图2-9为两者压紧应力与泄漏量的关系曲线。
目前国内尚无此产品，故有的单位将现有的柔性石墨皱纹带贴在金属包垫以及金属平垫、齿形垫甚至石棉橡胶垫表面，解决了许多泄漏难题。例如某厂的热交换器，压力为5.88MPa、温度450℃，介质为氢/油气。曾用过金属平垫、齿形垫，均有泄漏。后在平垫上贴了柔性石墨皱纹带，解决了这一问题。应该指出，这种垫片形式是一种解决法兰垫片泄漏的简便措施，贴覆柔性石墨带的工作性质量直接影响设备能否正常运转。若在带材背面涂刷一层胶水，可提高贴覆质量。
(6)金属缠绕垫
金属缠绕垫巧妙地利用金属的耐热性、回弹性和强度以及非金属材料的柔软性，所以密封性能较好，其中又以不锈钢带缠绕柔性石墨垫的性能为最佳。其预紧比压较石棉缠绕垫小，不存在石棉纤维毛细孔渗漏的缺点。图2-10为两者预紧比压与泄漏量的关系曲线。
在油介质中，金属带材多使用0Cr13，而其它介质则推荐使用1Cr18Ni9Ti。 不锈钢带柔性石墨缠绕垫在气体介质中，使用压力为14.7MPa(国内有高达19.6MPa)，在液体中可用至30MPa。温度-190~+600℃(在无氧、低压情况下可用至1000℃)。
聚四氟乙烯的耐低温性能良好，它在低温下的屈服强度大大高于常温时的强度。所以聚四氟乙烯缠绕垫可用于低温介质，如液态烃等。同时，因加入金属带提高了导热性，聚四氟乙烯缠绕垫使用温度可达250℃，在酸性介质中可用至9MPa、200℃。
缠绕垫用于压力和温度波动较大的换热器、反应器、管道、阀门、泵进出口法兰较为合适。对于中等以上压力、温度超过300℃者，应考虑使用带内环、外环或内外环。若使用凹凸面法兰，配带内环的缠绕垫效果更好些。
在柔性石墨缠绕垫两面贴覆柔性石墨板也能取得好的密封效果。某大型化肥厂废热锅炉属高温高压关键设备，用带外环的柔性石墨缠绕垫，满负荷时不漏，减负荷时则漏。在垫片两面增加了0.5mm厚的柔性石墨板，剪成圆弧状，接头部分采用斜口搭接，使用情况良好。
(7)金属平垫、波形垫和齿形垫
金属平垫和金属波形垫一般用于中、高压阀门、管道和直径较小的设备法兰上。使用压力则根据温度的不同，前者为1.568~31.36MPa，后者为1.568~3.92MPa。垫片材质根据介质和温度选取。
(8)八角垫和椭圆垫
用于梯形槽面法兰的八角垫和椭圆垫(炼油行业俗称“土钢圈”)密封性能均好。在沟槽的锥面上，八角垫为面接触而椭圆垫是线接触。因此，椭圆垫在低紧固力下贴合性好，但需进行二次紧固;而八角垫一般一次紧固后，不易出现泄漏。它们的不足之处为要求较大的螺栓拧紧力，当用于低压高温情况时，法兰等级须在pg25公斤级以上。
垫片的安装要求
1、密封垫片与法兰密封面应清洗干净，不得有任何影响连接密封性能的划痕、斑点等缺陷存在。
2、密封垫片外径应比法兰密封面外小，密封垫片内径应比管道内径稍大，两内径的差一般取密封垫片厚度的2倍，以保证压紧后，密封垫片内缘不致伸入容器或管道内，以免妨碍容器或管道中流体的流动。
3、密封垫片预紧力不应超过设计规定，以免密封垫片过度压缩丧失回弹能力。
4、 密封垫片压紧时，最好使用扭矩扳手。对大型螺栓和高强度螺栓，最好使用液压上紧器。拧紧力矩应根据给定的密封垫片压紧通过计算求得，液压上紧器油压的大小亦应通过计算确定。
5、安装密封垫片时，应按顺序依次拧紧螺母。但不应拧一次就达到设计值。一般至少应循环2～3次，以便密封垫片应力分布均匀。
6、对易燃、易爆介质的压力容器和管道，换装密封垫片时应使用安全工具，以免因工具与法兰或螺栓相碰，产生火花，导致火灾或爆炸事故。
7、管道如有泄漏，必须降压处理后再更换或调整安装密封垫片，严禁带压操作。
垫片的适用范围
选择垫片的材料主要取决于下列三种因素：温度压力介质
一、金属垫片材料
1、碳钢: 推荐最大工作温度不超过538℃，特别当介质具有氧化性时。优质薄碳钢板也不适合应用于制造无机酸、中性或酸性盐溶液的设备，如果碳钢受到在的应力，用于热水工况条件下的设备事故率非常高。碳钢垫片通常用于高浓度的酸和许多碱溶液。布氏硬度约120。
2、304不锈钢 18-8(铬18-20%、镍8-10%)，推荐最大工作温度不超过760℃。在温度 -196~538℃区间内，易发生应力腐蚀和晶界腐蚀。布氏硬度160。
3、304L 不锈钢含碳量不超过0。03%。推荐最大工作温度不超过760℃。耐腐蚀性能类似304不锈钢。低的含碳量减少了碳从晶格的析出，耐晶界腐蚀性能高于304不锈钢。布氏硬度约140。
4、316不锈钢 18-12(铬18%、镍12%)，在304不锈钢中增加约2%钼，当温度提高其强度和耐腐蚀性能提高。当温度提高时比其它普通不锈钢具有更高抗蠕变性能。推荐最大工作温度不超过760℃。布氏硬度约160。
5、316L不锈钢推荐最大连续工作温度不超过760℃~815℃。碳含量不超过相对于316不锈钢具有更优秀的耐应力和晶界腐蚀。布氏硬度约140。
6、20合金 45%铁、24%镍、20%铬和少量钼和铜。推荐最大工作温度不超过760℃~815℃。特别适用于制造耐硫酸腐蚀的设备，布氏硬度约160。
7、铝铝(含量不低于99%)。铝具有优秀耐腐蚀性能和加工性能，适用于制造双夹垫片。布氏硬度约35。推荐最大连续工作温度不超过426℃。
8、紫铜紫铜的成分接近于纯铜，其含有微量的银以增加其连续工作温度。推荐最大连续工作温度不超过260℃。布氏硬度约80。
9、黄铜(铜66%、锌34%)，在大多数工况条件下，具有良好耐腐蚀性能，但不适应醋酸、氨、盐和乙炔。推荐最大连续工作温度不超过260℃。布氏硬度约58。
10、哈氏B-2 (26-30%钼、62%镍和4-6%铁)。推荐最大工作温度不超过1093℃。具有优异的耐热浓度盐酸腐蚀性能。也具有优异的耐湿氯化氢气体腐蚀、硫酸、磷酸和还原性盐溶液腐蚀的性能。在高温条件下具有高的强度。布氏硬度约230。
11、哈氏C-276 16-18%钼、13-17.5%铬、3.7-5.3%钨、4.5-7%铁、其余均为镍)。推荐最大工作温度不超过1093℃。具有优异的耐腐蚀性能。对各种尝试的冷硝酸或浓度达到70%的沸腾硝酸具有优异的耐腐蚀性能，具有良好的耐盐酸和硫酸腐蚀性能及优异的耐应力腐蚀性能。布氏硬度约210。
12、英科耐尔600 镍基合金(77%镍、15%铬和7%铁)。推荐最大工作温度不超过1093℃。在高温条件下具有高的强度，通常用于需解决应力腐蚀问题的设备。在低温条件下，具有优异的同加工性能。布氏硬度约150。
13、蒙乃尔400 (铜30%、镍推荐最大连续工作温度不超过815℃。除强氧化性酸外，对大多数酸和碱具有优异耐腐蚀性能。在氟酸、氯化汞、汞介质中易产生应力腐蚀裂纹，因而，不适应用于上述介质。被广泛用于制造氢氟酸的设备。布氏硬度约120。
14、钛
推荐最大工作温度不超过1093℃。在高温条件下，具有优异的耐腐蚀性能。众所周知耐氯离子的侵蚀，在较宽的温度和浓度区间，具有优异的耐硝酸腐蚀。钛材在大多数碱溶液用的很少，适应用于氧化工况条件。布氏硬度约216。
二、非金属垫片材料
1、天然橡胶NR 对弱酸和碱，盐和氯化物溶液具有良好的耐蚀性能，对油和溶剂耐蚀性能是差的，并不推荐用于臭氧介质。推荐工作温度-57℃~93℃。
2、氯丁橡胶CR 氯丁橡胶是一种合成橡胶，适应于耐中等腐蚀的酸，碱和盐溶液的腐蚀。对商业用油和燃料具有良好的耐腐蚀作用。但在强氧化性酸、芳香烃和氯化碳氢化合物其耐腐蚀性能是差的。推荐工作温度-51℃~121℃。
3、丁氰橡胶NBR 丁氰橡胶是一种合成橡胶，适应于在较宽温度范围内具有良好的耐油、溶剂、芳香烃、碱性碳氢化合物、石油和天然气的腐蚀性能。对氢氧化物、盐和接近中性的酸具有良好的耐腐蚀性能。但在强氧化性介质、氯化碳氢化合物，酮类和脂类其耐腐蚀性能是差的，推荐工作温度51℃~121℃。
4、氟橡胶氟橡胶胶料是由二元和三元氟生胶填加配合剂、硫化剂经混炼而成。除具有优异的耐热、耐介质、和良好物理机械性能外，还具有压缩永久变形低、弹性好和超长使用寿命。氟橡胶具有突出的耐热(200～250℃)，耐油性能，可用于制造气缸套密封圈，胶碗和旋转唇形密封圈，能显著地提高使用时间。推荐工作温度-40℃~232℃。
5、氯磺酰化聚乙烯合成橡胶对酸、碱和盐物溶液具有良好的耐蚀性能，同时不受气候、光照、、臭氧、商业燃料(如柴油和煤油等)影响。但不适应用于芳香烃、氯化碳氢化合物、铬酸和硝酸。推荐工作温度-45℃~135℃。
6、硅橡胶硅橡胶具有突出的耐高低温，可在150℃下超长期使用而无性能变化;可在200℃下连续使用10000小时，在-70～260℃的工作温度范围内能保持其特有的使用弹性及耐臭氧，耐天候等优点，适宜制作热机构中所需的密封垫，如密封衬圈，阀垫、油封(适用于水介质)等，特种硅橡胶可制作油封。
7、乙丙橡胶对强酸、强碱、盐和氯化物溶液具有良好的耐蚀性能。但不适应用于油类、溶剂、芳香烃和碳氢化合物。推荐工作温度-57℃~176。
8、石墨该材料不含树脂或无机物的全石墨材料，可分为掺入金属或不掺入金属元素石墨材料。该材料可粘接以至可制造直径超过600MM管道垫片。对许多酸、碱、盐和有机合物和传热溶液，甚至高温溶液具有非常优异的耐蚀性能。它不能熔化，但超过3316℃时将升华。在高温条件下，在强氧化性介质中使用该材料应慎重。除用于垫片外，该材料也可制作填料和缠绕垫片中的非金属缠绕带。
9、陶瓷纤维、成型于带材的陶瓷纤维是一种适用于高温和低压工况及轻型法兰条件下的优异垫片材料，推荐工作温度1093℃，可制作缠绕垫片中的非金属缠绕带。
10、聚四氟乙烯集中了大多数塑料垫片材料的优点，包括耐温从-95℃~232℃。除游离氟和碱金属外，对化学物品、溶剂、氢氧化物和酸具有优异的耐蚀性能。PTFE材料能充填玻璃，其目的是降低PTFE的冷流性和蠕变性。
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