垫片的密封应力
垫片的密封应力 Prepared on 22 November 2020
螺栓法兰接头安全密封技术（四）
——垫片密封应力——
摘要：
在法兰接头设计或选用中，垫片虽然成本相对较低，但在保证连接密封性能、控制泄漏要求方面起着重要的作用。人们往往容易将泄漏的原因集中在垫片上，当然有垫片本身的原因，但更多的是法兰连接系统的设计或选用中存在的许多问题，最后通过垫片密封应力的降低表现了出来。
在法兰接头安装过程以及后续的各种使用过程中，垫片密封应力的大小和变化受到众多因素的影响。当垫片的密封应力降低到低于设计要求的基准值时，其结果是导致法兰连接的密封失效、发生泄漏。
本文分析了引起垫片密封应力降低的影响因素及其原因，介绍了估算方法，提出要减小弥补这样的影响，维持法兰接头的密封状态，初始安装螺栓载荷应足够大。同时螺栓也要有足够的强度，能承受相应的拉伸载荷及其可能的增加量。
前言
螺栓连接法兰接头的强度和密封性能对于承压设备/装置以及管道系统的正常、安全运行非常重要。法兰连接强度的保证，在承压设备行业（包括锅炉、压力容器、压力管道）长期以来都非常重视，当然这很重要，但对于其密封性能的保证或评估国内却较少有研究。
螺栓垫片法兰连接的泄漏途径，一个是通过垫片内部的渗透泄漏，另一个是通过垫片与法兰密封面之间的间隙的界面泄漏，界面泄漏是最难对付的。通常，我们考虑通过选用不同材料和类型垫片用于不同的设计工况条件以及在垫片表面途密封剂量等方法，达到减少/控制泄漏的目的。
要控制法兰接头的泄漏，仅仅通过采用各种措施消除垫片与法兰密封面之间的间隙/泄漏通道是远远不够的，最重要的是无论在安装阶段、还是各种使用过程中，当螺栓/垫片有蠕变松弛产生、当有介质压力等外载荷/温度等作用下，垫片与法兰密封面上必须始终保持/维持有足够的压缩应力，本文称之为“垫片密封应力”。
所以，法兰接头的强度和密封需要通过螺栓提供足够的夹紧力和垫片密封应力，来承受介质压力或各种外载荷，保证垫片的密封应力在安装以及随后的各种工况条件下都维持在设计要求的基准值以上，才能获得有效的密封、控制泄漏。
在法兰接头设计选用中，虽然垫片的成本相对较低，但垫片是个核心的问题，在保证连接密封性能、控制泄漏达到设计要求中起重要的作用。
由于螺栓连接法兰接头的强度和密封性能受到诸多因素的影响，其复杂的力学和变形关系，涉及到一个专题领域，要消除/控制法兰接头的泄漏是困难的。为了保证安全使用、控制泄漏，垫片必须正确选用设计、保证质量、正确地安装，在任何工况条件下法兰密封面和垫片接触表面之间应具有足够的压紧应力。所以，垫片的密封应力（ = 总的螺栓载荷力/垫片的压缩面积）是法兰接头密封设计/选用的关键性能参数。
1、垫片的蠕变松弛
非金属垫片中，包括半金属垫片用填充材料或覆盖层，经常使用合成橡胶、PTFE 等各种弹性材料。这类材料的特点之一，是具有不同程度的蠕变松弛特性，它与温度、时间、初始应力水平、密封材料厚度等多种因素有关。
对于法兰接头，经常遇到垫片的蠕变松弛问题。当安装/预紧达到密封设计要求的垫片，随着时间的推移，由于垫片的蠕变松弛行为，垫片密封面的压缩应力会降低/减少，并影响法兰接头的刚度。当应力值下降到某一临界值以下时，即出现连接的密封失效或泄漏。尤其在高温下长期使用，对垫片密封应力降低的影响更加明显（表1，缠绕
垫片的常温和高温蠕便松弛性能数据）○。很多垫片都在一定温度下使用，但关于垫片的高温蠕变松弛性能的数据却不多。
应该说蠕变并不只是高温的现象，在低温下也会产生。但由于温度低蠕变现象不明显，不容易察觉，但几乎所有的垫片多多少少有发生。不同材料和结构类型的垫片，蠕变松弛程度不同，。表2为几种垫片的常温蠕变松弛性能⑦。
表1 常温和高温蠕变松弛
表2 垫片的蠕变松弛率
垫片的蠕变松弛行为是影响螺栓法兰接头发生密封的主要原因之一。用户经常碰到，使用PTFE材料为主的垫片需在法兰接头安装24小时后进行再拧紧的操作，以弥补由于垫片蠕变松弛引起的垫片压缩应力降低以及由此引起的螺栓紧固载荷的减少。
在非金属垫片中，橡胶类垫片安装后由于蠕变松弛引起垫片压缩应力的降低较大，石墨材料垫片相对较小，但垫片的蠕变松弛程度与配合的法兰密封面结构有关，即垫片的变形是否有约束。图1为氟橡胶（Viton○）垫片产品的实测应力松弛曲线，图2为柔性石墨垫片的实测应力松弛曲线⑨。图3为增强柔性石墨板和具有石墨覆盖层波纹板的长期蠕变松弛性能①（实验），由图可见，1天后垫片的应力降低约为23%～59%。
(a) 有约束，垫片初始应力10500psi (b) 无约束
图1 氟橡胶（Viton○）垫片应力松弛曲线（硬度75）
图2 柔性石墨垫片应力松弛（无约束）
注：垫片A，增强柔性石墨板（316不锈钢钢板0.05mm，两侧石墨层厚0.79mm）
垫片B，具有石墨覆盖层的波纹板（不锈钢波纹板0.76mm，两侧石墨层厚0.79mm，节距3.2mm）
垫片C，具有石墨覆盖层的波纹板（不锈钢波纹板0.61mm，两侧石墨层厚0.79mm，节距3.55mm）
图3 垫片的蠕变松弛性能
EN1591法兰计算方法中，垫片蠕变松弛对于使用工况条件下垫片压缩应力的影响，用参数P QR表示。P QR为垫片密封面的剩余压缩应力（使用条件）与初始压缩应力（安装状态）的比值，按EN13555:2004的方法测定，是表示垫片短期松弛性能的度量参数（4小时，未考虑长期松弛影响）。表3为EN1591-2：2008中给出的P QR。
表3 P QR
上述数据都是在一定时间内垫片试验的结果。试验结果与实际使用存在有多大差别，以及垫片的蠕变松弛其对于垫片密封应力影响程度的确定的工程实用方法还有待进一步研究。
此外，由于垫片的非线性应力-变形（粘弹塑性），经历一次加载和卸载，垫片的密封应力增加和减小，即使螺栓夹紧力回到原来的水平，垫片的密封应力降低。在垫片设计或选用计算时，考虑垫片的蠕变松弛对于法兰接头密封性能的影响，通常可以设定比较高的螺栓载荷、选用抗松弛性能好的或者新的高性能材料垫片、再拧紧（热拧紧）等措施，以减小垫片蠕变松弛的影响。
2、法兰或螺栓的蠕变/松弛
（1）温度
由于法兰或螺栓的蠕变松弛，会影响实际作用于垫片密封面的螺栓载荷大小。但与垫片相比，螺栓和法兰蠕变松弛的影响相对较小。但具体影响有多大、程度如何，目前也没有可以使用的规范方法计算确定。在EN1591(EN13445-3附录G）中法兰接头的计算，也没有考虑到螺栓和法兰蠕变松弛对于法兰接头密封性能的影响。究其原因可能是很少有螺栓选用设计用于其蠕变温度范围的应用实例。
图4为温度对螺栓材料的应力松弛的影响。除了常温使用工况条件以外，法兰和螺栓之间存在有一定的温差，不同的热膨胀量会引起法兰接头中力/变形平衡的变化，从而引起垫片密封应力的变化。必要时应考虑取一定的安全裕量，或进行使用条件下蠕变松弛的评估，来确定使用条件下垫片的实际压缩载荷。
通常，对于法兰和螺栓选用膨胀系数相近的材料，并正确安装的法兰连接，一般认为可以在260℃以下正常使用。实际使用经验也表明①，静态或动态温度对于法兰接头密封性能的影响，大致相当于10%屈服强度的螺栓载荷的减少。
图4 B7/B16/B8M螺栓蠕变松弛曲线
（2）螺栓的短期应力松弛
螺栓的短期应力松弛会导致实际作用于垫片密封面载荷的减小。
不同于温度引起的材料的蠕变松弛行为，螺栓法兰接头在初始安装后，每个螺栓的预紧载荷/法兰接头夹紧力或多或少会有减少。不考虑安装过程程序、方法等原因，也排除安装螺栓载荷超过材料屈服极限引起蠕变，主要原因是由于局部塑性变形，如螺母承压面与法兰背面之间、螺栓和螺母配合螺纹之间（螺母的第一个螺纹，螺纹配合面不平等）。所以，大部分螺栓的短期应力松弛发生在安装拧紧后几秒钟或几分钟，在随后相当长时间内保持在一个较低的水平。见图5所示。
螺栓短期应力松弛的大小和程度很难计算预测，大多数情况需通过实验大致确定。按照NASa(1998)⑦提出的数据，由于螺栓的短期应力松弛，螺栓预紧载荷的损失大约在2%-10%。一般，可以通过多次拧紧来减少其对垫片密封应力降低的影响。
对于螺栓来说，除了材料的蠕变松弛，其他任何导致安装螺栓载荷降低的因素，都将影响到垫片密封应力的变化。通常考虑选用合适的螺栓材料，消除/减小螺栓蠕变松弛的影响。
图5 法兰接头安装拧紧后螺栓的短期松弛图6 法兰接头的转角变形
3、法兰转角
实际上法兰非完全刚性，安装时在螺栓预紧载荷作用下产生偏转，如图6所示。垫片内径处（图6中B点）部分或全部卸载，垫片密封应力沿径向不均匀分布，垫片外径处（图6中A点）应力高于内径处的应力。当有介质内压以及管道系统外载荷（外力、外弯距、温差等）作用时，将引起法兰转角变形的进一步增加。同时，螺栓拧紧力降低。此外，
也就是说，法兰接头安装拧紧螺栓后，螺栓发生一定的拉伸变形。在使用工况条件下，法兰的进一步偏转的影响，使螺栓伸长变形减少，拧紧载荷降低，导致垫片密封应力减小，从而对法兰接头密封产生不利的倾向。这也可以用来解释在实际工程应用中，安装时施加了很高的预紧力的法兰接头，使用中螺栓并没有破坏。
研究发现，法兰转角变形过大，容易引起法兰接头的密封失效，引起泄漏。垫片接触面密封应力的这种变化，大尺寸法兰接头比较小尺寸法兰接头要大。图7所示为采用缠绕垫的带颈对焊法兰接头的FEA计算结果③。分析表明，大直径法兰接头由于转角变形大，垫片密封面的应力分布不均匀程度更大。即，随着法兰直径的增加，法兰的转角变形对于法兰接头密封性能的影响增加。大尺寸法兰的刚度比尺寸法兰的刚度小，更加
容易产生转角变形比如，大直径奥氏体不锈钢法兰（刚度小），容易偏转变形过大引起泄漏。
在ASME BPV VIII-2附录2中，对法兰安装时的转角变形有一个限制（法兰刚度）。在EN1591(EN13445-3附录G）中，有安装和使用条件下法兰转角的计算，但计算方法复杂，也没有提出限制要求。
图7：垫片密封应力的径向分布
注：r0：垫片内半径，σ0：垫片内径处密封应力。
4、介质内压、外载荷
法兰接头安装预紧后，法兰、垫片、紧固件达到一个静态力/变形平衡状态。垫片上压缩载荷F G = 螺栓预紧载荷F b，图8（a）所示。
在法兰接头设计或选用时，经常是仅考虑介质内压P的作用，其在法兰接头上产生一个轴向作用力W = 1/4ЛD2P。如将由此产生的垫片压缩载荷的变化设为ΔF G，每个螺栓的拉伸载荷的变化为Δf b，则法兰接头达到新的力/变形平衡后垫片上的剩余压缩载荷为 = Fb -ΔF G(卸载)。图8（b）
如果把螺栓载荷的变化Δf b与内压P引起的轴向载荷W/N的比值定义为载荷系数Φg （Φg = Δf b /（W/N）），可以看到，当Φg为正值，螺栓载荷增加，当Φg为负值时，螺栓载荷将降低。
实际使用工况条件下，除介质内压力以外，管道系统中还可能有外载荷（外力、外弯距、温度、压力脉动等）的作用，也有使法兰接头分离的趋势，从而引起垫片接触面实际压缩应力的降低，以及螺栓拉伸载荷的增加或减少，影响法兰连接的密封性能。
因此，要弥补这样的影响，维持法兰接头的密封状态，初始安装螺栓载荷应足够大。同时螺栓也要有足够的强度，能承受相应的拉伸载荷及其可能的增加量。
所以，当有介质内压或管道系统外载荷等作用时，法兰接头安装时形成的初始力/变形平衡状态将发生改变，也就是说从安装到后续的各个使用工况条件下，螺栓载荷和垫片密封面实际的压缩应力水平都会有变化，变化数值的大小与安装时螺栓预紧载荷的大小有关，这点很重要。
（a）安装（b）使用
图8 法兰-垫片-螺栓接头作用力
垫片密封应力的变化，在法兰接头密封性能评估中占有重要的位置。这可以用一个简化的示意图来表示法兰接头中各组成元件之间力和变形的关系及其变化，称之为法兰接头载荷平衡图或密封图。法兰接头密封图经常应用于法兰接头的设计选用，可以直观地说明由于外载荷的作用引起法兰接头的力平衡变化的概念，特别是工作条件下垫片密封应力的评估。
最简单的密封图用2条直线来表示，图9所示，一条表示螺栓力和螺栓拉伸变形的关系（直线（c）），另一条表示受压元件的压紧力和压缩位移/变形的关系（直线（b））。○a点对应的两条直线的交点表示螺栓预紧后的状态，○d点表示介质内压以及外载荷作用后新的力/变形平衡点。同时也可得到法兰接头安装后螺栓力和压紧力的变化（⊿F G、⊿F b）。
这样的密封图非常简单，便于概念的理解，受压件理想化为完全弹性（相当于不考虑垫片以及法兰的偏转的影响）。一般，不能直接用于采用垫片密封的螺栓法兰接头的密封性能的评估。
图9 法兰接头载荷平衡示意图（无垫片）
通常的（传统的）观点认为，法兰接头安装后增加的外载荷几乎大部分是由螺栓来承担的，即螺栓载荷增加。但对于一个刚度较大的法兰接头，也就是说螺栓的刚度相比
较法兰/垫片的刚度要小得多的情况下，增加的外载荷部分实际由螺栓载荷增加而承担的比例很小。图10（b）。也就是说，当法兰接头安装完成后，介质内压和外载荷的作用而产生的轴向力F P，使螺栓伸长、法兰/垫片卸载（垫片回弹，法兰偏转）。法兰接头上增加的外载荷的大小，实际是由螺栓和法兰/垫片共同来承担，并按照其刚度的大小进行分摊。相对刚度大的，分摊/承担的比例就大。
如果是螺栓的相对刚度越大（法兰/垫片相对刚度小，较“软”接头），则增加的外载荷越多的部分由螺栓载荷的增加来承担，相应地垫片的卸载就小（图10（a））。这种情况对于法兰接头的密封就有利。反之，垫片/法兰的相对刚度大（较“硬”接头），同样的外载荷作用下，由垫片卸载来承担得就越多(图10（b）)，垫片密封应力的降低越多，对于法兰接头的密封就越不利。
（a）“软”接头（b）“硬”接头
图10 法兰接头载荷平衡示意图（完全弹性体）
同样的道理，对于螺栓的相对刚度较大的法兰接头，安装螺栓载荷的确定应考虑有一定的安全裕量（与最小屈服强度）。如安装螺栓载荷的目标值建议取螺栓材料最小屈服强度的50%。而对于法兰/垫片的相对刚度较大的法兰接头，安装螺栓载荷的目标值可以适当大些，如经常建议取螺栓材料最小屈服强度的75%○。这方面详见本系列文章相关专题的内容。
实际上，由于垫片的压缩-回弹变形为非线性和粘弹性的特点，法兰的偏转变形以及法兰/垫片与螺栓相对刚度的不同等因素的影响，对垫片密封应力变化的影响是不一样。图11中考虑了法兰的偏转变形以及法兰/垫片与螺栓相对刚度的不同对于垫片密封应力变化的影响。
（a）载荷系数为正(b) 载荷系
数为负
注：（e）线表示在介质内压及外载荷作用下螺栓载荷的变化；
（e）线的斜率为kΦg/（1-Φg）, k为垫片回弹刚度系数。
图11 法兰接头载荷平衡示意图
图中： (a)点为安装时初始预紧达到的力平衡状态，(d)点表示内压等外载荷作用后新的力平衡点，（e）线表示外载荷作用后螺栓载荷的变化。可见，由于外载荷的作用，垫片密封载荷降低（卸载），螺栓载荷依据法兰接头的载荷系数Φg的大小而增加或降低。法兰接头的载荷系数Φg与法兰和垫片的刚度/柔性有关。当载荷系数Φg为正时，螺栓载荷增加，载荷系数Φg为负时，螺栓载荷降低。
有研究表明，法兰的公称直径增加，法兰接头的载荷系数降低，表示增加的外载荷由螺栓承担的比例降低，相应的垫片卸载增大，对于法兰接头的密封不利。表4为对于采用缠绕垫的2in～20in、Class300的带颈对焊法兰，用FEM分析方法进行的计算结果○。通常，小直径法兰接头的载荷系数为正，大直径管法兰接头的载荷系数为负数因此，法兰尺寸增加，垫片压缩应力降低越多，越容易发生泄漏。在确定安装螺栓载荷时候，应考虑这些影响，特别是大直径法兰接头。
表4管法兰接头的载荷系数Φg
当法兰接头的载荷系数为负数时，表示螺栓载荷降低螺栓载荷降低的部分以及作用的外载荷的部分都是由垫片的卸载来承担的。在这种情况下，一是垫片的密封应力降低，不利于法兰接头的密封性能。二是当垫片的密封应力低于密封设计要求的基准值、或螺栓载荷降低至密封设计要求的最小值以下时，则导致密封失效。
图12为考虑了垫片材料的非线形（粘弹塑性）特性的法兰接头密封图，更接近于法兰-垫片-螺栓连接接头的实际密封行为。GL为垫片的压缩变形曲线，GU为垫片的回
弹（卸载）曲线。由作图法可以获得安装预紧和使用工况条件下垫片的密封应力，对法兰接头的密封性能进行评估。
但实际应用时除了垫片的应力-应变曲线（压缩和回弹）以外，还需要有安装时垫片压紧力作用下法兰/螺栓的载荷-位移曲线（BFG）和使用工况下介质内压等外载荷作用下法兰/螺栓的载荷-位移曲线（BFP）。详细的确定法兰接头中使用工况条件下垫片的密封应力水平的方法见参考文件[6]
因此，使用工况条件下，介质内压以及系统的外载荷的作用，对于垫片密封应力降低的影响，与安装时预紧螺栓载荷的大小、垫片材料和种类（压缩-回弹特性）、法兰/垫片与螺栓的相对刚度、法兰的偏转等因素有关。
管道系统中的法兰接头，由于管道系统的布置，或安装时不对中等原因承受外弯距的作用。在外弯距的作用下，法兰接头一侧受拉伸，垫片密封应力降低，容易导致泄漏或泄漏量增加。另一侧受压缩，垫片密封应力增加，容易被压坏。所以，外弯距的（存在）对于法兰接头的泄漏的影响是相当大的。
（a）垫片刚度较大（b）垫片刚度较小
图12 法兰接头密封图
5、安装过程
法兰接头的安装过程中，存在众多影响垫片密封应力大小及其变化（降低）的因素，如螺栓的交互作用、不正确的拧紧方法、安装误差、使用工具、法兰密封表面缺陷以及其他诸多不确定因素（操作载荷的不确定，温度/压力脉动、热循环等），从而引起各种偏差或偏离，导致螺栓载荷分布不均匀及目标螺栓载荷的大小，也影响垫片密封面应力的大小和分布，引起法兰连接的密封失效。
所以，从保证法兰接头使用密封性的观点，应保证有足够的目标安装螺栓载荷，以保证在各种可能的使用工况条件下，垫片密封面始终具有足够的压缩应力，以满足法兰接头密封设计的要求。这方面的纤细内容参见本系列文章的其他相关专题。
6、ASME PCC-1-2010方法
ASME PCC-1是关于承压设备用法兰接头安装的指导性技术文件，目的是控制由法兰接头引起的泄漏，并已得到广泛的工程应用。
ASME PCC-1依据长期的实践经验和试验研究的积累，推荐以B7螺栓屈服强度的50%作为目标安装螺栓应力，并确认对于大多数采用非金属平垫片或半金属平垫片用于Class系列标准法兰是可行的。对于垫片的松弛系数，推荐在没有实测数据的情况下可取，即认为法兰接头由安装到使用过程中，螺栓紧固载荷的损失越为30%。
由于，Class300带颈对焊法兰采用缠绕垫时，其垫片密封应力的变化如表5所示。从安装到使用过程中，垫片的密封应力是降低的，相同压力等级下，尺寸越大下降得越多。
表5 缠绕垫的密封应力变化
总结
在法兰-垫片-螺栓连接的密封性能评估中，法兰接头安装时以及后续的各个使用工况条件下的垫片密封接触面的实际压缩应力水平，直接影响法兰接头的紧密性程度。所以，垫片密封应力的大小及其变化，在法兰接头密封性能评估中占有重要的位置。特别是介质内压和外载荷的作用对于垫片密封应力降低的影响，急需确立适合工程实用的计算或评估方法。
从法兰接头的安装到各种使用条件下，最大安装螺栓载荷、垫片/螺栓/法兰材料的蠕变松弛性能、法兰在弯距作用下的偏转、法兰/垫片与螺栓材的相对刚度大小、不同材料和类型垫片的压缩回弹性能以及安装过程中的诸多不确定因素都将影响垫片的密封应力的降低，当垫片密封应力低于密封设计要求的基准值时，则导致法兰连接的密封失效和泄漏的发生。
可以说泄漏对于垫片的密封应力的降低是非常敏感的。考虑安装到使用期间，各种可能引起垫片密封应力降低的因素的影响，在考虑有一定安全裕量的前提下，最简单也
是最有效的方法就是尽量提高目标安装螺栓载荷，即提高垫片的目标安装应力水平。尤其是高压和大直径法兰接头，这对于保证使用条件下法兰连接的密封性能、控制泄漏的发生是有利的。
参考文献：
1、Improved flange design method for the ASME 8,
2、Daniel F. Reid etc，“ A PRACTICAL APPROACH TO EVALUATING FASTENER PRELOAD RETENTION WITH ELASTOMERIC GASKETS”，PVP2008-61583
3、New Development in Studies on the Characteristics of Bolted Pipe Flange
Connections in JPVRC, Toshiyuki Sawa etc, Journal of Pressure Vessel Technology, ,103
4、Vikram N. Shah2，“UNCERTAINTY OF PRELOADS IN CLOSURE BOLTS FOR RANSPORTATION CASKS FOR HAZARDOUS AND RADIOACTIVE M ATERIALS”，PVP2008-61360
5、Satoshi Nagata etc，"LOAD FACTOR BASED CALCULATION FOR BOLT LOAD AND GASKET LOAD CHANGES DUE TO INTERNAL PRESSURE", PVP2004-2626
6、NEW TIGHTENING DIAGRAM FOR BOLTED FLANGED GASKETED JOINTS, Yoshio UENO etc, PVP2006-ICPVT11-93541
7、Bickford, ., "An Introduction to the Design and Behavior of Bolted Joints, 3rd ED.",
Marcel Dekker Inc., 1995
8、Toshiyuki SAWA etc，“ STRESS CHARACTERISTICS OF LARGE DIAMATER PIPE FLANGE CONNECTION WITH NON-ASBESTOS GASKET UNDER ELEVATED TEMPERATURE”，
PVP2008-61190
9、ASME PCC-1-2010 “Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly”
垫片选择选型(详细1)
垫片弹片选型指南编辑：马立强
前言 本手册是指导设计、工艺、质检的参考手册。根据手册的相关标准及参考行业的相关标准进行垫片、弹片选型，并指导工艺设计、质量检验和质量验收。
第一章垫片原材料选择 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。优质薄碳钢板地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，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。推荐最续工作温度不超过426℃。 8．紫铜 紫铜的成份接近于纯铜，其含有微量的银以增加其连续工作温度。推荐最续工作温
垫片选型
石化行业如何选用垫片？HG20608-97为柔性石墨复合垫，HG20609-97为金属包覆垫，HG20610-97为缠绕垫，HG20611-97为齿形组合垫。 问：HG20608-97为柔性石墨复合垫，HG20609-97为金属包覆垫，HG20610-97为缠绕垫，HG20611-97为齿形组合垫。根据HG20614-97《钢制管法兰、垫片、紧固件的选配规定》，本人认为上述四种垫片在多数情况下是可以通用的。想请教大家本人的想法是否准确？在石化设计中通常选用哪一种垫片？如果考虑经济性，应优先选用哪一种垫片？ 答一：一般炼油厂应用最普遍的是缠绕垫.柔性石墨复合垫承受力不够,压紧一次就损坏了.金属包覆垫一般用在防腐蚀部位,压力也不太高.聚四氟垫对温度压力也有要求(多用在1.0MP,250度一下),齿形组合垫用在特殊密封部位. 所以缠绕垫比较耐用常见的.比如可以热紧.发生轻微泄露可以继续适当紧固.一般内外环缠绕垫用在平面法兰压力1.0MP以下;内环缠绕垫用于凹凸面法兰,压力2.5MP4.0MP6.4MP和部分10.0MP部位. 较高压力时一般还常使用梯形槽法兰配钢圈垫片,压力使用在4.0MP~40MP,比如中高压蒸汽系统. 答二：要素：1、温度 2、压力 3、介质 4、开工周期 5、压力温度的波动 6、经济性 上面提到的几种垫片，由于其刚性、垫片系数等原因，大多数场合可以互替，但要考虑经济性。 答三：按标准来就可以只要压力等级搞对了就没问题！我选择4.0Mpa以上的要选用RJ的金属环垫，以下的石墨缠绕垫要316L石墨填充的，金属包垫也可以！看温度和介质也有很大关系，灵活用吧！10。0Mpa以上的还可以使用透镜垫的视情况吧！ 答四：常用的垫片可以分为三大类，即非金属垫片、半金属垫片和金属垫片。 a.非金属垫片： 石棉橡胶垫片，它是通过向石棉中加入不同的添加剂压制而成。在美国，很多标准中都将石棉制品列为致癌物质而禁用。但在世界范围内，石棉仍以其弹性好、强度高、耐油性好、耐高温、易获得等优点而得到广泛应用。 适用范围：T≤260℃，PN≤2.0MPa（SH 3401） T≤400℃，PN≤4.0MPa（国标） 用于水、空气、氮气、酸、碱、油品等介质工况下。 聚四氟乙烯(PTFE)包覆垫片： 适用范围：T＝－180～200℃，PN≤4.0MPa 常用于低温或者要求干净的场合下 b.半金属垫片 半金属垫片有缠绕式垫片、金属包覆垫片和柔性石墨缠绕垫三大类。 缠绕式垫片：是半金属垫片中最理想、也是应用最普遍的垫片。 特点：压缩回弹性好、强度高，有利于适应压力和温度的变化，能在高温、低温、冲击、振动及交变载荷下保持良好的密封性能。 缠绕钢带：20、1Cr13、0Cr19Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2等材料 非金属缠绕带：特制石棉、柔性石墨带和聚四氟乙烯带， 适用范围：PN＝2.0～10.0MPa 表6－3缠绕式垫片的型式及代号
机械设计必备知识点 —— 密封垫片如何选型
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。
密封垫片的正确安装方法
密封垫片的正确安装方法 垫片是解决“跑、冒、滴、漏”的静密封的零件。由于静密封的结构形式很多，故按照这些静密封形式，相应地出现了平面垫、椭圆垫、透镜垫、锥面垫、液体密封垫、O形圈以及各种自密封垫等。 垫片的正确安装，应在法兰连接结构或螺纹连接结构、静密封面和垫片经检查无疑，其他阀件完好无损的情况下进行。 1、装垫片前，密封面、垫片、螺纹及螺栓螺母旋转部位涂上一层石墨粉或石墨粉用机油(或水)调合的泣滑剂，垫片、石墨应保持干净。 2、垫片安装在密封面上要逢中、正确，不能偏斜，不能伸入阀腔或搁置台肩上。垫片内径应比密封面内孔大，外径应比密封面外径稍小，这样才能保证垫片受压均匀。 3、安装垫片只允许装一片，不允许在密封面间装两片或多片来消除两密封面间的间隙不足。 4、椭圆垫片的密闭应使垫片内外圈相接触，垫片两端面不得与槽底相接触。 5、O形圈的安装，除圈和槽应符合设计要求外，压缩量要适当，金属空心Ｏ形圈一般压扁度为10%~40%，橡胶Ｏ形圈的压缩变形率，圆柱面上的静密封取13%～20%；平面静密封面取15%~25%。对内压高的，真空上使用压缩变形应高一些。在保证密封的前提下，压缩变形率越小越好，可以延长Ｏ形圈的寿命。 6、垫片在上盖前，阀门应处于开启的位置，以免影响安装和损坏阀件。盖时要对准位置，不得用推拉的办法与垫片接触，以免垫片发生位移和擦伤。调整盖的位置时，应将盖慢慢地提起，再对准轻轻地放下。 7、螺栓连接或螺纹连接的垫片的安装，应使垫片处在水平位置上(螺纹连接的垫片盖，有扳手位置的不得用管子钳)。螺纹拧紧应采用对称、轮流、均匀的操作方法，螺栓应扣满、齐整、无松动。 8、垫片压紧前，应对压力、温度、介质的性质、垫片材料特性了解清楚，确定预紧力。预紧力应保证在试压不漏的情况下，尽量减小(过大的预紧力容易破坏垫片，使垫片失去回弹力)。 9、垫片上紧后，应保证连接件有预紧的间隙，以备垫片泄漏时有预紧的余地。 10、在高温工作时，螺栓会产生高温蠕变，产生应力松弛，变形增大，导致垫片处泄漏，需要热紧。反之，在低温条件下，螺栓会产生收缩，需要冷松。热紧为加压，冷松为泄压，热紧和冷松应在保持工作温度24h后进行。 11、密封面采用液体密封垫片时，其密封面应清理或进行表面处理。平面密封面应研磨
常用密封件的分类及选型步骤
在机械设备中密封的功能是防止泄漏。起密封作用的零件称为密封件，简称密封。密封 件是机械产品中应用最广的零部件之一。在石油、石化、化工等的生产、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和润滑油的“跑、冒、滴、漏”，给生产带来了极大危害。 设备中的工作介质或润滑剂的泄漏，会造成浪费并污染环境，泄漏到环境中的物质一般 难以回收，严重污染了空气、水以及土壤。例如，很多化工厂区气味难闻，烟雾弥漫，对环境造成严重污染，严重危害职工的身体健康；易燃、易爆、剧毒、腐蚀性、放射性物质的泄漏，有可能发生着火、爆炸、中毒等事故，造成厂毁人亡，会危及人身及设备的安全：环境中的气体、灰尘、水等进入机械设备内会导致轴承、齿轮等过早地磨损报废，混入化工装置内会影响化工产品纯度；流体机械内部泄漏会影响容积效率等。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，发生事故的危险越来越大，造成的经济损失也越来越大。往往一处管线、一台设备的泄漏就有可能导致一套装置，乃至全厂停产，还极可能会引起火灾、爆炸，造成人员伤亡等重大事故发生。因此，密封性能已成为评定机械产品质量的一个重要指标。 常用密封包括机械密封、液压与气动密封、垫密封、填料密封、胶密封、迷宫密封、螺旋密封、磁流体密封、高压密封等。 以下是我们在非标设备设计中需要常用到的一些密封件的选型步骤、设计技术要求等资料，各种常见密封的密封原理、基本结构、特点、使用性能、适用条件，如何根据使用条件，合理地选择密封材料、密封型式，正确进行密封结构的设计。 一、密封的分类 密封件可分为相对静止接合面间的静密封和相对运动接合面间的动密封两大类。静密封的密封部位是静止的，如管道法兰、螺纹连接、压力容器与盖间的密封等。动密封的密封部位有相对
垫片基础知识
垫片基础知识 一、基本概念 1.垫片密封原理： 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。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。 2.垫片密封的泄漏有二种：渗透泄漏与界面泄漏 渗透泄漏(垫片中间泄露)：对非金属材料而言，从材料的微观结构看，本身存在微小缝隙和细微的毛细管。具有一定压力的流体自然容易通过它们泄漏出来，此泄漏称为渗透泄漏，其泄漏量约占总泄漏量的10～20％。可以采用不同材料的复合或机械组合型式形成不渗透性的结构。或者使用较大的压紧力使材料更加密实，减少以至消除泄漏。 界面泄漏(两连接面泄露)：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，它们与垫片之间总存在泄漏通道，由此产生的泄漏叫界面泄漏，其泄漏量约占总泄漏量的80～90％。界面泄漏与垫片材料的性质、接头的机械性质与状态、密封流淌的特性以及紧固件的夹紧程度有关。 总结:要少泄露,首先垫片要“夹紧”，同时要求垫片有一定的“回弹力”以回弹填满空隙，否则也不行。回弹力取决于垫片本身的材质和结构及使用条件（温度、压力）。垫片夹紧后（初始密封），在介质压力作用下（垫片内侧直接和介质接触）的密封叫工作密封。从理论上说，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。紧固件因受热引起应力松弛、垫片老化弹性下降，垫片长期受压等原因都可能导致“昨天不漏今天漏”。 二、钢制管法兰用垫片标记 根据现行国家标准《钢制管法兰、垫片、紧固件》（HG/T 20592～20635-2009）的要求，钢制管法兰用垫片（PN系列）标记规定如下： 其中： a为标准编号 1、HG/T 20606-2009 钢制管法兰用非金属平垫片（PN系列）； 2、 HG/T 20607-2009 钢制管法兰用聚四氟乙烯包覆垫片（PN系列）； 3、HG/T 20609-2009 钢制管法兰用金属包覆垫片（PN系列）； 4、HG/T 20610-2009 钢制管法兰用缠绕式垫片（PN系列）； 5、 HG/T 20611-2009 钢制管法兰具有覆盖层的齿形组合垫（PN系列）； 6、HG/T 20612-2009 钢制管法兰非金属环形垫（PN系列）。 b为垫片名称 1、非金属平垫片用“垫片”表示； 2、聚四氟乙烯包覆垫片用“四氟包覆垫”表示； 3、金属包覆垫片用“金属包垫片”表示； 4、缠绕式垫片用“缠绕垫”表示； 5、具有覆盖层的齿形组合垫用“齿形垫”表示。 6、非金属环形垫用“椭圆垫/八角垫”表示。
各种垫片图片及参数
密封垫片的选型 https://www.360docs.net/doc/df15770784.html,/ (2004-9-13 12:24:46) --密封技术 任何一种类型的垫片，在恶劣的使用环境中，要保证长时间的有效密封，都必须具备以下八个重要特性： 垫片的气密性 对于密封系统的介质，垫片在推荐的温度和压力工作一定时间内不发生泄露。 垫片的可压缩性 垫片和法兰的接触面在连接螺栓紧固后，应能很好吻合，以保证密封。 垫片的抗蠕变性 垫片在压力负荷和使用温度的影响下，抗蠕变性应较好，否则回造成螺栓扭距损失，导致垫片的表面应力减小，从而硬气系统泄露。 垫片的抗化学腐蚀 所选用的垫片应不受化学介质的腐蚀，而且不能污染介质。 垫片的回弹性 即使在系统稳定的状况下，相连接的两个法兰由于温度和压力的影响肯定会存在微小位移，垫片的弹性功能应能弥补此位移，以保证系统的密封性。 垫片的抗黏接性 垫片在使用后应能方便的从法兰上拆除，不粘接 垫片的无腐蚀性 垫片应对连接的法兰表面无腐蚀性。 垫片的耐温度 所选用的垫片应保证在系统的最低温度和最高温度下正常使用。 金属缠绕垫片、外缠绕内加强垫片、内缠绕外加强垫片、内外加强垫片四种,其实就是基本型、内加强型、外加强型、内外加强型。 具体应用：基本型-------榫槽面及凹凸面法兰 内加强型-----凹凸面法兰 外加强型-----平面及凸面法兰 内外加强型---平面及凸面法兰
密封件选用参考
垫片的安装 https://www.360docs.net/doc/df15770784.html,/ (2004-9-13 12:24:46) --密封技术 垫片的安装： 保证系统的密封除了要有好的密封材料外，还要按照以下正确的安装方式： 1、垫片必须安放在法兰的正中心，在突面法兰上尤为重要； 2、保证密封面的平整度和加工精度； 3、必须均匀对称的紧固连接螺栓； 4、必须使用弹簧垫圈以保证负荷均匀，紧固螺栓时使用扭力矩扳手； 5、在系统运行一天后，检查和重新校正连接螺栓的扭矩； 6、为保证垫片使用寿命，请不要使用液体或金属基体的防粘剂或润滑剂。
平垫圈材料的选择
垫圈材料的选择 2008-11-27 来源：未知收藏此信息推荐给好友 在螺纹紧固件中因螺栓、螺钉、螺母的支承面不可能做得很大（受材料与工艺的限制），为减小承压面的压应力，保护被连接件的表面而采用垫圈。 为防止连接副的松动采用防松的弹簧垫圈和多齿形锁紧垫圈、圆螺母止动垫圈以及鞍形、波形、锥形弹性垫圈。 平垫圈主要用于减小压强，当有的部位拧紧轴向力很大时，易使垫圈压成碟形，这时可改用材料和提高硬度来解决。 弹簧垫圈的锁紧效果一般，重要部位尽量少用或不用，而采用自锁结构。对于用于高速拧紧（气动或电动）的弹簧垫圈，最好采用表面磷化处理的垫圈，提高其减磨性能，否则易摩擦发热而烧坏或张口，甚至损坏被连接件表面。对于薄板连接处，不应采用弹簧垫圈结构。据统计，弹簧垫圈在汽车上使用得越来越少了。 齿形弹性垫圈中的连接齿形由于锁紧力大而且均匀，在汽车行业中使用较多，而间隔齿型的则少一些。 对于弹簧垫圈、弹性垫圈，根据国标，一般可选择GB699-1999 《优质碳素结构钢》中的60 、70 钢和65Mn 钢。 我国平垫圈标准共有9项，从2000-2002年分别批准发布了GB/T97.3－2000、GB/T5 286－2001、GB/T95－2002、GB/T96.1－2002、GB/T96.2－2002、GB/T97.1－2002、G B/T97.2－2002、GB/T97.4－2002及GB/T5287－2002 等平垫圈标准。 根据平垫圈性能等级，作者推荐使用材料： 对于100HV级的可选用ST12、ST13及Q235、Q215、Q195等等，表面硬度可达到110HV 左右；
对于140HV级的可选用08F、08Al及10、10F等等，表面硬度可达到140HV左右； 对于200HV和300HV级的应选用45、50、60、70钢或65Mn钢，可通过热处理淬火回火达到200～300HV和300～400HV技术要求。 由于根据标准对于100HV 、140HV级的平垫圈可用低碳钢制造。一般企业在选用材料时大多数是采用宝钢材料，便于冷冲压。下面对Q/BQB403-2003宝钢标准作一点简述。 《冷连轧低碳钢板及钢带》及Q/BQB403－2003企业标准与BZJ407－1999标准相比有主要变化： ?对牌号进行了修改和整合 牌号由常用8种，整合为5种 St12改为DC01 ； ST13改为DC03 ； St14、St15改为DC04 ； BSC2改为DC05； St16、St14-T、BSC3改为DC06。 ?表面质量级别由两种修改为三种： 较高级的精整表面（FB ），表面允许有少量不影响成型性及涂、镀附着力的缺陷，如轻微的划伤、压痕、麻点、辊印及氧化色等。 高级的精整表面（FC ）产品二面中较好的一面无肉眼可见的明显缺欠，另一面必须至少达到FB 的要求。 超高级的精整表面（FD ）产品二面中较好的一面不得有任何缺欠，即不能影响涂漆后的外观质量或电镀后的外观质量，另一面必须至少达到FB 的要求。 表面结构由四种修改为两种，并增加了表面粗糙度的控制值。
法兰密封垫片选型参考
法兰密封垫片选型参考 一、垫片密封机理 泄漏——即介质从有限空间内部流到外部，或从外部进入有限空间内部的人们不希望 发生的现象。 介质流动通过内外空间的交界面即密封面发生泄漏。造成泄漏的根本原因是由于接触面上存在间隙，而接触面两侧的压力差、浓度差则是泄漏的推动力。由于密封面的形式及加工精度等因素的影响，密封面上存在间隙在所难免，这就造成密封面不完全吻合，从而发生泄漏。要减少泄漏，就必须使接触面最大程度地嵌合，即减小泄漏通道的截面积、增加泄漏阻力，并使之大于泄漏推动力。对密封面施加压紧载荷，以产生压紧拉力，可提高密封面的接触程度，当应力增大到足以引起表面产生明显的塑性变形时，就可填补密封面的间隙，堵塞泄漏通道。使用垫片的目的就是利用垫片材料在压紧载荷的作用下较容易产 生塑性变形的特性，使之填平法兰密封面的微小凹凸不平，从而实现密封。 二、垫片密封的泄漏形式 1、界面泄漏 2、渗透泄漏 “界面泄漏”与“渗透泄漏” 三、影响垫片密封连接，导致泄漏的主要因素 1、气体的泄漏率大于液体的泄漏率，黏度小，泄漏率大。 2、工况的影响：介质的压力、温度等 ①介质两侧的压力差越大，介质就越易克服泄漏通道的阻力，泄漏就越容易； ②垫片的弹、塑性变形量均随温度升高而增大，而回弹性能随温度升高而下降，蠕变量则随温度的升高而增大。且随着温度的升高，垫片的老化、失重、蠕变、松弛现象就会越来越严重。此外，随着温度的升高，液体的黏度降低，而气体的黏度增加。温度越高，泄漏越容易发生。
3、法兰表面粗糙度的影响 通常表面粗糙度越小，泄漏量越小。这主要是由于粗糙度小的密封表面，其凹凸不平易被填平，从而使得界面泄漏大为减少。 4、垫片压紧应力的影响 垫片上的压紧力越大，其变形量就越大。垫片的变性一方面有效地填补了法兰表面的不平度，使得界面泄漏大为减少；另一方面使得垫片本身内部毛细孔被压缩，泄漏通道的截面减小，泄漏阻力增加，从而泄漏率大大减小。但如果垫片的压紧应力过大，则易将垫片压溃，从而失去回弹能力，无法补偿由于温度、压力引起的法兰面的分离，导致泄漏率急剧增大。因此要维持良好的密封，必须使垫片的压紧应力保持在一定的范围内。 5、垫片几何尺寸的影响 ①垫片厚度的影响 在同样的压紧载荷、同样的介质压力作用下，泄漏率随垫片厚度的增加而减小。这是由于在同样的轴向载荷作用下，厚垫片具有较大的压缩回弹量，在初始密封条件已经达到的情况下，弹性储备较大的厚垫片比薄垫片更能补偿由于介质压力引起的密封面间的相对分离，并使垫片表面保留较大的残余压紧应力，从而使泄漏率减少。 ②垫片宽度的影响 在一定的范围内，随着垫片宽度的增加，泄漏率呈线性递减。这是因为，在垫片有效宽度内介质泄漏阻力与泄漏通道的长度（正比于垫片宽度）成正比。但不能说垫片越宽越好，因为垫片越宽，垫片的表面积就越大，这样要在垫片上产生同样的压紧应力，宽垫片的螺栓力就要比窄垫片大得多。 垫片的性能和参数 一、垫片的常温性能 1、垫片的压缩性——指压缩后垫片厚度的变化量，它表征垫片刚性的大小。 垫片的回弹性——指压缩载荷卸除后垫片厚度的回复量。 无论哪种结构形式的垫片都有一定的塑性，即在压缩过程中，当垫片的载荷超过一定限度，垫片除产生弹性变形外，还会产生部分塑性变形或永久变形。即使是弹性最好的橡胶垫片也会产生大于5%~10%的塑性变形。 螺栓—法兰—垫片连接的密封，本质上是通过垫片变形，减小法兰与垫片之间及垫片本体的毛细孔截面积，增加流体泄漏阻力来实现密封的。
关于硅橡胶密封垫片材质和特性的介绍
如何正确选择一款硅橡胶密封垫？ 如何正确选择一款硅橡胶密封垫 首先应该考虑我们需要的密封垫片应该达到哪些要求，请参考以下几点： 1.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。如前所述，为了在工作条件下保持密封，垫片材料应能耐受蠕变，以降低垫片应力松驰。室温下，大多数垫片材料没有大的蠕变，但随着温度的升高（超过100℃），除大多数金属垫片外，蠕变变得严重了。因此最容易区分垫片质量优劣的是垫片在不同温度下的蠕变松驰性能。除了短期能耐受的最高或最低工作温度外，应考虑允许连续工作的温度，通常该温度低于最高工作温度和高于最低工作温度。 2.压力：垫片必须承受最大的工作压力。这种压力可以是试验压力，因为它可能是最大工作压力的1.25～1.5倍。对于非金属材料的垫片，因其P×T值有一极限值，所以在选择其最大工作压力时，要考虑垫片所能承受的最高工作温度，尤其是饱和水蒸气，其蒸汽压力越高，蒸汽温度也就越高。用于真空操作条件下的垫片也要做特殊考虑，对于一般真空（760～ 1Torr）（1Torr=133.322Pa）可采用橡胶或橡胶粘结纤维压缩垫片；对于较高真空（1～ 1×10-7Torr）可用橡胶O形环或矩形模压密封条；对于很高真空（1×10-7Torr以上），则需采用特殊的密封材料和结构形式。 3.安全性：如果密封高度毒性的化学品，则要求垫片具有更大的安全性。例如对液化气系统，选用缠绕垫片较佳，且宜选用带外环形式的，使之具有较高的抗吹出能力。此外，对石油炼制厂，还有防火的要求。例如，对于输送易燃液体的管道系统，非金属垫片用于全平面或突面法兰上的最高使用压力为5Mpa，最高使用温度为400℃。 4.经济性：虽然垫片相对比较便宜，但在选择垫片的品质、类型和材料时，应考虑到泄漏造成的物料流失、停工损失以及发生重大破坏造成的经济后果，综合考虑垫片的性能与价格比 5.其他考虑 还有许多影响选择垫片材料和结构形式的因素 （1）循环载荷如果温度和压力存在频繁的波动，则垫片必须有足够的回弹能力。 （2）振动如果管线有振动，那么垫片就必须能经受反复的高循环应力作用。 （3）磨损某些含悬浮颗粒的介质会磨损垫片，以致缩短垫片的使用寿命。 （4）污染介质如果密封介质是饮用水、血浆、药品、食品、啤酒等，要考虑垫片材料的化学物质污染介质，需采用符合食品和医药卫生要求的PTFE或橡胶等材料。 硅橡胶质：如天然橡胶（NR）及各种合成橡胶[包括丁腈橡胶（NBR）、氯丁橡胶（CR）、丁苯橡胶（SBR）、氟橡胶（FPM）、硅橡胶（VMQ）、乙丙橡胶（EPDM）等； 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℃。
如何选择密封垫片的材料
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。优质薄碳钢板地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 紫铜的成份接近于纯铜，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。
系统管道密封垫片的选用
系统管道密封垫片的选用 垫片密封性能基础的好坏，对保证安全生产、减少维修、节约能源、企业生产效益有重要作用。因此火力发电厂对密封垫片的性能及系统管道上垫片的选用提出愈来愈高的要求。 火电机组中最为常见的密封垫片型式主要有： 1、石棉橡胶板： 这种垫片是应用时间最早的密封材料，包括普通型和耐油型两种，其中又分高压、中压和低压各种牌号。它是由石棉纤维、胶料和其它填充材料经混炼加热和碾压而成。由于石棉纤维强度较高，又能耐较高的温度（石棉耐温性能通常在480℃以内，高于此温度时石棉纤维内的结晶水会分解而失去强度），材料来源广泛，制造上便于工业化生产，能根据需要在现场做成各种形状规格的垫片，使用较方便，价格便宜，因此，一直以来是应用较广泛的传统密封材料。但是此种垫片的缺点在使用过程中容易发生松弛现象，影响其使用寿命，由于石棉是公认的致癌物质，因此已有不少国家将其列入禁用范围。石棉材料已逐步被其他新材料所替代，使用量逐步减少。 2、聚四氟乙烯垫片： 聚四氟乙烯垫片一般在压力不大于4MPa，温度不超过150℃的情况下使用。聚四氟乙烯材料具有非常优秀的化学耐腐蚀性和宽广的耐温特性，其能够耐酸、碱、溶剂的腐蚀等化学物质的腐蚀，耐温范围可达-250℃~+250℃，而且具有洁净不污染的特点，因此在火力发电厂凝结水处理系统和再生系统中多采用此种垫片。但是这种垫片最大的缺点是其冷流性能，即使在常温下，随着时间的推移其接触应力会减少，即容易产生应力松弛，从而影响垫片的使用寿命。
3、石墨复合垫： 柔性石墨具有极其优秀的耐温性（-260℃~+1500℃），耐腐蚀性，应力松弛率小，其做成的密封件具有很好的密封性能。缺点是其机械强度还不够高，因此在单独使用时受限制。为此在使用上一般和其他材料做成复合型垫片。石墨复合垫是已经冲刺的金属薄板为骨架，在其表面复合柔性石墨构成。作为骨架的金属薄板仅起增加强度和整体刚性的作用，以便制作和使用方便。石墨复合垫密封性能较好，但由于材料强度不高，在高压强度下使用安全性能不高因此一般将其作为非石棉密封材料取代传统的石棉橡胶板。它可用于一般参数场合，也可在高温低压场合下使用。 4、缠绕垫： 缠绕垫具有良好的密封性能，能适应高温高压参数的要求，其回弹性也较好，在温度和压力变化的场合下仍能保持较好的密封性，但是，由于结构原
密封垫片基础知识
垫片 一、垫片的种类 垫片的种类繁多，按其材料和结构大致可分为三大类。 1.非金属垫片 有橡胶、石棉橡胶板、柔性石墨、聚四氟乙烯等，截面形状皆为矩形； 2.金属复合型垫片 有各种金属包垫、金属缠绕垫； 3.金属垫片 有金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫、三角垫、双锥环、C形环、中空Ｏ形环等。 按照密封分类的原则，上述垫片中的第一、第二和第三类的金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫属于强制型密封，而其余则为半自紧或自紧式密封。 二、垫片的性能和构造 各种垫片的性能和构造分别介绍如下： 1.非金属垫片 （1）橡胶板用于密封的橡胶品种较多，一般有天然橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、异丁橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶。 制作垫片的橡胶板材用量较大的有天然橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶三种。近几年，氟橡胶等特种橡胶也逐步推广使用。 有关橡胶板材的数据，详见工业橡胶板标准GB5574-85。 （2）石棉橡胶板石棉橡胶板是由石棉、橡胶和填料经压制而成的。根据其配方、工艺、性能及用途不同，主要有高压石棉橡胶板、中、低压石棉橡胶板和耐油石棉橡胶板。 制造石棉橡胶板的石棉材料有温石棉、蓝石棉（青石棉）两种。温石棉属于蛇纹石类石棉，其主要成分是含有约13%结晶水的镁硅酸盐，它耐热、耐碱性好，抗拉强度高，耐酸性能较差，大多数石棉橡胶板都由它制作。蓝石棉属于角闪石类石棉，主要成分是含有2.5～3.5%结晶水的硅酸盐，氧化镁成分极微，氧化铁约占18～24%。蓝石棉不仅耐热性能好，而且耐酸性能也好，故多被用于制造耐酸石棉橡胶板。
石棉纤维的质量对石棉橡胶板的性能影响较大，故要求石棉纤维抗拉强度高，耐热性能好，有一定的长度，纤维易挠曲，有弹性。一般高压石棉橡胶板和400号耐油石棉橡胶板都采用2、3级石棉纤维。 因为石棉属疏松性材料，压制成板材后内部尚有大量孔隙，须加入一定量的橡胶（作为粘结剂）和各种填充剂制成石棉橡胶板。加入的粘结剂和填充剂可以填塞空隙，防止渗漏。一般，石棉纤维占60~85%。 例如，高压石棉橡胶板XB450其配方如下： 其余为硫化剂和填充剂。 400号耐油石棉橡胶板配方如下： 石棉纤维68%；丁腈橡胶（内含36~40%丙烯腈）17%；碳酸钙8.2%；酚醛树脂1. 5~2%；其余为硫化剂及各种填充剂。 石棉橡胶板有适宜、弹性、柔软性、耐热及耐介质性，用它制作垫片，既方便又便宜，因此在化工企业中，尤其是中、小型化工厂得到广泛应用。有关标准见表2-1. 随着石油化学工业的迅速发展，石棉橡胶板相继出现了一些新产品。例如，由石棉橡胶板和一层或多层镀锌钢丝或不锈钢丝网组成的增强石棉橡胶板以及在石棉中加入氟橡胶制成的耐酸耐油石棉橡胶板。 （3）柔性石墨板材及带材柔性石墨是一种新颖的密封材料，具有良好的回弹性、柔软性、耐介质性、耐温性，在化工企业中迅速得到推广应用。其板材和带材的性能见第十四章。 （4）聚四氟乙烯聚四氟乙烯是合成树脂材料中的佼佼者。优良的耐腐蚀性能使他在绝大部分强腐蚀介质中可作为密封垫片，对于不允许物料有污染的医药、食品等行业尤为合适，是塑料中使用温度最高者。但是聚四氟乙烯材料受压后易冷流，受热后易蠕变，影响密封性能。通常加入部分玻璃纤维、石墨、二硫化钼，以提高抗蠕变和导热性能。 聚四氟乙烯垫片通常是由板材裁制的。它还可与石棉橡胶板、石棉板制成聚四氟乙烯包垫。其结构见图2-3。
管路法兰及垫片的选用
目前管道工程常用的连接方式有螺纹连接、焊接连接、法兰连接、承插连接、沟槽连接等形式。 低压管道PN≤ 2.5MPa 中压管道PN=4— 6.4MPa 高压管道PN=10—100MPa 超高压管道PN＞100MPa 是按照公称压力分。 公称压力： 管子、管件等在基准温度下的耐压强度成为公称压力。 xx连接 法兰连接是将垫片放入一对固定在两个管口上的法兰的中间，用螺栓拉紧使其紧密结合起来的一种可拆卸的接头。法兰种类: 按法兰与管子的固定方式分为螺纹法兰、焊接法兰、松套法兰；按密封面形法兰种类式可分为光滑式、凹凸式、榫槽式、透镜式和梯形槽式。 螺纹xx： 主要用于镀锌水、煤气钢管的连接，其密封面为光滑式。其公称压力常用的有 0.6MPa、 1.0 MPa、 1.6MPa三种。
焊接xx： 是管道连接中最常用的法兰，分为平焊法兰和对焊法兰两种。 1、平焊xx： 又叫搭焊法兰与管子焊接时将管子插入法兰孔内，在法兰内外部与管子进行搭接角焊。其公称压力常用的有 0.6MPa、 1.0 MPa、 1.6MPa和 2.5MPa四种。平焊法兰的密封面有光滑式和凹凸式。 2、对焊xx： 又叫高颈法兰，与平焊法兰的区别是带有一段锥形短管。法兰与管子的结合实质上是短管与管子的对口焊接。 故称对焊xx。一般用于公称压力≥ 4.0 MPa或温度大于300℃的管道上。对焊法兰有光滑式、凹凸式、榫槽式和梯形槽式四种 密封面形式。其中光滑式和凹凸式最为普遍。松套法兰： 松套xx： 也叫活套xx或活动xx。 分为平焊松套法兰、对焊松套法兰、卷边松套法兰。这种法兰接口，就是利用钢环或管口卷边把法兰套在管端上，因此法兰可以在管端上活 动，故称松套xx。 1、平焊松套xx：
密封垫的选用
密封垫的选用 密封垫的选用原则是：对于要求不高的场合，可凭经验来选取，不合适时再更换。但对那些要求严格的场合，例如易爆、剧毒和可燃性气体以及强腐蚀的液体设备、反应罐和输送管道系统等，则应根据工作压力、工作温度、密封介质的腐蚀性及结合密封面的形式来选用。 一般来讲，在常温低压时，选用非金属软密封垫；中压高温时，选用非金属与金属组合密封垫或金属密封垫；在温度、压力有较大波动时，选用弹性好的或自紧式密封垫；在低温、腐蚀性介质或真空条件下应考虑密封垫的特殊性能。这里特别需要说明的是法兰情况对垫片选择的影响。 （1）法兰形式的影响 法兰形式不同，要求使用的垫片也不同。光滑面法兰一般只用于低压，配软质的薄密封垫；在高压下，如果法兰的强度足够，也可以用光滑面法兰，但应该用厚软质垫，或者用带内加强环或外加强环的缠绕密封垫。在这种场合，金属垫片也不适用，因为这时要求的压紧力过大，导致螺栓较大的变形，使法兰不易封严。如果要用金属垫片，则应将光滑面缩小，使其与垫片的接触面积减小。这样，在螺栓张力相同的情况下，缩小后的窄光滑面的压紧应力就会增大。 （2）法兰表面粗糙度的影响 法兰表面粗糙度对密封效果影响很大，特别是当采用非软质垫片时，密封表面粗糙度是造成泄漏的主要原因之一。例如，车削法兰面的刀纹是螺旋线，使用金属垫片时，如果粗糙度值较大，垫片就不能堵死刀纹所形成的这条螺旋槽，在压力作用下，介质就会顺着这条沟槽泄漏出来。软质密封垫对法兰面的光洁程度要求低得多。这是因为它容易变形，能够堵死加工刀纹，从而防止了泄漏。对软质垫片，法兰而过于光滑反而不利，因为此时发生界面泄漏的阻力变小了。所以，垫片不同，所要求的法兰面的粗糙度也不相同。表29.3-15列出了各种密封垫所要求的法兰表面粗糙度的经验数据。 （3）法兰与垫片的硬度差 使用垫片的目的在于使垫片产生弹性或塑性变形以填满法兰面微小凸凹不平，阻止泄漏发生。因而应使垫片材料的硬度低于法兰材料的硬度，二者之间相差越大，实现密封就越容易。当使用金属垫片时，为了保证实现密封，应尽可能选用较软的材料，使金属垫片的硬度比法兰硬度低40HB以上为宜。 表29.3-16为石油部垫片选用标准。 表29.3-17为橡胶石棉板厚度及适用范围。
垫片的密封应力
螺栓法兰接头安全密封技术（四） ——垫片密封应力—— 摘要： 在法兰接头设计或选用中，垫片虽然成本相对较低，但在保证连接密封性能、控制泄漏要求方面起着重要的作用。人们往往容易将泄漏的原因集中在垫片上，当然有垫片本身的原因，但更多的是法兰连接系统的设计或选用中存在的许多问题，最后通过垫片密封应力的降低表现了出来。 在法兰接头安装过程以及后续的各种使用过程中，垫片密封应力的大小和变化受到众多因素的影响。当垫片的密封应力降低到低于设计要求的基准值时，其结果是导致法兰连接的密封失效、发生泄漏。 本文分析了引起垫片密封应力降低的影响因素及其原因，介绍了估算方法，提出要减小弥补这样的影响，维持法兰接头的密封状态，初始安装螺栓载荷应足够大。同时螺栓也要有足够的强度，能承受相应的拉伸载荷及其可能的增加量。 前言 螺栓连接法兰接头的强度和密封性能对于承压设备/装置以及管道系统的正常、安全运行非常重要。法兰连接强度的保证，在承压设备行业（包括锅炉、压力容器、压力管道）长期以来都非常重视，当然这很重要，但对于其密封性能的保证或评估国内却较少有研究。 螺栓垫片法兰连接的泄漏途径，一个是通过垫片内部的渗透泄漏，另一个是通过垫片与法兰密封面之间的间隙的界面泄漏，界面泄漏是最难对付的。通常，我们考虑通过选用不同材料和类型垫片用于不同的设计工况条件以及在垫片表面途密封剂量等方法，达到减少/控制泄漏的目的。 要控制法兰接头的泄漏，仅仅通过采用各种措施消除垫片与法兰密封面之间的间隙/泄漏通道是远远不够的，最重要的是无论在安装阶段、还是各种使用过程中，当螺栓/垫片有蠕变松弛产生、当有介质压力等外载荷/温度等作用下，垫片与法兰密封面上必须始终保持/维持有足够的压缩应力，本文称之为“垫片密封应力”。 所以，法兰接头的强度和密封需要通过螺栓提供足够的夹紧力和垫片密封应力，来承受介质压力或各种外载荷，保证垫片的密封应力在安装以及随后的各种工况条件下都维持在设计要求的基准值以上，才能获得有效的密封、控制泄漏。 在法兰接头设计选用中，虽然垫片的成本相对较低，但垫片是个核心的问题，在保证连接密封性能、控制泄漏达到设计要求中起重要的作用。 由于螺栓连接法兰接头的强度和密封性能受到诸多因素的影响，其复杂的力学和变形关系，涉及到一个专题领域，要消除/控制法兰接头的泄漏是困难的。为了保证安全使用、控制泄漏，垫片必须正确选用设计、保证质量、正确地安装，在任何工况条件下法兰密封面和垫片接触表面之间应具有足够的压紧应力。所以，垫片的密封应力（= 总的螺栓载荷力/垫片的压缩面积）是法兰接头密封设计/选用的关键性能参数。 1、垫片的蠕变松弛 非金属垫片中，包括半金属垫片用填充材料或覆盖层，经常使用合成橡胶、PTFE等各种弹性材料。这类材料的特点之一，是具有不同程度的蠕变松弛特性，它与温度、时间、初始应力水平、密封材料厚度等多种因素有关。
垫片材料的选择
垫片材料的选择 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。优质薄碳钢板地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．紫铜紫铜的成份接近于纯铜，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