2021年法兰密封垫片选型参考

法兰密封垫片选型参考

欧阳光明（2021.03.07）

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。

2、应力松弛性能

①应力松弛——对螺栓—法兰—垫片密封连接施加螺栓载荷时，作用在垫片上的压紧应力会使垫片变薄，经运转一段时间后，垫片厚度将继续减小，垫片上的应力也会逐渐减小，这种应力减小的现象称为应力松弛。

②蠕变松弛——对螺栓—法兰—垫片连接这样的预应力静不定系统，垫片应力是由螺栓伸长转换成垫片应力的，因而垫片蠕变不发生在恒应力下，垫片厚度的任何改变都会引起螺栓伸长的变化，同时也改变了垫片应力，这种垫片与螺栓的相互作用被称为垫片的蠕变松弛。

3、密封性能

垫片密封性能是指在某一特定的操作条件下，垫片密封所能达到的泄漏率低于某一规定的指标泄漏率。而泄漏率指在标准实验条件下，介质流体每秒钟通过垫片的泄漏量。

泄漏率和介质压力基本呈线性关系（即介质压力越高，泄漏率越大）；泄漏率和残余预紧应力成负指数关系（即残余预紧应力越大，泄漏率越小）。

二、垫片的高温性能

高温工况下，密封元件材料的物理性能和力学性能都将发生变化，如高温会降低垫片的回弹能力；高温下垫片发生蠕变松弛导致垫片应力下降；高温下垫片材质发生老化。因而，与常温密封相比，高温密封要困难得多。

1、高温压缩及回弹性能

高温下材料的屈服限降低、塑性变形量增大、蠕变加剧，回弹性能下降。实际工况下，如果垫片回弹量小到不足以补偿介质压力、温度和法兰附加载荷引起的密封面的分离时，可能导致泄漏率的增大，甚至不能保证连接系统的紧密性要求。

2、高温密封性能

试验表明，泄漏率和介质压力基本成线性关系，具有黏性流体层流的一般特性；泄漏率和垫片压紧应力成负指数关系，残余压紧应力越大，泄漏率越小；泄漏率随温度的升高而增大，两者成指数关系。

垫片密封面结构形式

一、垫片密封面结构形式代号

FF——全平面密封面

RF——突面密封面

MF——凹凸密封面

TG——榫槽密封面

A. 基本型垫片适用于榫槽面法兰

B. 内环型垫片适用于凹凸面法兰

C. 定位环型垫片适用于平面和突面法兰

二、金属缠绕式垫片

1、定义

金属缠绕式垫片是由金属带和非金属带螺旋复合绕制而成的一种半金属平垫片。

2、性能：

①压缩、回弹性能好，具有多道密封和一定的自紧功能；

②对于法兰压紧面的表面缺陷不太敏感，不粘结法兰密封表面，容易对中，因而拆装便捷；

③可部分消除压力、温度变化和机械振动的影响；

④能在高温、低温、高真空、冲击振动等循环交变的各种苛刻条件下，保持其优良的密封性能。

3、使用注意事项：

①缠绕式垫片的密封元件（即垫片本体或基本型垫片）宽度应比非金属软垫片的宽度小。在制作用于凹凸面、平面和突面法兰的缠绕垫片时，不能随便用非金属软垫片的宽度尺寸来代替缠绕式垫片密封元件的宽度尺寸。因为缠绕式垫片是半金属垫片，标准规格

垫片的压紧应力在70MPa左右时才达到合理的压缩变形，从而产生良好的密封效果；如果随意加大垫片本体密封面宽度，势必造成压紧力降低，垫片肯定不能达到标准的压缩变形量，因而不能产生良好的密封；如果超范围地加大压紧力，又必然会产生法兰和螺栓的大量变形，结果会导致泄漏。

②基本型垫片最好不要用于凹凸面法兰上。这是因为基本型垫片在法兰轴向压紧力作用下，垫片内圈焊点容易开焊，这样不但会引起泄漏，而且垫片软填料散落会污染物料和堵塞管道。

③在高温、深冷或冷热频繁交变、振动较大、强腐蚀介质等恶劣工况条件下，用于平面和突面法兰的垫片最好加装合理材料的内环。

④决不能用低材质垫片取代高材质垫片。

4、使用方法：

①拧紧螺栓时，要使垫片均匀受力，对称把紧。

②选择合理的垫片压缩量，一般为0.6~1.2mm为宜。过大压缩量，会降低垫片的回弹率，因而失去垫片像弹簧似的容易吸收振动的特性。

选用垫片的基本原则

一、选用或订购垫片时应了解的数据

1、相配法兰的密封面型式和尺寸。

2、法兰及垫片公称通径。

3、法兰及垫片公称压力。

4、流体介质的温度。

5、流体介质的性质。

二、选用垫片时还应考虑以下因素

1、有良好的压缩及回弹性能，能适应温度和压力的波动。

2、有良好的可塑性，能与法兰密封面很好的贴合。

3、对有应力腐蚀开裂倾向的某些金属（如奥氏体不锈耐酸钢）法兰，应保证垫片材料不含会引起各种腐蚀的超量杂质，如控制垫片氯离子含量以防对法兰腐蚀。

4、不污染介质（指密封介质是饮用水、血浆、药品、食品、啤酒等）。

5、对密封高度毒性的化学品，要求垫片应具有更大的安全

性；对于输送易燃液体的管道系统，要求垫片用于法兰上的最高使用压力和最高使用温度在限制范围内。

6、低温时不易硬化，收缩量小，高温时不易软化，抗蠕变性能好。

7、加工性能好，安装及压紧方便。

8、不粘结法兰密封面，拆卸容易。