机械设计必备知识点之密封垫片如何选型

在石油、石化、化工等行业的生产、加工、储存、运输乃至销售过程中，往往存在易燃、易爆、高温、高压、有毒、腐蚀等危险因素。使用中的机器设备工质“跑、冒、滴、漏”，给生产带来极大危害。设备内工质的泄漏会造成浪费，污染环境。

垫片是可拆卸接头最重要的静密封类型，如压力容器、过程设备、动力机械和过程工业装置中的连接管道。它们包含各种流体介质，因此防止液体或气体通过这些接头泄漏是工厂面临的最重要和最困难的任务。

随着生产设备的大型化，生产过程向高温、高压、高速发展，泄漏的机会越来越多，事故越来越多，经济损失也越来越大。往往一个法兰的泄漏就可能导致一套设备甚至全厂停工，还可能引发火灾、爆炸、人员伤亡等重大事故。泄漏可能造成环境污染、产品损失甚至事故，因此垫片密封的重要性不言而喻。因此，垫片的选择、设计和制造中的问题逐渐引起了人们的重视。

那么，我们应该如何选择合适的垫片呢？

垫片与垫片密封

垫片是夹在两个独立连接件(主要是法兰)之间的一种材料或材料组合，其作用是在预定的使用寿命内保持两个连接件之间的密封。

垫圈必须能够密封接合面，确保密封介质不渗透、无腐蚀，并能承受温度和压力的影响。垫片一般由连接件(如法兰)、垫片和紧固件(如螺栓和螺母)组成(见图1)。因此，在确定某一法兰的紧密性时，必须将整个法兰连接结构作为一个系统来考虑。垫片工作正常与否，不仅取决于垫片本身的性能，还取决于系统的刚度和变形、结合面的粗糙度和平行度、紧固载荷的大小和均匀性。

垫片选择的五个要素

了解了垫片密封的结构，我们可以从温度、应用、介质、压力、尺寸(TAMPS)五个方面来选择合适的垫片。

温度

选用的垫片应在最高或最低工作温度下具有合理的使用寿命，不同垫片材料的最高工作温度相差很大。

除了短时间内可以承受的最高和最低工作温度外，还应考虑允许的连续工作温度。垫片应能抗蠕变以减少垫片的应力松弛，从而保证垫片在工作条件下的密封。大部分垫片材料会随着温度的升高而更加严重。因此，垫片质量的一个重要指标是其在一定温度下的蠕变松弛性能。

应用

主要指垫片所在的连接系统的信息。需要根据法兰材料、法兰密封面类型、法兰粗糙度和螺栓信息选择合适的垫片材料和类型。

对于非金属法兰，必须选择预紧力要求相对较小的垫片；否则，很可能是垫片没有压紧，在法兰拧紧过程中法兰被压坏了(如图4)。

对于不同的法兰密封面类型，对应的垫片类型也不同。例如，凸起法兰(RF)对应的缠绕垫片类型是有内外圈的缠绕垫片，开槽法兰(TG)对应的缠绕垫片类型是基本缠绕垫片，凹凸法兰(MFM)对应的缠绕垫片类型是只有内圈的缠绕垫片(如图5)。

媒介

垫片应在整个工作条件下不受密封介质的影响，包括抗高温氧化、抗化学腐蚀、耐溶剂、抗渗透等。显然，垫片材料对介质的化学腐蚀性是选择垫片的首要条件。对于非金属垫片或复合垫片中的非金属材料，材料的耐化学性可参考垫片制造商提供的非金属材料耐化学性表。对于垫片中与介质直接接触的金属材料，它们应具有与法兰材料相同或更高的耐腐蚀性。

压力

垫片必须能承受最大压力，这个压力可以是试验压力，可能是正常工作压力的1.25-1.5倍。对于非金属材料制成的垫片，最大压力也与最高工作温度有关。通常最高温度乘以最高压力的值(即PxT值)有一个极限值，所以在选择其最大工作压力时，还应考虑垫片所能承受的最大PxT值。下图是GARLOCK中常见压制垫片的PxT值，不同类型的垫片所能承受的压力也是不同的。

尺寸

在满足法兰粗糙度和粗糙度的条件下，尽可能选择薄垫片。垫片的厚度与其类型、材料、直径、密封面的加工条件和密封介质有关。对于大多数非金属板状垫片，薄垫片具有很强的抗应力松弛能力。由于薄垫片内侧与介质的接触面积也较小，所以沿垫片本体的泄漏也会减少，这种情况下垫片承受的吹出力也较小，垫片不会轻易被吹出。图9生动地显示了薄垫片的防吹出能力比厚垫片强。当然，垫片厚度和其他尺寸也可以参考垫片标准进行选择。

另外，垫片通常采用螺栓法兰连接结构，装配时需要预紧螺栓以满足密封要求。另外，这种结构中的垫片是受多种因素影响的密封元件，如何控制预紧力是一个非常困难的问题。各种垫片所需的压紧载荷也不同。对于有特殊要求的垫片密封，没有标准的连接尺寸，如法兰厚度、螺栓尺寸、螺栓间距等。，这需要特殊的设计。