摘要：介绍了柔性石墨金属缠绕垫片的性能参数,其与钢圈、石棉金属缠绕垫片、金属包石棉垫片及石棉橡胶板垫片等的比较,以及使用中应注意的几个问题。

　　随着现代科技的发展,其工艺条件 越来越苛刻。高温、超低温、高压和高真空等条件以及各种强腐蚀、剧毒、易燃易爆和放射性等介质的应用越来越多,原有传统的密封材料及元件已不能适应近代工艺发展的要求。就石油化工系统来看,过去常用的石棉橡胶垫、铁包石棉垫、石棉金属缠绕垫和金属垫等元件,已无法满足各种工艺条件下静密封的需要,往往不得不花大量外汇进口高温用石棉橡胶板。但这种材料既贵,且其密封效果还不理想。为此,原石油部设计管理局于1981年底就确定了“柔性石墨缠绕式垫片及换热器垫片研制及应用”的科研课题。笔者二人参与了这一课题的研制以及推广应用工作,现已使其在全国石化系统中得到大面积的推广应用,且在发 电、冶金和造船等部门也已引起重视。为了进一步让更多的同志了解这种垫片,笔者根据数年研制和推广实践 ,把我们对其性能和优缺点的认识 以及应用中需注意的问题介绍给读者,以供同行参考。

　　1、基本性能

　　缠绕式垫片于60年代初传入我国，其本体(亦即基本型垫片)是用V形或W形断面的金属带和填充带相间螺旋状缠绕而成。原石油部标准SYJ14-65规定的缠绕式垫片即属于这类垫片。70年代以后，为了提高垫片的强度和可靠性，以及方便安装对中，根据法兰连接形式的不同，分别又采用了带内环、带外环和带内外环的垫片。垫片填充带只有石棉一种，到80年代初，柔性石墨(又称膨胀石墨)在我国试制成功并大批量生产。其主要性能参数为：堆积密度0.002~0.005g/cm³;制品密度0.8~1.7g/cm³;纯度≥98%;灰分≤0.5%;强热减量≤1%(450℃下灼烧3小时);熔点3650℃(熔融升华);肖氏硬度21~33;抗拉强度≥7MPa，抗压强度≥80MPa;压缩率≥15%，回复率≥28%;滑动摩擦系数0.149(对磨件为不锈钢);电阻系数3.5X10-4Ω.cm(面方向);热膨胀系数为(1.6~4.7)X10-81/℃(面方向，从室温到600℃);热扩散率(2.6~1.1)X10-2cm²/s(250~110℃);氮气渗透率：板厚1.75mm，密度1.5g/cm²时为1.3X10-5;板厚0.5mm，密度1.5g/cm²时为2.1X10-4CC/s.cm²。

　　柔性石墨用作密封材料时有以下优点:①理论上它能承受-200~3000℃ (非氧化气氛)。低温下不脆不裂,高温下不软化、不分解、不变形和不老化。一般可在-200~800℃之间安全使用。②惰性的固定碳含量一般在98%以上,能经受往几乎所有介质的腐蚀。试验表明,除硝酸、硫酸和铬酸等强氧化性酸以及卤素的某些特定浓度和温度条件之外,对一般酸、碱、盐、油和溶剂等大部分介质均能适应,其耐蚀性能仅略次于聚四氟乙烯。③能承受中子、γ、α和β等射线的长期照射而不发生明显变化,因此亦可用于原子能 工业。④其结构里有许多封闭或半封闭小球体,加之比表面很大 ,表面能很高,表面点吸附着一定气体或水分子而形成极薄的气膜或液膜,故对气体或液体都具有良好的不渗透性。⑥它是用天然磷片石墨经化学和热处理使其体积膨胀200倍以上之后再经压制而成的,其内部有许多小空隙,因此具有良好的柔软性、可压缩性和回弹性。⑥用纯柔性石墨制成的垫片,还具有所需预紧力小,对法兰面机加工要求不高,不粘法兰面及检修清扫方便等优点。综上所述来看,它是一种理想的密封材料。但也应注意,已也有抗拉强度不高和极易损坏的缺点。

　　为了克服其缺点,人们采用了金属带缠绕增强而制成了“柔性石墨金属缠绕垫片”。由于所用的金属缠绕带为V形或W形断面,故其压缩回弹性比柔性石墨垫片还好。它的主要性能参数为:压缩率>25%，回弹率>30%;使用温度范围：钢带为1Cr18Ni9时可用于-200~580℃，钢带为1Cr18Ni9Ti时可用于-200~780℃;最高介质压力35MPa;垫片系数m=2，最小预紧比压y=40MPa。

　　2.本垫片与其它势片的比较

　　(1)柔性石墨金属缠绕垫片与钢圈的比较①垫片压紧力:前者最小比压力为40MPa,只要较小压紧力即可达到密封(螺栓小);后者最小比压力为183MPa,要求压紧力大(螺栓大)。②加给法兰的应力:前者小,后者大,且密封槽底易产生裂纹。③复原力 ( 回弹性 ):前者有,毋须再紧螺栓;后者几乎无,故在热循环场合需再紧螺栓。④对法兰表面的要求:前者对微小伤痕敏感性小,对密封面形状要求简单且制造容易,一般精度即可,粗糙度 R=12.5~6.3μm(▽3~▽4)，硬度差无要求,而钢圈对微小伤痕很敏感,表面形状较复杂且制作较困难,精度要求高,粗糙度为R=1.6μm(▽6),硬度差为HB20~30。维修;前者容易,钢圈则较难,且需专用工具。⑥异材法兰连接;前者无泄漏担心 ,后者因有线胀系数差而引起泄漏担心。⑥垫片制造与价格:前者容 易且 较便宜 ,而钢圈较难且贵。⑦配管与开口接管的分离`前者容易 ,后者较难且必须将法兰抬起。⑧使用寿命:前者短 ,拆开后就得更新,后者长,可多次使用。

　　( 2 )柔性石墨金属缠绕垫片与石棉金属缠绕垫片的比较 ①对人体危害:前者无,后者为致癌物质,美国等已禁用。②耐温性:前者-200~870℃ ,后者-40~500℃ ,但实际使用中当>400℃时便因急剧脱水而失弹失效。③填充材料的耐酸性:前者除王水等外能耐一般酸、碱、盐及溶剂等腐蚀;后者因石棉纸内含有橡胶等粘结剂,耐蚀有限。④泄漏率:前者<1X10-4g/s;后者<1X10-3g/s。⑤填充材料的烧失量 (500℃ 时 ) 和老化:前者<1 % ,无老化;后者<25% ,橡胶等粘结剂易老化。渗透性：前者很低,后者较高,且因石棉的毛细管作用对油类渗漏严重。⑦m值:前者为2 ,后者为3。⑧垫片压紧力:前者为40MPa,后者为70MPa。⑨复原力:前者良好,后者虽亦好,但比前者稍差。⑩对法兰表面要求:前者表面为一般要求,表面粗糙度R=12.5μm(▽3),对轻微划痕或水线沟槽也无妨;后者要求表面粗糙度R。必须在6.3μm以上。⑪维修:前者因不粘法兰面,检修方便;后者因粘法兰面,铲刮费工费时。⑫价格:二者持平。

　　( 3 ) 柔性石墨金属缠绕垫片与金属包石棉垫片的比较 ①对人体危害:同前 ( 2 ) ①。②国内生产情况:前者半机械化生产,效率高,质量稳定;后者生产仍为于工方式,效率低,质量不稳定。③耐温性:同前( 2 )②。④填充料的烧失量:前者< 1 % ;后者< 10 % 。⑤m值：前者为2;后者为3.75;⑥垫片压紧力:前者为40MP，后者为80MPa。⑦复原力:前者良好;后者亦好,但比前者差。⑧最高介质压力:前者为35MPa ,后者为6MPa。⑨对法兰表面的要求:基本上同前 ( 2 ) ⑩，,只是此处的后者要求表面粗糙度R .必须在1.6μm(▽6)以上 。⑩垫片刚性:前者大口径尺寸的刚性较差,运输或安装不当,易发生散架,后者刚性较好,不会散架。

　　据调查 ,有一些使用金属包石棉垫片的石化企业,因铁包垫泄漏而在其二侧粘贴柔性石墨板材,用以作为一种补救措施。这也说明本垫片的密封性能远比金属包石棉垫片好。

　　( 4 )柔性石墨金属缠绕垫片与高温高压石棉橡胶板垫片(由英国进口)的比较 ①对人体的危害:同前(2 )①。②最高介质压力:前者为35MPa ,后者为3MPa。③耐温性:同前 (2)②。④渗透性:前者很低,氮气渗透率为2X10-4cc/s.cm²，后者较高,且因石棉的毛细管作用对油类渗漏严重。⑤老化:前者无,后者因橡胶易老化而使其储存和使用寿命都不长。⑥维修:同前(2) ⑪。, ⑦垫片刚性:同前(3) ⑩。⑧价格:前者中的中、小口径垫片与进口石棉橡胶垫片相近,大口径及中、小口径窄密封面垫片则较便宜;后者中的大口径及中、小口径窄密封面垫片则较贵,且均需耗费外汇。

　　3、应用中的问题

　　( 1 ) 柔性石墨金属缠浇垫片自80年代初在国内试制成功以来,经过10余年的努力,已在石化系统得到广泛的应用。但是,在发电、冶金、造船、化工、原子能和机械等行业中,有的才刚刚开始使用,有的甚至还没有开始使用。因此需要大力宣传,组织一些学术和应用技术方面的交流活动,教科书及有关设计手册中亦应予以列入,还望早日组织制订出相应的标准和设计规范来,以使其在更大范围内得到推广应用。

　　(2)在引进设备配件选用时 有不按国情而照搬原设计的 问题。如从日本引进的装置,除高真空、高温及苛刻热循环条件等场合推荐使用柔性石墨带之外,一般仍推荐使用经济的石棉金属缠绕垫片原因是日本柔性石墨金属缠绕垫片的价格比石棉垫贵得多。而我国这两种垫片的价格相差无几,我们完全应该改用密封性能更好的柔性石墨缠绕垫片。又如,从美国菲利浦石油公司引进的HF烷基化装置,凡是蒙乃尔—四氟垫片和蒙乃尔—石墨垫片均适用的部位,均选用了美国市场比较低廉的四氟蒙乃尔缠绕垫片,只有在四氟不适应的高温部位才改用价格高出66%的柔性石墨蒙乃尔缠绕垫片。而我国的国情不同,四氟的价格比柔性石墨高得多,因此选用垫片时就不能生搬硬套了。

　　( 3 )有些使用单位对垫片选用似感还不够熟悉,因而出现以下一些问题:①原石油部SYJ14-65《缠绕式垫片》,是我国第一代缠绕垫片标准。垫片形式只有基本型一种,没有带内环、外环及内外环的垫片。填充材料亦只有石 棉一种。但在一些新建项目的设计中,仍发现有采用这种 垫 片 的 图纸。实际上现已颁布了新的 《 缠绕式垫片 》 国标,因此望主管部门对原SYJ14-65应及旱明一令子以废止。②一些单位虽然采用 了柔性石墨金属缠绕垫片取代原用的金属齿形垫、金属平垫或石棉橡胶板垫片,但没有按照该垫片的 设计原则选用带内环、外环或内外环的垫片,而是一律采用了基本型垫片。至于缠绕式垫片的厚度和密封面宽度,因其密封性能较好,厚度一般为4.5mm,密封面亦可做得窄一些 ,特别是大口径垫片,为防其散架,要求其必须做得窄一些。但发现,有的并没有根据缠绕式垫片的特性进行设计,而是套用了原 金属垫片或石棉橡胶垫片的尺寸,因而就无法达到预期的密封效果。此外,为使这种缠绕式垫片能 在电力、造船、化工和机械等部门尽快得到推广应用,建议有关部门亦应组织制定出各相应部门使用的 设计规范来。

　　参考文献：

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　　2、樊邦棠等.膨胀石墨密封材料弧度问题.石油化工设备密封技术文集 (第二集),中国石化总公司规划院,1985.

　　3、蔡仁良,郑建荣。柔性石墨缠绕垫管法兰连接的试验研究.石油化工设备密封技术文集(第四集),中国石化总公司规划院,1988.

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　　5、赖盛刚等。炼油工业密封调查报告.石汕化工设备密封技术文集(第一集 ),石油部规划院,1984.

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