垫片是一种夹持在两个独立的连接件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。理论上完全光滑、平行、并有足够刚度的密封面可以仅依靠紧固件均匀夹持就可达到密封目的(无垫密封)，但实际上密封面总是存在粗糙度和变形，夹持也不是完全规则的，所以要在两密封面间插入一个垫片来弥补这些缺陷。在垫片使用中会出现失效而影响密封效果，那么哪些因素会导致垫片失效呢？本文结合垫片型式及可能引起失效的因素进行分析。

　　1 法兰、垫片，螺栓密封的典型结构 及失效的表现形式 压力容器垫片密封的典型结构，如图1：连接元件(如法兰)+ 垫片+紧固件(螺栓、螺母)

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　　垫片密封失效的表现形式，如图2。

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　　2 密封失效的主要因素 垫片密封失效是多方面因素造成的，本文主要分析以下几方面因素。

　　2.1 垫片材料选择

　　石化企业中,中低压法兰较多，通常单纯的压力或介质因素对法兰泄漏的影响并不是最主要的，只有和温度联合作用时，问题才显得严重。操作条件不可回避，只能从密封结构及垫片选材来考虑。最经济的方法就是靠垫片材料本身的回弹能力来补偿达到密封。适宜的垫片变形和回弹力是形成密封的必要条件。

　　设计阶段由于某种原因，设计者在选择垫片材料的时候往往忽略了以下3点因素，造成垫片材料选择不当。

　　(1)介质性质:所接触的流体介质的物理化学性能，例如流体的酸碱性、放射性、渗透性、燃烧性、毒性等，例如：采用同样的密封连接形式，在同样的工况条件下，强渗透性介质的泄漏率大于弱渗透性介质。

　　(2)介质压力：流体介质的压力状态，是正压还是负压;具体的压力数值，以及是否有压力脉动动等，密封面两侧的压力差是泄露的主要推动力，例如：采用同样的密封连接形式，在同样的工况条件下，压力差越大，泄露的推动力就越大，介质就越容通过交界面，泄露就越容易发生。

　　(3)介质温度：流体介质的温度状况，是低温还是超低温，是常温、高温还是超高温以及运行过程小是否有温度变化等。研究表明，高温工况下，垫片材料的物理性能和化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。因此，与常温密封相比，高温密封要困难得多。高温工况下，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密封要求。

　　在垫片选材时应据HG/T 20583-2011中附录A[(资料性附录)石油化工压力容器法兰用垫片]选择，考虑压力容器用垫片与介质等参数的匹配性。同时垫片选择也应遵循以下7点原则:

　　1)不污染工艺介质，有良好的变形能力和回弹性，能适应压力变化和温度波动;

　　2)垫片耐用温度高于工作温度;

　　3)有适当的柔软性，能与接触面很好地贴合;

　　4)低温时不硬化，收缩量小;高温时不软化，抗蠕变性能好;

　　5) 加工性能好，安装、压紧方便;

　　6) 不粘结密封面、拆卸容易;

　　7) 价格便宜，使用寿命长。

　　总的来说，一般根据工作压力、工作温度、密封介质的腐蚀性、结合密封面的形式选用垫片。常温低压时选用非金属软垫片;中压高温时选用非金属与金属组合垫片或金属垫片;温度、压力有较大波动时选用回弹性好的或自紧式垫片;在低温、腐蚀性介质或真空条件下应考虑垫片的特殊性能。

　　2.2 忽略垫片几何尺寸及密封面形式的影响

　　垫片厚度直接影响密封件的密封性能。

　　在同样的压紧载荷、同样的介质压力作用下，泄露率随垫片厚度的增加而减小。此外，垫片越厚，渗透泄露的界面积越大，渗透泄露率也就越大。另图3所示在某一恒定压力下，垫片厚度与泄漏率之间的关系。由图3可见：不能说垫片越厚，其密封性能越好。泄漏率随垫片厚度增加而减小，当厚度超过3 mm，曲线趋向一极小值。

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　　法兰密封面形式直接决定了垫片基础密封宽度。见表1。

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　　垫片在预紧状态下受到最大螺栓载荷的作用，当压紧过度将失去密封性能，垫片应有足够的宽度。根据国内外最有影响的有关螺栓法兰连接的规范设计方法，确定预紧状态螺栓载荷时，螺栓载荷Fa=3.14DGby,确定操作状态螺栓载荷时，螺栓载荷Fa=0.785DG2Pc+6.28DGbmPc，垫片有效密封宽度b由垫片接触宽度N及基本密封宽度bo决定，并按以下规定计算，当bo≤6.4 mm时，b=bo; 当bo>6.4 mm 时，b=2.53bo0.5 。公式中符号见GB 150.3-2011第7章法兰部分，可见垫片宽度直接影响螺栓载荷设计。一般在螺栓预紧载荷一定的前提下，以保证满足螺母预紧及拆卸空间，通过减小螺栓直径，增大螺栓数量，来实现预紧力均匀作用在垫片密封面上提高密封性能。

　　在非标垫片密封设计中要尤其注意，在保证密封性能的前提下，只要垫片不被压坏，厚度尽可能选择薄的垫片，宽度窄些为好，不要让垫片的内径伸进设备或管道内，也没有必要过分增加垫片的外径。可根据标准中压力容器法兰用非金属垫片宽度18~30 mm，金属包垫16~25 mm，管道阀门垫片更窄。非金属软垫片厚度0.5~5.0 mm，常用1 mm、1.5mm、2.0 mm、3 mm。设备密封直径<500 mm，垫片厚度1.5~3 mm;密封直径>500 mm，垫片厚度可>3 mm。

　　2.3 法兰、螺栓材料选择不当

　　例如，化肥厂变换炉的人孔法兰螺栓，过去般采用碳钢，高温下产生蠕变，螺栓力下降，容易产生泄漏。改用耐高温的35CrMo钢后，解决了泄漏问题。

　　2.4 法兰或法兰密封面型式及法兰密封面粗糙度 的影响

　　对有一定压力、强渗透性气体，应选用凹凸面或榫槽面法兰，不宜选用平面法兰;对于低压、高温介质和要求预紧力大的金属复合型垫片，不应单按其压力等级选用法兰，而要考虑温度的影响，适当提高所选法兰的等级。

　　法兰密封面表面粗糙度的加工精度是影响密封性能的主要形状因素。

　　试验：法兰密封面粗糙度为3.2 μm、用金属包石棉垫密封压力为0.49 MPa的空气时，有微漏现象;当粗糙度的值减少到1.6 μm时，就可密封。 法兰密封面的加工有表面粗糙度和平面度两项要求。对不同垫片的要求不同，一般与金属垫圈接触的密封面，要求尺寸精度高，粗糙度在Ra0.4~1.6μm，而软质垫片的密封面精度可低些，粗糙度为Ra3.2~6.3μm即可。

　　法兰密封面形状公差(主要是平面度)要求：在25 mm长度上对于软垫片为0.25 mm;对于金属垫片为0.025 mm。

　　2.5 制造、安装与操作引起的泄漏

　　1)法兰和垫片加工精度未达到要求;密封面有碰伤、划痕，特别是径向贯穿划痕。

　　2)螺栓或垫片材料误用;在同一法兰上采用不同材质的螺栓等。

　　3)预紧螺栓时操作不当，造成垫片压偏、压损或法兰翘曲。

　　4)法兰密封面不清洁，黏附各种杂物。

　　5)管路法兰存在偏口、错口、张口情况。

　　6)设备操作不稳定，压力、温度波动大或超过允许值。

　　7)由于设备管路振动引起螺栓松动等。 3 结束语 随着我国石油、化工、化肥等行业的长足发展。要求压力容器在更高温度、更高压力的工况条件和易燃、易爆、剧毒、强腐蚀等更加严苛的介质环境下运行。由于垫片密封失效导致泄露会造成不可预知的后果。为此须进一步提高垫片密封的可靠性，要加快科技攻坚，推出更多高性能理想垫片材料，减少因泄露造成能源、原材料的大量浪费以及环境污染。

　　3.结束语

　　随着我国石油、化工、化肥等行业的长足发展。要求压力容器在更高温度、更高压力的工况条件和易燃、易爆、剧毒、强腐蚀等更加严苛的介质环境下运行。由于垫片密封失效导致泄露会造成不可预知的后果。为此须进一步提高垫片密封的可靠性，要加快科技攻坚，推出更多高性能理想垫片材料，减少因泄露造成能源、原材料的大量浪费以及环境污染。

　　参考文献： [1] 法兰用密封垫片使用手册编委会. 法兰用密封垫片使用手册[M]. 中国标准出版社，2004.

　　[2]郝木明. 过程装备密封技术[M]. 中国石化出版社, 2010.

　　[3]董大文. 静密封失效分析[J]. 炼油技术与工程, 2004.

　　[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理 委员会发布. GB 150-2011 压力容器[S]. 2011.

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