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怎么選擇密封產(chǎn)品？
墊片密封是化學(xué)、煉油、醫(yī)藥、食品、機(jī)械和電力等工業(yè)部門中壓力容器、工藝設(shè)備、動(dòng)力機(jī)器和連接管道等可拆接頭處zui主要的靜密封形式。它們所處的工況條件復(fù)雜，密封的流體范圍廣泛，防止密封流體通過這些接頭處泄漏出來，是工廠面對(duì)的zui重要也是zui艱巨的任務(wù)。雖然墊片密封與泵軸、閥桿、攪拌器軸等密封相比，其泄漏量比較小，但其用量卻比它們多得多，因此成為工廠泄漏和易揮發(fā)有機(jī)物逸出的主要源頭，它們不僅嚴(yán)重污染環(huán)境，而且造成產(chǎn)品損失相當(dāng)可觀，墊片密封的重要性也就不喻而言了。
由于它們通常采用螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)首先要求接頭密閉，這就意味著必須將其裝配并擰到足夠緊，而這恰恰是一個(gè)很艱難的任務(wù)，要做到控制則需要涉及多方面的問題；其次，影響招牌密封的因素很多，且至今還是一個(gè)尚未能定量的問題。正因?yàn)閴|片的應(yīng)用范圍其廣泛，故墊片需要的壓載荷各不相同，如低壓水泵薄法蘭用的墊片，需要的壓緊載荷較低；而壓力容器和管道法蘭墊片，需要較大的壓緊載荷和剛性較好的連接結(jié)構(gòu)。對(duì)后者通常有標(biāo)準(zhǔn)可查，但對(duì)特殊要求的墊片密封，它們沒有標(biāo)準(zhǔn)的連接件尺寸，如法蘭厚度、螺栓尺寸、螺栓間距等，則就需要考慮自行設(shè)計(jì)。
廊坊凱信密封材料有限公司介紹墊片密封的基本原理、墊片的類型與選擇、墊片的主要性能和試驗(yàn)方法等。有關(guān)國(guó)內(nèi)外墊片和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)讀者可參閱本手冊(cè)的附錄。
密封機(jī)理
就墊片密封而言，通常密封流體在墊片結(jié)合處的泄漏有3種情況
?。?）對(duì)非金屬材質(zhì)的一類墊片而言，從材料的微觀結(jié)構(gòu)來看，本身存在的微小縫隙或細(xì)微的毛細(xì)管，具有一定壓力的流體自然容易通過它們滲漏出來，此稱為滲透泄漏，它占總泄漏量的10%~20%；
?。?）兩連接件表面（下稱密封面），從機(jī)械加工的微觀紋理來看，存在粗糙度和變形的問題，它們與墊片之間總是存在泄漏通道，由此產(chǎn)生的流體泄漏稱為界面泄漏，占總泄漏量的80%~90%。
（3）當(dāng)夾緊墊片的總載荷因各種原因減少到幾乎等于作用在接頭端部的流體靜壓力時(shí)，就導(dǎo)致了密封面的分離。這里若增加流體壓力，則對(duì)機(jī)械完整性很差的墊片，如操作期間材料發(fā)生劣化（degradation）的墊片，沿墊片徑向作用的流體壓力就會(huì)將其撕裂，引起密封流體的大量泄放，此被稱為吹出（blowout）泄漏，它屬于一種事故性泄漏。對(duì)于上述（1）通?？赏ㄟ^不同材料的復(fù)合或機(jī)械組合形成不滲透性結(jié)構(gòu)，或者使用較大的夾緊力使材料更加密實(shí)，減少以至消除泄漏；而（2）和（3）與墊片材料性質(zhì)、接頭的機(jī)械特征、結(jié)合面的性質(zhì)與狀態(tài)、密封流體的特性以及緊固件夾緊程度等有關(guān)。它們也是解決墊片密封設(shè)計(jì)、安裝、使用以及密封失效分析等問題的關(guān)鍵。
墊片用于對(duì)兩個(gè)連接件的密封面產(chǎn)生初始裝配密封和保持工作密封。在理論上，如果密封面*光滑、平行，并有足夠的剛度，它們可以依靠緊固件夾持在一起，無須墊片而達(dá)到密封的目的（即無墊密封）。但是在實(shí)際中，連接件的兩個(gè)密封面總是存在粗糙度，兩者也不是平等的，剛度也有限，加上緊固件柔度不同和排列分散，因此墊片接受的載荷通常是不均勻的，為了彌補(bǔ)這種不均勻的載荷和相應(yīng)的變形，在兩連接件密封面間插入一墊片，使之適應(yīng)密封面的不規(guī)則性。顯然，要產(chǎn)生初始密封的基本要求是壓縮墊片，使其與密封面間產(chǎn)生足夠的壓力（通常稱為墊片預(yù)緊應(yīng)力，也稱初始?jí)|片比壓），以阻止介質(zhì)通過材料本身的滲透，同時(shí)保證墊片對(duì)連接件有較大的順從性，即墊片材料受壓縮后發(fā)生的彈性或彈塑性變形能夠填塞密封面的變形和表面粗糙度，以堵塞界面泄漏的通道。
預(yù)緊墊片應(yīng)力是否能夠做到初始密封，與使用的墊片的材料密切相關(guān)，不同的材料在相同的壓縮量下得到的墊片應(yīng)力是不相同的，自然同樣的密封要求下所有密封的介質(zhì)壓力也不一樣，或者說相同的介質(zhì)壓力下得到的緊密性大小不同。
當(dāng)初始?jí)|片應(yīng)力加在墊片上之后，它必須在裝置的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)保持足夠的應(yīng)力，以維持允許的密封度。因?yàn)楫?dāng)接頭受到流體壓力作用時(shí)，密封面被迫發(fā)生分離，此時(shí)要求墊片能釋放出足夠的彈性應(yīng)變能，以彌補(bǔ)這一分離量，并且留下足以保持密封所需要的工作（殘留）墊片應(yīng)力。此外，這一彈性應(yīng)變能還要補(bǔ)償裝置長(zhǎng)期運(yùn)行過程中任何可能發(fā)生的墊片應(yīng)力松弛，因?yàn)楦鞣N墊片材料在長(zhǎng)時(shí)期的應(yīng)力作用下，都會(huì)發(fā)生不同程度的應(yīng)力降低。此外，接頭的不均勻熱變形，也會(huì)引起墊片應(yīng)力的變化，例如連接件與緊固件材料不同，引起各自的熱膨脹量不同，導(dǎo)致招牌應(yīng)力的降低或升高；或者因受熱引起堅(jiān)固件應(yīng)力的松弛而減少了作用在招牌上的應(yīng)力等。
圖2-2中的曲線表示上述兩個(gè)過程中墊片的應(yīng)力與變形關(guān)系，圖中δg和δR分別對(duì)應(yīng)墊片預(yù)緊至δgi時(shí)的壓縮量和工作時(shí)δgo下的回彈量。綜上所述，任何形式的墊片密封，都要在連接件的密封面與墊片表面之間產(chǎn)生一種墊片密封，其大小與裝配墊片時(shí)的預(yù)壓縮量以及墊片材料的彈性模量有關(guān)，而其分布狀況與墊片截面的幾何形狀有關(guān)。至少?gòu)睦碚撋险f，墊片預(yù)緊應(yīng)力愈大，墊片中貯存的彈性應(yīng)變通也愈大，因而可用于補(bǔ)償分離或松弛的余地也就愈大，當(dāng)然這要以密封材料本身的zui大彈性承載能力為限。但就實(shí)際使用而言，墊片預(yù)緊應(yīng)力的合理值取決于密封材料與結(jié)構(gòu)、密封程度、環(huán)境因素、使用壽命以及經(jīng)濟(jì)性等因素。
墊片法蘭連接的基本要求
墊片法蘭連接是由墊片-螺栓-法蘭組成的結(jié)構(gòu)，其力學(xué)行為和密封特性比其他機(jī)械構(gòu)件復(fù)雜，因?yàn)樗艿皆S多因素的影響，以致工作時(shí)的整體性能很難預(yù)測(cè)或解釋。首先螺栓和螺母之間的摩擦關(guān)系復(fù)雜，依靠普通的擰緊工具，不可能地控制和預(yù)測(cè)螺栓的預(yù)緊載荷；其次，這些性能受到各個(gè)零件彈性的制約，尤其是存在墊片時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出彈塑性行為。因此，這種連接系統(tǒng)顯然是靜不定的，問題變得更加復(fù)雜了。如此的系統(tǒng)卻隨著多種載荷，如果栓力、墊片反作用力和流體壓力，還可能有與之相連的設(shè)備或管道的反作用力（如重量、墊膨脹等），這些力zui終使法蘭受到一外加彎矩的作用，在彎矩的作用下，法蘭發(fā)生彎曲變形和角變形。因此整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是在給定的墊片特性下，確定法蘭和螺栓等結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)尺寸，同時(shí)達(dá)到規(guī)定的密封度要求，即完整性—整修結(jié)構(gòu)的機(jī)械或熱應(yīng)力必須在材料允許范圍內(nèi)；密封性—墊片應(yīng)力必須使整個(gè)接頭的泄漏率在允許范圍內(nèi)。
顯然，起密封作用的墊片在整個(gè)連接系統(tǒng)中是關(guān)鍵的元件。在墊片法蘭連接中，任何元件既相互又相互制約，例如墊片的結(jié)構(gòu)形式和材料的選擇合理與否，直接影響螺栓尺寸的大小與經(jīng)濟(jì)性；法蘭結(jié)構(gòu)尺寸確定好壞，影響到結(jié)構(gòu)的剛度和緊湊性，它們之間的相互協(xié)調(diào)將zui終決定連接的密封性。
墊片的一般化結(jié)構(gòu)
現(xiàn)代工業(yè)使用的平墊片是1890年前奧地利工程師理查德·克林格（RichardKlinger）發(fā)明的，由此引出了許多用于不同場(chǎng)合的不同材料和各種結(jié)構(gòu)的墊片。
圖2-3示出墊片的一般化結(jié)構(gòu)，當(dāng)然不是每種墊片都具有圖示的所有組成，但只是其中某些元件的增減變化而已。
件b是密封元件，其作用是阻止泄漏。常用的結(jié)構(gòu)材料為非金屬材料，如柔性石墨、聚四氟乙烯（PTFE）、云母（Mica）或普通的橡膠粘結(jié)纖維板等。此外，密封元件的結(jié)構(gòu)材料也可以是剛性或柔性的金屬，通常用于壓力和溫度較高的場(chǎng)合。但非金屬材料常通過插入金屬材料e予以增強(qiáng)，同時(shí)也方便了如石墨和云母等易碎材料的加工。增強(qiáng)材料可以用金屬箔、絲網(wǎng)或薄析，金屬薄析常常采用沖方刺孔的方式提高增強(qiáng)效果和增加彈性，并通過粘結(jié)劑和（或）輥壓將它們貼合一起（也稱半金屬材料）。密封元件也可設(shè)一表面層d或f來增加密封效果，防止與密封面粘結(jié)，密封墊片的應(yīng)力也取決于此表面層。表面層材料可以是PTEF或屈服強(qiáng)度低的金屬薄襯（如金、黃銅、軟鋼、鈦、鋯、蒙乃爾等），也可以采用表面現(xiàn)象鍍層（如鉛、錫、銦、PTFE、FEP、金、銀等）。對(duì)柔性金屬密封環(huán)而言，其作用是使內(nèi)芯材料免受密封流體的化學(xué)侵蝕，同時(shí)又保留了內(nèi)芯材料的彈性，例如各種包覆結(jié)構(gòu)形式的墊片。
外環(huán)（或外間隔環(huán)c有以下幾個(gè)作用：幫助密封元件對(duì)中；防止密封元件過分壓縮；防止墊片吹出和減少法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)等。因?yàn)橥猸h(huán)c主要起機(jī)械性作用，材料均為實(shí)心金屬，且不接觸密封介質(zhì)，所以不要求耐介質(zhì)腐蝕。如果僅起定位作用，在預(yù)緊螺栓時(shí)就不要讓法蘭壓到此環(huán)。如果目的是減少法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)，外環(huán)就要延伸至法蘭螺栓圓外的法蘭外周邊，并與法蘭端面接觸，以形成阻止法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)的反力矩。而且當(dāng)螺栓載荷超過壓縮密封元件需要的載荷時(shí)，即使因流體壓力變化引起了軸向載荷的波動(dòng)，也會(huì)被法蘭與外環(huán)之間的反力所補(bǔ)償，因此避免了因循環(huán)載荷而螺栓發(fā)生的疲勞破壞，同時(shí)墊片仍能保持其*的密封應(yīng)力。外環(huán)也可以與密封元件連成一體，例如實(shí)心金屬墊片。此外，具有凹凸面或榫槽面的法蘭也可起此作用。
內(nèi)環(huán)（或內(nèi)間隔環(huán)a也有很多種作用：防止無內(nèi)環(huán)的密封元件因剛性不足沿墊片內(nèi)圓發(fā)生向內(nèi)屈曲；填補(bǔ)密封件與管道或容器內(nèi)孔之間的空隙，以避免此空隙干擾流體的流動(dòng)和由此引起的流體對(duì)墊片的沖蝕。內(nèi)環(huán)接觸流體，故其材料要能抵御密封介質(zhì)的腐蝕。
墊片的基本類型
墊片按照構(gòu)造的主體材料分為金屬、半金屬和非金屬墊片三大類，如圖2-4所示。
5.1非金屬（軟）墊片
因?yàn)榻^大多數(shù)墊片或是非金屬（軟）墊片，或是金屬與非金屬組合墊片，所以非金屬材料是墊片zui基本的構(gòu)成材料。了解各種非金屬軟墊片材料的主要組分、結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)缺點(diǎn)，是更好理解這些墊片zui終結(jié)構(gòu)具有的性能和應(yīng)用的基礎(chǔ)。按照構(gòu)成這些材料的基本組分和借貨狀態(tài)，可以進(jìn)行如下的分類。
5.1.1按組成墊片的基本組分（基質(zhì)）可分為7類
?。?）植物質(zhì)：如紙、棉、軟木等；
?。?）動(dòng)物質(zhì)：如皮革、羊毛氈等；
?。?）礦物質(zhì)：如石棉、玻璃、陶瓷等纖維；
?。?）橡膠質(zhì)：如天然橡膠（NR）及各種合成橡膠[包括橡膠（NBR）、氯丁橡膠（CR）、丁苯橡膠（SBR）、氟橡膠（FPM）、硅橡膠（VMQ）、乙丙橡膠（EPDM）等]；
?。?）合成樹脂質(zhì)：如純聚四氟乙烯（PTFE）、膨脹聚四氟乙烯（e-PTEF）、填充聚四氟乙烯等；
?。?）石墨質(zhì)：如柔性石墨（也稱膨脹石墨）、碳纖維和石墨纖維等；
（7）短纖維增強(qiáng)彈性體（橡膠、塑料）：如石棉、礦棉等無機(jī)纖維、有機(jī)纖維、碳或石墨纖維增強(qiáng)彈性體等。
5.1.2按目前工業(yè)上常用的墊片（板材）品種分為如下6種
?。?）橡膠墊片（彈性體板）；
?。?）石板橡膠墊片；
?。?）無石棉橡膠墊片
（4）聚四氟乙烯墊片：包括純聚四氟乙烯、填充聚四氟乙烯或膨脹聚四氟乙烯，以及內(nèi)部插入金屬網(wǎng)或板增強(qiáng)的聚四氟乙烯墊片等；
?。?）聚四氟乙烯包覆墊片：包括聚四氟乙烯包覆的橡膠或石棉橡膠墊片和聚四氟乙烯包覆的有金屬增強(qiáng)的橡膠或石棉橡膠或無石棉橡膠墊片；
?。?）柔性石墨墊片：包括純?nèi)嵝允珘|片和各種纖維、金屬網(wǎng)、金屬?zèng)_刺板、金屬波紋板增強(qiáng)的柔性石墨墊片等。
上述（4）、（5）、（6）中金屬骨架增強(qiáng)的墊片也可劃歸為半金屬類墊片。
常用非金屬（軟）墊片及適用范圍見表2-15。
表2-15常用非金屬軟（平）墊片
5.2半金屬墊片
非金屬材料雖具有很好的柔軟性、壓縮性和螺栓載荷低等優(yōu)點(diǎn)，但主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度不高，回彈性差，不適合高壓、高溫場(chǎng)合，所以結(jié)合金屬材料強(qiáng)度高、回彈性好、經(jīng)受得起高溫的特點(diǎn)，制成具有兩者組合結(jié)構(gòu)的墊片，即半金屬墊片。除上述內(nèi)襯金屬骨架的非金屬板制成的墊片也屬其一大類外，金屬纏繞墊片、金屬包覆墊片、金屬波紋組合墊片、金屬齒形組合墊片是目前各工業(yè)部門中應(yīng)用zui廣泛的半金屬墊片，尤其是與柔性石墨、PTFE材料組合的這些墊片更具特色。
常用半金屬墊片及適用范圍如表2-16所示。
5.3金屬墊片
在高溫、高壓及載荷循環(huán)頻繁等苛刻操作條件下、各種金屬材料仍是密封墊片的材料。為了減少螺栓載荷和保證結(jié)構(gòu)緊湊，除了平金屬墊片應(yīng)盡量采用窄寬度外，各種具有線接觸特征的環(huán)墊結(jié)構(gòu)，如齒形熱、橢圓墊、八角墊、透鏡墊等則是優(yōu)選的形式。常用金屬墊片及適用范圍見表2-17
5.3金屬墊片
在高溫、高壓及載荷循環(huán)頻繁等苛刻操作條件下、各種金屬材料仍是密封墊片的材料。為了減少螺栓載荷和保證結(jié)構(gòu)緊湊，除了平金屬墊片應(yīng)盡量采用窄寬度外，各種具有線接觸特征的環(huán)墊結(jié)構(gòu)，如齒形熱、橢圓墊、八角墊、透鏡墊等則是優(yōu)選的形式。常用金屬墊片及適用范圍見表2-17
墊片的主要性能
6.1壓縮性和回彈性
壓縮性指初始?jí)嚎s后墊片厚度的改變量，表征了墊片剛性的大小。墊片壓縮性越小，就越容易變形。而回彈性的定義是當(dāng)壓縮載荷卸除后墊片厚度的回復(fù)量，它對(duì)操作時(shí)因介質(zhì)壓力或其他原因引起的密封面分離進(jìn)行了補(bǔ)償，以保持接頭的密封能力，比壓縮性更具重要性。兩者分別以百分率表示，如式（2-1）、（2-2）所示：
C=（to-tc）/to×100%(2-1)
R=(tr-tc)/(to-tc)×100%(2-2)
式中C—壓縮率，%；
R—回彈率，%；
to--墊片的原始厚度（測(cè)試時(shí)取初載荷下的厚度），㎜；
tc--墊片在全載荷下的厚度，㎜；
tr--墊片在回復(fù)載荷下的厚度，㎜
不同材料和結(jié)構(gòu)形式的墊片的壓縮率和回彈率是不相同的，如表2-18所示。壓縮率通常是一個(gè)范圍，如壓縮石棉或非石棉纖維橡膠板，壓縮率為7%~17%，而回彈率則大于40%~50%，純PTFE的壓縮率為6%~55%，回彈率大于20%~40%等。它們還受到溫度、厚度和墊片應(yīng)力等因素的影響。因此，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中通常按照規(guī)定的厚度和墊片應(yīng)力在室溫測(cè)得。對(duì)墊片的壓縮-回彈性除了評(píng)價(jià)其數(shù)值大小外，還應(yīng)從不同開關(guān)的壓縮-回彈曲線，特別是卸載部分回復(fù)曲線的斜率觀察，這一斜率越大，墊片的彈性補(bǔ)償能力越大，墊片應(yīng)力的損失越小，即越容易適應(yīng)載荷的循環(huán)作用或密封的穩(wěn)定性越好。實(shí)際壓縮-回彈曲線圖中壓縮曲下的面積代表壓縮所作的全部功，這些功將以彈性應(yīng)變通的形式貯存于墊片中，該面積越大則表明墊片彈性補(bǔ)償?shù)臐摿υ酱螅欢貜椙€下的面積則表示墊片卸載時(shí)釋放出來的彈性應(yīng)變能，顯然曲線包圍部分的面積代表了墊片的剛性大小。因此在評(píng)價(jià)墊片的壓縮性和回彈性時(shí)，不但要求合適的壓縮性和zui大的回彈率，還要求有*開關(guān)的壓縮-回彈曲線。
6.2拉伸強(qiáng)度
因?yàn)閴|片主要承受壓縮作用，理論上沒有拉伸強(qiáng)度墊片也不會(huì)發(fā)生問題，但在實(shí)際使用中，即使在一般場(chǎng)合，墊片也必須具有基本的拉伸強(qiáng)度，如表2-18所示。這不僅是構(gòu)成材料的需要，也是墊片抵抗壓力介質(zhì)撕裂或吹出的需要。對(duì)于用各種橡膠粘結(jié)纖維增強(qiáng)板材通過通常壓縮法制成的非金屬墊片，由于橫向拉伸強(qiáng)度和縱向拉伸強(qiáng)度常常是不相同的，而且前者往往比后者低，所以拉伸強(qiáng)度一般是指橫向拉伸強(qiáng)度。其他半金屬墊片和金屬墊片，拉伸強(qiáng)度比非金屬板材高得多，因此不是主要考慮的因素。
墊片密封是化學(xué)、煉油、醫(yī)藥、食品、機(jī)械和電力等工業(yè)部門中壓力容器、工藝設(shè)備、動(dòng)力機(jī)器和連接管道等可拆接頭處zui主要的靜密封形式。它們所處的工況條件復(fù)雜，密封的流體范圍廣泛，防止密封流體通過這些接頭處泄漏出來，是工廠面對(duì)的zui重要也是zui艱巨的任務(wù)。雖然墊片密封與泵軸、閥桿、攪拌器軸等密封相比，其泄漏量比較小，但其用量卻比它們多得多，因此成為工廠泄漏和易揮發(fā)有機(jī)物逸出的主要源頭，它們不僅嚴(yán)重污染環(huán)境，而且造成產(chǎn)品損失相當(dāng)可觀，墊片密封的重要性也就不喻而言了。
由于它們通常采用螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)首先要求接頭密閉，這就意味著必須將其裝配并擰到足夠緊，而這恰恰是一個(gè)很艱難的任務(wù)，要做到控制則需要涉及多方面的問題；其次，影響招牌密封的因素很多，且至今還是一個(gè)尚未能定量的問題。正因?yàn)閴|片的應(yīng)用范圍其廣泛，故墊片需要的壓載荷各不相同，如低壓水泵薄法蘭用的墊片，需要的壓緊載荷較低；而壓力容器和管道法蘭墊片，需要較大的壓緊載荷和剛性較好的連接結(jié)構(gòu)。對(duì)后者通常有標(biāo)準(zhǔn)可查，但對(duì)特殊要求的墊片密封，它們沒有標(biāo)準(zhǔn)的連接件尺寸，如法蘭厚度、螺栓尺寸、螺栓間距等，則就需要考慮自行設(shè)計(jì)。
廊坊凱信密封材料有限公司介紹墊片密封的基本原理、墊片的類型與選擇、墊片的主要性能和試驗(yàn)方法等。有關(guān)國(guó)內(nèi)外墊片和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)讀者可參閱本手冊(cè)的附錄。
密封機(jī)理
就墊片密封而言，通常密封流體在墊片結(jié)合處的泄漏有3種情況
?。?）對(duì)非金屬材質(zhì)的一類墊片而言，從材料的微觀結(jié)構(gòu)來看，本身存在的微小縫隙或細(xì)微的毛細(xì)管，具有一定壓力的流體自然容易通過它們滲漏出來，此稱為滲透泄漏，它占總泄漏量的10%~20%；
?。?）兩連接件表面（下稱密封面），從機(jī)械加工的微觀紋理來看，存在粗糙度和變形的問題，它們與墊片之間總是存在泄漏通道，由此產(chǎn)生的流體泄漏稱為界面泄漏，占總泄漏量的80%~90%。
（3）當(dāng)夾緊墊片的總載荷因各種原因減少到幾乎等于作用在接頭端部的流體靜壓力時(shí)，就導(dǎo)致了密封面的分離。這里若增加流體壓力，則對(duì)機(jī)械完整性很差的墊片，如操作期間材料發(fā)生劣化（degradation）的墊片，沿墊片徑向作用的流體壓力就會(huì)將其撕裂，引起密封流體的大量泄放，此被稱為吹出（blowout）泄漏，它屬于一種事故性泄漏。對(duì)于上述（1）通?？赏ㄟ^不同材料的復(fù)合或機(jī)械組合形成不滲透性結(jié)構(gòu)，或者使用較大的夾緊力使材料更加密實(shí)，減少以至消除泄漏；而（2）和（3）與墊片材料性質(zhì)、接頭的機(jī)械特征、結(jié)合面的性質(zhì)與狀態(tài)、密封流體的特性以及緊固件夾緊程度等有關(guān)。它們也是解決墊片密封設(shè)計(jì)、安裝、使用以及密封失效分析等問題的關(guān)鍵。
墊片用于對(duì)兩個(gè)連接件的密封面產(chǎn)生初始裝配密封和保持工作密封。在理論上，如果密封面*光滑、平行，并有足夠的剛度，它們可以依靠緊固件夾持在一起，無須墊片而達(dá)到密封的目的（即無墊密封）。但是在實(shí)際中，連接件的兩個(gè)密封面總是存在粗糙度，兩者也不是平等的，剛度也有限，加上緊固件柔度不同和排列分散，因此墊片接受的載荷通常是不均勻的，為了彌補(bǔ)這種不均勻的載荷和相應(yīng)的變形，在兩連接件密封面間插入一墊片，使之適應(yīng)密封面的不規(guī)則性。顯然，要產(chǎn)生初始密封的基本要求是壓縮墊片，使其與密封面間產(chǎn)生足夠的壓力（通常稱為墊片預(yù)緊應(yīng)力，也稱初始?jí)|片比壓），以阻止介質(zhì)通過材料本身的滲透，同時(shí)保證墊片對(duì)連接件有較大的順從性，即墊片材料受壓縮后發(fā)生的彈性或彈塑性變形能夠填塞密封面的變形和表面粗糙度，以堵塞界面泄漏的通道。
預(yù)緊墊片應(yīng)力是否能夠做到初始密封，與使用的墊片的材料密切相關(guān)，不同的材料在相同的壓縮量下得到的墊片應(yīng)力是不相同的，自然同樣的密封要求下所有密封的介質(zhì)壓力也不一樣，或者說相同的介質(zhì)壓力下得到的緊密性大小不同。
當(dāng)初始?jí)|片應(yīng)力加在墊片上之后，它必須在裝置的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)保持足夠的應(yīng)力，以維持允許的密封度。因?yàn)楫?dāng)接頭受到流體壓力作用時(shí)，密封面被迫發(fā)生分離，此時(shí)要求墊片能釋放出足夠的彈性應(yīng)變能，以彌補(bǔ)這一分離量，并且留下足以保持密封所需要的工作（殘留）墊片應(yīng)力。此外，這一彈性應(yīng)變能還要補(bǔ)償裝置長(zhǎng)期運(yùn)行過程中任何可能發(fā)生的墊片應(yīng)力松弛，因?yàn)楦鞣N墊片材料在長(zhǎng)時(shí)期的應(yīng)力作用下，都會(huì)發(fā)生不同程度的應(yīng)力降低。此外，接頭的不均勻熱變形，也會(huì)引起墊片應(yīng)力的變化，例如連接件與緊固件材料不同，引起各自的熱膨脹量不同，導(dǎo)致招牌應(yīng)力的降低或升高；或者因受熱引起堅(jiān)固件應(yīng)力的松弛而減少了作用在招牌上的應(yīng)力等。
圖2-2中的曲線表示上述兩個(gè)過程中墊片的應(yīng)力與變形關(guān)系，圖中δg和δR分別對(duì)應(yīng)墊片預(yù)緊至δgi時(shí)的壓縮量和工作時(shí)δgo下的回彈量。綜上所述，任何形式的墊片密封，都要在連接件的密封面與墊片表面之間產(chǎn)生一種墊片密封，其大小與裝配墊片時(shí)的預(yù)壓縮量以及墊片材料的彈性模量有關(guān)，而其分布狀況與墊片截面的幾何形狀有關(guān)。至少?gòu)睦碚撋险f，墊片預(yù)緊應(yīng)力愈大，墊片中貯存的彈性應(yīng)變通也愈大，因而可用于補(bǔ)償分離或松弛的余地也就愈大，當(dāng)然這要以密封材料本身的zui大彈性承載能力為限。但就實(shí)際使用而言，墊片預(yù)緊應(yīng)力的合理值取決于密封材料與結(jié)構(gòu)、密封程度、環(huán)境因素、使用壽命以及經(jīng)濟(jì)性等因素。
墊片法蘭連接的基本要求
墊片法蘭連接是由墊片-螺栓-法蘭組成的結(jié)構(gòu)，其力學(xué)行為和密封特性比其他機(jī)械構(gòu)件復(fù)雜，因?yàn)樗艿皆S多因素的影響，以致工作時(shí)的整體性能很難預(yù)測(cè)或解釋。首先螺栓和螺母之間的摩擦關(guān)系復(fù)雜，依靠普通的擰緊工具，不可能地控制和預(yù)測(cè)螺栓的預(yù)緊載荷；其次，這些性能受到各個(gè)零件彈性的制約，尤其是存在墊片時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出彈塑性行為。因此，這種連接系統(tǒng)顯然是靜不定的，問題變得更加復(fù)雜了。如此的系統(tǒng)卻隨著多種載荷，如果栓力、墊片反作用力和流體壓力，還可能有與之相連的設(shè)備或管道的反作用力（如重量、墊膨脹等），這些力zui終使法蘭受到一外加彎矩的作用，在彎矩的作用下，法蘭發(fā)生彎曲變形和角變形。因此整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是在給定的墊片特性下，確定法蘭和螺栓等結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)尺寸，同時(shí)達(dá)到規(guī)定的密封度要求，即完整性—整修結(jié)構(gòu)的機(jī)械或熱應(yīng)力必須在材料允許范圍內(nèi)；密封性—墊片應(yīng)力必須使整個(gè)接頭的泄漏率在允許范圍內(nèi)。
顯然，起密封作用的墊片在整個(gè)連接系統(tǒng)中是關(guān)鍵的元件。在墊片法蘭連接中，任何元件既相互又相互制約，例如墊片的結(jié)構(gòu)形式和材料的選擇合理與否，直接影響螺栓尺寸的大小與經(jīng)濟(jì)性；法蘭結(jié)構(gòu)尺寸確定好壞，影響到結(jié)構(gòu)的剛度和緊湊性，它們之間的相互協(xié)調(diào)將zui終決定連接的密封性。
墊片的一般化結(jié)構(gòu)
現(xiàn)代工業(yè)使用的平墊片是1890年前奧地利工程師理查德·克林格（RichardKlinger）發(fā)明的，由此引出了許多用于不同場(chǎng)合的不同材料和各種結(jié)構(gòu)的墊片。
圖2-3示出墊片的一般化結(jié)構(gòu)，當(dāng)然不是每種墊片都具有圖示的所有組成，但只是其中某些元件的增減變化而已。
件b是密封元件，其作用是阻止泄漏。常用的結(jié)構(gòu)材料為非金屬材料，如柔性石墨、聚四氟乙烯（PTFE）、云母（Mica）或普通的橡膠粘結(jié)纖維板等。此外，密封元件的結(jié)構(gòu)材料也可以是剛性或柔性的金屬，通常用于壓力和溫度較高的場(chǎng)合。但非金屬材料常通過插入金屬材料e予以增強(qiáng)，同時(shí)也方便了如石墨和云母等易碎材料的加工。增強(qiáng)材料可以用金屬箔、絲網(wǎng)或薄析，金屬薄析常常采用沖方刺孔的方式提高增強(qiáng)效果和增加彈性，并通過粘結(jié)劑和（或）輥壓將它們貼合一起（也稱半金屬材料）。密封元件也可設(shè)一表面層d或f來增加密封效果，防止與密封面粘結(jié)，密封墊片的應(yīng)力也取決于此表面層。表面層材料可以是PTEF或屈服強(qiáng)度低的金屬薄襯（如金、黃銅、軟鋼、鈦、鋯、蒙乃爾等），也可以采用表面現(xiàn)象鍍層（如鉛、錫、銦、PTFE、FEP、金、銀等）。對(duì)柔性金屬密封環(huán)而言，其作用是使內(nèi)芯材料免受密封流體的化學(xué)侵蝕，同時(shí)又保留了內(nèi)芯材料的彈性，例如各種包覆結(jié)構(gòu)形式的墊片。
外環(huán)（或外間隔環(huán)c有以下幾個(gè)作用：幫助密封元件對(duì)中；防止密封元件過分壓縮；防止墊片吹出和減少法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)等。因?yàn)橥猸h(huán)c主要起機(jī)械性作用，材料均為實(shí)心金屬，且不接觸密封介質(zhì)，所以不要求耐介質(zhì)腐蝕。如果僅起定位作用，在預(yù)緊螺栓時(shí)就不要讓法蘭壓到此環(huán)。如果目的是減少法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)，外環(huán)就要延伸至法蘭螺栓圓外的法蘭外周邊，并與法蘭端面接觸，以形成阻止法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)的反力矩。而且當(dāng)螺栓載荷超過壓縮密封元件需要的載荷時(shí)，即使因流體壓力變化引起了軸向載荷的波動(dòng)，也會(huì)被法蘭與外環(huán)之間的反力所補(bǔ)償，因此避免了因循環(huán)載荷而螺栓發(fā)生的疲勞破壞，同時(shí)墊片仍能保持其*的密封應(yīng)力。外環(huán)也可以與密封元件連成一體，例如實(shí)心金屬墊片。此外，具有凹凸面或榫槽面的法蘭也可起此作用。
內(nèi)環(huán)（或內(nèi)間隔環(huán)a也有很多種作用：防止無內(nèi)環(huán)的密封元件因剛性不足沿墊片內(nèi)圓發(fā)生向內(nèi)屈曲；填補(bǔ)密封件與管道或容器內(nèi)孔之間的空隙，以避免此空隙干擾流體的流動(dòng)和由此引起的流體對(duì)墊片的沖蝕。內(nèi)環(huán)接觸流體，故其材料要能抵御密封介質(zhì)的腐蝕。
墊片的基本類型
墊片按照構(gòu)造的主體材料分為金屬、半金屬和非金屬墊片三大類，如圖2-4所示。
5.1非金屬（軟）墊片
因?yàn)榻^大多數(shù)墊片或是非金屬（軟）墊片，或是金屬與非金屬組合墊片，所以非金屬材料是墊片zui基本的構(gòu)成材料。了解各種非金屬軟墊片材料的主要組分、結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)缺點(diǎn)，是更好理解這些墊片zui終結(jié)構(gòu)具有的性能和應(yīng)用的基礎(chǔ)。按照構(gòu)成這些材料的基本組分和借貨狀態(tài)，可以進(jìn)行如下的分類。
5.1.1按組成墊片的基本組分（基質(zhì)）可分為7類
?。?）植物質(zhì)：如紙、棉、軟木等；
?。?）動(dòng)物質(zhì)：如皮革、羊毛氈等；
?。?）礦物質(zhì)：如石棉、玻璃、陶瓷等纖維；
?。?）橡膠質(zhì)：如天然橡膠（NR）及各種合成橡膠[包括橡膠（NBR）、氯丁橡膠（CR）、丁苯橡膠（SBR）、氟橡膠（FPM）、硅橡膠（VMQ）、乙丙橡膠（EPDM）等]；
?。?）合成樹脂質(zhì)：如純聚四氟乙烯（PTFE）、膨脹聚四氟乙烯（e-PTEF）、填充聚四氟乙烯等；
?。?）石墨質(zhì)：如柔性石墨（也稱膨脹石墨）、碳纖維和石墨纖維等；
（7）短纖維增強(qiáng)彈性體（橡膠、塑料）：如石棉、礦棉等無機(jī)纖維、有機(jī)纖維、碳或石墨纖維增強(qiáng)彈性體等。
5.1.2按目前工業(yè)上常用的墊片（板材）品種分為如下6種
?。?）橡膠墊片（彈性體板）；
?。?）石板橡膠墊片；
?。?）無石棉橡膠墊片
（4）聚四氟乙烯墊片：包括純聚四氟乙烯、填充聚四氟乙烯或膨脹聚四氟乙烯，以及內(nèi)部插入金屬網(wǎng)或板增強(qiáng)的聚四氟乙烯墊片等；
?。?）聚四氟乙烯包覆墊片：包括聚四氟乙烯包覆的橡膠或石棉橡膠墊片和聚四氟乙烯包覆的有金屬增強(qiáng)的橡膠或石棉橡膠或無石棉橡膠墊片；
?。?）柔性石墨墊片：包括純?nèi)嵝允珘|片和各種纖維、金屬網(wǎng)、金屬?zèng)_刺板、金屬波紋板增強(qiáng)的柔性石墨墊片等。
上述（4）、（5）、（6）中金屬骨架增強(qiáng)的墊片也可劃歸為半金屬類墊片。
常用非金屬（軟）墊片及適用范圍見表2-15。
表2-15常用非金屬軟（平）墊片
5.2半金屬墊片
非金屬材料雖具有很好的柔軟性、壓縮性和螺栓載荷低等優(yōu)點(diǎn)，但主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度不高，回彈性差，不適合高壓、高溫場(chǎng)合，所以結(jié)合金屬材料強(qiáng)度高、回彈性好、經(jīng)受得起高溫的特點(diǎn)，制成具有兩者組合結(jié)構(gòu)的墊片，即半金屬墊片。除上述內(nèi)襯金屬骨架的非金屬板制成的墊片也屬其一大類外，金屬纏繞墊片、金屬包覆墊片、金屬波紋組合墊片、金屬齒形組合墊片是目前各工業(yè)部門中應(yīng)用zui廣泛的半金屬墊片，尤其是與柔性石墨、PTFE材料組合的這些墊片更具特色。
常用半金屬墊片及適用范圍如表2-16所示。
5.3金屬墊片
在高溫、高壓及載荷循環(huán)頻繁等苛刻操作條件下、各種金屬材料仍是密封墊片的材料。為了減少螺栓載荷和保證結(jié)構(gòu)緊湊，除了平金屬墊片應(yīng)盡量采用窄寬度外，各種具有線接觸特征的環(huán)墊結(jié)構(gòu)，如齒形熱、橢圓墊、八角墊、透鏡墊等則是優(yōu)選的形式。常用金屬墊片及適用范圍見表2-17
5.3金屬墊片
在高溫、高壓及載荷循環(huán)頻繁等苛刻操作條件下、各種金屬材料仍是密封墊片的材料。為了減少螺栓載荷和保證結(jié)構(gòu)緊湊，除了平金屬墊片應(yīng)盡量采用窄寬度外，各種具有線接觸特征的環(huán)墊結(jié)構(gòu)，如齒形熱、橢圓墊、八角墊、透鏡墊等則是優(yōu)選的形式。常用金屬墊片及適用范圍見表2-17
墊片的主要性能
6.1壓縮性和回彈性
壓縮性指初始?jí)嚎s后墊片厚度的改變量，表征了墊片剛性的大小。墊片壓縮性越小，就越容易變形。而回彈性的定義是當(dāng)壓縮載荷卸除后墊片厚度的回復(fù)量，它對(duì)操作時(shí)因介質(zhì)壓力或其他原因引起的密封面分離進(jìn)行了補(bǔ)償，以保持接頭的密封能力，比壓縮性更具重要性。兩者分別以百分率表示，如式（2-1）、（2-2）所示：
C=（to-tc）/to×100%(2-1)
R=(tr-tc)/(to-tc)×100%(2-2)
式中C—壓縮率，%；
R—回彈率，%；
to--墊片的原始厚度（測(cè)試時(shí)取初載荷下的厚度），㎜；
tc--墊片在全載荷下的厚度，㎜；
tr--墊片在回復(fù)載荷下的厚度，㎜
不同材料和結(jié)構(gòu)形式的墊片的壓縮率和回彈率是不相同的，如表2-18所示。壓縮率通常是一個(gè)范圍，如壓縮石棉或非石棉纖維橡膠板，壓縮率為7%~17%，而回彈率則大于40%~50%，純PTFE的壓縮率為6%~55%，回彈率大于20%~40%等。它們還受到溫度、厚度和墊片應(yīng)力等因素的影響。因此，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中通常按照規(guī)定的厚度和墊片應(yīng)力在室溫測(cè)得。對(duì)墊片的壓縮-回彈性除了評(píng)價(jià)其數(shù)值大小外，還應(yīng)從不同開關(guān)的壓縮-回彈曲線，特別是卸載部分回復(fù)曲線的斜率觀察，這一斜率越大，墊片的彈性補(bǔ)償能力越大，墊片應(yīng)力的損失越小，即越容易適應(yīng)載荷的循環(huán)作用或密封的穩(wěn)定性越好。實(shí)際壓縮-回彈曲線圖中壓縮曲下的面積代表壓縮所作的全部功，這些功將以彈性應(yīng)變通的形式貯存于墊片中，該面積越大則表明墊片彈性補(bǔ)償?shù)臐摿υ酱螅欢貜椙€下的面積則表示墊片卸載時(shí)釋放出來的彈性應(yīng)變能，顯然曲線包圍部分的面積代表了墊片的剛性大小。因此在評(píng)價(jià)墊片的壓縮性和回彈性時(shí)，不但要求合適的壓縮性和zui大的回彈率，還要求有*開關(guān)的壓縮-回彈曲線。
6.2拉伸強(qiáng)度
因?yàn)閴|片主要承受壓縮作用，理論上沒有拉伸強(qiáng)度墊片也不會(huì)發(fā)生問題，但在實(shí)際使用中，即使在一般場(chǎng)合，墊片也必須具有基本的拉伸強(qiáng)度，如表2-18所示。這不僅是構(gòu)成材料的需要，也是墊片抵抗壓力介質(zhì)撕裂或吹出的需要。對(duì)于用各種橡膠粘結(jié)纖維增強(qiáng)板材通過通常壓縮法制成的非金屬墊片，由于橫向拉伸強(qiáng)度和縱向拉伸強(qiáng)度常常是不相同的，而且前者往往比后者低，所以拉伸強(qiáng)度一般是指橫向拉伸強(qiáng)度。其他半金屬墊片和金屬墊片，拉伸強(qiáng)度比非金屬板材高得多，因此不是主要考慮的因素。
