墊片的基本知識(2)
三、墊片的選擇
1、選擇時的注意事項
正確選用密封墊片是保證設(shè)備無泄漏之關(guān)鍵。對于同一種工況，一般有若干種墊片可供選擇。必須根據(jù)介質(zhì)的物性、壓力、溫度和設(shè)備大小、操作條件、連續(xù)運轉(zhuǎn)周期長短等情況，合理地選擇墊片，揚長避短，充分發(fā)揮各種墊片的特點。 選擇墊片時，應(yīng)充分考慮下列因素：
(1)有良好的彈性和恢復(fù)性，能適應(yīng)壓力變化和溫度波動;
(2)有適當(dāng)?shù)娜彳浶?，能與接觸面很好地貼合;
(3)不污染工藝介質(zhì);
(4)有足夠的韌性而不因壓力和緊固力造成破環(huán);
(5)低溫時不硬化，收縮量小;
(6)加工性能好，安裝、壓緊方便;
(7)不粘結(jié)密封面、拆卸容易;
(8)價格便宜，使用壽命長。
在墊片的使用中，壓力和溫度二者是相互制約的，隨著溫度的升高，在設(shè)備運轉(zhuǎn)一段時間后，墊片材料發(fā)生軟化、蠕變、應(yīng)力松弛現(xiàn)象，機械強度也會下降，密封的壓力降低。反之亦然。例如，手冊上列舉高壓石棉橡膠板XB450在水、蒸汽介質(zhì)中，使用溫度450℃、壓力<6MPa(該材料作密封性能試驗時，在
440℃~450℃、12MPa的蒸汽中保壓30分鐘)。但在長期實際使用中，溫度若達到450℃，所能密封的壓力僅0.3~0.4MPa。對于滲透性強的氣體介質(zhì)則僅有0.1~0.2MPa。
上述情況，在選用時應(yīng)予以充分考慮。
2、國產(chǎn)墊片的選用
(1)工業(yè)橡膠板
天然橡膠適用于水、海水、空氣、惰性氣體、堿類、鹽類水溶液等介質(zhì)，但不耐礦物油和非極性溶劑，長期使用溫度不超過90℃，低溫性能優(yōu)異，可在-60℃以上使用。
丁腈橡膠適用于石油類產(chǎn)品，如石油、潤滑油、燃料油等，長期使用溫度為120℃，如在熱油中可耐150℃，低溫為-10~-20℃。
氯丁橡膠適用于海水、弱酸、弱堿、鹽溶液，耐氧和臭氧老化性能優(yōu)異，耐油性次于丁腈橡膠而優(yōu)于其他通用橡膠，長期使用溫度低于90℃，最高使用溫度不超過130℃，低溫為-30~-50℃。
氟橡膠有多個品種，它們分別具有良好的耐酸、耐氧化性能以及耐油、耐溶劑性能。可以在幾乎所有的酸類介質(zhì)以及一些油和溶劑中使用，長期使用溫度低于200℃。
橡膠板材作為法蘭墊片，多用于管道或經(jīng)常拆卸的人孔、手孔，壓力不超過1.568MPa。因在各類墊片中，橡膠墊片最軟，貼合性能好，在較小的預(yù)緊力下就能發(fā)揮密封效果。正因如此，在承受內(nèi)壓時，因墊片偏厚或硬度偏低而容易被擠出。
橡膠板材在苯、酮、醚等有機溶劑中使用，易出現(xiàn)溶脹、增重、變軟、發(fā)粘現(xiàn)象，導(dǎo)致密封失效。一般溶脹度超過30%就不能使用。
在低壓(尤其是0.6MPa以下)、真空情況下，采用橡膠墊較為適宜。橡膠材料致密性好，透氣率低。例如氟橡膠，最適宜作真空容器的密封墊片，真空度最高可達1.3×10-7Pa。橡膠墊在10-1~10-7Pa真空度范圍使用時，需經(jīng)烘焙和抽氣處理。
石棉橡膠板價格較其它墊片低，使用方便;最大問題是：墊片材料雖然加入了橡膠和一些填充劑，仍無法將那些串通的微小孔隙完全填滿，存在微量滲透。故在污染性極強的介質(zhì)中，即使壓力、溫度不高也不能使用。當(dāng)用于一些高溫油類介質(zhì)時，通常在使用后期，由于橡膠和填充劑碳化，強度降低，材質(zhì)變疏松，便在界面和墊片內(nèi)部產(chǎn)生滲透，出現(xiàn)結(jié)焦和發(fā)煙現(xiàn)象。另外，石棉橡膠板在高溫下易粘結(jié)在法蘭密封面上，給更換墊片帶來了許多麻煩。
在受熱狀態(tài)下，墊片在各種介質(zhì)中的使用壓力取決于墊片材料的強度保持率。石棉纖維材料中存在著結(jié)晶水和吸附水。110℃時，纖維之間的吸附水已有2/3析出，纖維的抗拉強度約降低10%;368℃時，吸附水全部析出，纖維的抗拉強度約降低20%;超過500℃，結(jié)晶水開始析出，強度則更低。介質(zhì)對石棉橡膠板的強度影響也很大。例如，在航空潤滑油和航空燃油中，400號耐油石棉橡膠板橫向抗拉強度相差80%，這是由于航空燃油對板材中橡膠的溶脹比航空潤滑油嚴重之故?？紤]到上述因素，國產(chǎn)石棉橡膠板XB450的推薦安全使用范圍：溫度250℃~300℃，壓力3~3.5MPa;400號耐油石棉橡膠板使用溫度不宜超過350℃。
石棉橡膠板含有氯離子和硫化物，吸水后容易與金屬法蘭形成腐蝕原電池，尤其是耐油石棉橡膠板中硫磺含量高出普通石棉橡膠板好幾倍，故在非油性介質(zhì)中不宜使用。墊片在油品和溶劑類介質(zhì)中會發(fā)生溶脹現(xiàn)象，但在一定范圍內(nèi)，對密封性能基本沒有什么影響。例如，400號耐油石棉橡膠板在常溫航空燃油中作24小時浸泡試驗，要求因吸油重量增加不得超過15%。
聚四氟乙烯在受壓及高溫下易冷流及蠕變，故一般用于低壓、中溫、強腐蝕以及不允許污染的介質(zhì)，如強酸、強堿、鹵素、藥品等。安全使用溫度在150℃，壓力1MPa以下。填充聚四氟乙烯雖然強度高些，但使用溫度也不超過200℃，且耐腐蝕能力下降。聚四氟乙烯包墊最高使用壓力一般不超過2MPa。圖2-8表示某一試驗中，聚四氟乙烯墊片以及包墊的使用曲線。
由2-8(a)可見，由于溫度升高，材料發(fā)生蠕變，致使密封壓力明顯下降。即使不升溫，隨著時間的延長，密封面的壓緊應(yīng)力也會下降，產(chǎn)生“應(yīng)力松弛現(xiàn)象(見圖2-8(b))”。該現(xiàn)象在各種墊片中都會產(chǎn)生，只是聚四氟乙烯墊的應(yīng)力松弛現(xiàn)象較為嚴重，應(yīng)予注意。
聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)較小(壓緊應(yīng)力大于4MPa，摩擦系數(shù)為0.035~0.04)，預(yù)緊時墊片易向外滑移，所以最好采用凹凸式法蘭面。當(dāng)采用平面法蘭時，可將墊片外徑接觸螺栓，利用螺栓阻止墊片外滑。圖2-3(a)、圖2-3(b)兩種聚四氟乙烯包墊使用直徑不大于300mm，圖2-3(c)則可用在直徑300mm以上的設(shè)備、特別是搪玻璃設(shè)備及管道。由于搪玻璃設(shè)備是在金屬表面噴涂了一層瓷釉后燒結(jié)而成的，釉層很脆，加之噴涂不均勻和釉層流動，法蘭表面平面度較差。采用金屬復(fù)合型墊片易損壞釉層，所以推薦使用芯材由石棉板加橡膠的聚四氟乙烯包墊。這種包墊既容易與法蘭面貼合又耐腐蝕，使用效果良好。
有許多廠在溫度、壓力不高的強腐蝕介質(zhì)中，采用石棉橡膠板外纏聚四氟乙烯生料帶，用于經(jīng)常拆卸的人孔、管道上。由于制作、使用方便，頗受歡迎。
(4)其它
石棉樹脂板和浸漬石棉板墊片多用于各種酸性介質(zhì)的管道、泵、閥、進出口法蘭，其使用溫度在80℃、壓力在0.6MPa以下。
石棉編制墊片適用于壓力0.1MPa以下，溫度不超過800℃的低壓、高溫工況。并可根據(jù)設(shè)備的具體要求，編織成不通寬度、厚度、直徑的墊片?；?qū)⑹迬Ъ粝潞笾苯臃笤诜ㄌm表面。它用于大型硫酸、硝酸氧化爐以及一些未經(jīng)加工的設(shè)備接口處，效果遠遠超過原來的石棉繩。
(5)金屬包石棉墊
由金屬薄板包覆石棉板或石棉橡膠板，使其不與介質(zhì)直接接觸，避免了石棉纖維強度下降，客服了滲漏現(xiàn)象，從而擴大了石棉橡膠板的使用范圍。一般金屬包石棉墊使用溫度為450℃(個別也有達600~700℃，如在常壓~0.16MPa的煙道氣中)，使用壓力為4MPa，最高可達6MPa。如壓力再增高，墊片易產(chǎn)生橫流現(xiàn)象，芯材從搭接處擠出。
由于金屬包石棉墊需要較大的螺栓擰緊力，即使當(dāng)使用壓力低于2.45MPa，也不能采用pg25公斤級以下的法蘭。否則，法蘭、螺栓的剛度就顯得不夠，產(chǎn)生變形而導(dǎo)致密封失效。有人認為，若將芯材改為彈性較好的合成橡膠，其緊固力就會下降。其實不然，因為芯材改軟后，緊固力被芯材吸收，不能提供金屬板在法蘭面上貼合所需的緊固力，包墊反容易被極壞。另外，在含氯離子較多的介質(zhì)以及酸性介質(zhì)中，不銹鋼包墊及鐵皮包墊的搭接處易產(chǎn)生縫隙腐蝕。
溫度高于450℃，芯材可使用陶瓷纖維或碳纖維。某鋼鐵廠采用金屬包陶瓷纖維墊片用于1100℃的高溫，使用二年尚未損壞。柔性石墨作芯材是最合適的。目前，國內(nèi)已批量生產(chǎn)金屬包柔性石墨墊。其使用效果優(yōu)于金屬包石棉墊。 金屬包墊能制成各種形狀，大量用于各種熱交換器、反應(yīng)器的大蓋、裝卸孔、人孔法蘭等。國內(nèi)曾制作過直徑為2m的鐵包墊，使用情況良好。
在金屬包墊的表面貼覆一層柔性石墨薄板，這種墊片與表面未包覆的同類金屬包墊相比，預(yù)緊比壓較小，密封性能更佳。圖2-9為兩者壓緊應(yīng)力與泄漏量的關(guān)系曲線。
目前國內(nèi)尚無此產(chǎn)品，故有的單位將現(xiàn)有的柔性石墨皺紋帶貼在金屬包墊以及金屬平墊、齒形墊甚至石棉橡膠墊表面，解決了許多泄漏難題。例如某廠的熱交換器，壓力為5.88MPa、溫度450℃，介質(zhì)為氫/油氣。曾用過金屬平墊、齒形墊，均有泄漏。后在平墊上貼了柔性石墨皺紋帶，解決了這一問題。應(yīng)該指出，這種墊片形式是一種解決法蘭墊片泄漏的簡便措施，貼覆柔性石墨帶的工作性質(zhì)量直接影響設(shè)備能否正常運轉(zhuǎn)。若在帶材背面涂刷一層膠水，可提高貼覆質(zhì)量。
(6)金屬纏繞墊
金屬纏繞墊巧妙地利用金屬的耐熱性、回彈性和強度以及非金屬材料的柔軟性，所以密封性能較好，其中又以不銹鋼帶纏繞柔性石墨墊的性能為最佳。其預(yù)緊比壓較石棉纏繞墊小，不存在石棉纖維毛細孔滲漏的缺點。圖2-10為兩者預(yù)緊比壓與泄漏量的關(guān)系曲線。
在油介質(zhì)中，金屬帶材多使用0Cr13，而其它介質(zhì)則推薦使用1Cr18Ni9Ti。 不銹鋼帶柔性石墨纏繞墊在氣體介質(zhì)中，使用壓力為14.7MPa(國內(nèi)有高達19.6MPa)，在液體中可用至30MPa。溫度-190~+600℃(在無氧、低壓情況下可用至1000℃)。
聚四氟乙烯的耐低溫性能良好，它在低溫下的屈服強度大大高于常溫時的強度。所以聚四氟乙烯纏繞墊可用于低溫介質(zhì)，如液態(tài)烴等。同時，因加入金屬帶提高了導(dǎo)熱性，聚四氟乙烯纏繞墊使用溫度可達250℃，在酸性介質(zhì)中可用至9MPa、200℃。
纏繞墊用于壓力和溫度波動較大的換熱器、反應(yīng)器、管道、閥門、泵進出口法蘭較為合適。對于中等以上壓力、溫度超過300℃者，應(yīng)考慮使用帶內(nèi)環(huán)、外環(huán)或內(nèi)外環(huán)。若使用凹凸面法蘭，配帶內(nèi)環(huán)的纏繞墊效果更好些。
在柔性石墨纏繞墊兩面貼覆柔性石墨板也能取得好的密封效果。某大型化肥廠廢熱鍋爐屬高溫高壓關(guān)鍵設(shè)備，用帶外環(huán)的柔性石墨纏繞墊，滿負荷時不漏，減負荷時則漏。在墊片兩面增加了0.5mm厚的柔性石墨板，剪成圓弧狀，接頭部分采用斜口搭接，使用情況良好。
(7)金屬平墊、波形墊和齒形墊
金屬平墊和金屬波形墊一般用于中、高壓閥門、管道和直徑較小的設(shè)備法蘭上。使用壓力則根據(jù)溫度的不同，前者為1.568~31.36MPa，后者為1.568~3.92MPa。墊片材質(zhì)根據(jù)介質(zhì)和溫度選取。
(8)八角墊和橢圓墊
用于梯形槽面法蘭的八角墊和橢圓墊(煉油行業(yè)俗稱“土鋼圈”)密封性能均好。在溝槽的錐面上，八角墊為面接觸而橢圓墊是線接觸。因此，橢圓墊在低緊固力下貼合性好，但需進行二次緊固;而八角墊一般一次緊固后，不易出現(xiàn)泄漏。它們的不足之處為要求較大的螺栓擰緊力，當(dāng)用于低壓高溫情況時，法蘭等級須在pg25公斤級以上。
墊片的安裝要求
1、密封墊片與法蘭密封面應(yīng)清洗干凈，不得有任何影響連接密封性能的劃痕、斑點等缺陷存在。
2、密封墊片外徑應(yīng)比法蘭密封面外小，密封墊片內(nèi)徑應(yīng)比管道內(nèi)徑稍大，兩內(nèi)徑的差一般取密封墊片厚度的2倍，以保證壓緊后，密封墊片內(nèi)緣不致伸入容器或管道內(nèi)，以免妨礙容器或管道中流體的流動。
3、密封墊片預(yù)緊力不應(yīng)超過設(shè)計規(guī)定，以免密封墊片過度壓縮喪失回彈能力。
4、 密封墊片壓緊時，最好使用扭矩扳手。對大型螺栓和高強度螺栓，最好使用液壓上緊器。擰緊力矩應(yīng)根據(jù)給定的密封墊片壓緊通過計算求得，液壓上緊器油壓的大小亦應(yīng)通過計算確定。
5、安裝密封墊片時，應(yīng)按順序依次擰緊螺母。但不應(yīng)擰一次就達到設(shè)計值。一般至少應(yīng)循環(huán)2～3次，以便密封墊片應(yīng)力分布均勻。
6、對易燃、易爆介質(zhì)的壓力容器和管道，換裝密封墊片時應(yīng)使用安全工具，以免因工具與法蘭或螺栓相碰，產(chǎn)生火花，導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故。
7、管道如有泄漏，必須降壓處理后再更換或調(diào)整安裝密封墊片，嚴禁帶壓操作。
墊片的適用范圍
選擇墊片的材料主要取決于下列三種因素：溫度壓力介質(zhì)
一、金屬墊片材料
1、碳鋼: 推薦最大工作溫度不超過538℃，特別當(dāng)介質(zhì)具有氧化性時。優(yōu)質(zhì)薄碳鋼板也不適合應(yīng)用于制造無機酸、中性或酸性鹽溶液的設(shè)備，如果碳鋼受到在的應(yīng)力，用于熱水工況條件下的設(shè)備事故率非常高。碳鋼墊片通常用于高濃度的酸和許多堿溶液。布氏硬度約120。
2、304不銹鋼 18-8(鉻18-20%、鎳8-10%)，推薦最大工作溫度不超過760℃。在溫度 -196~538℃區(qū)間內(nèi)，易發(fā)生應(yīng)力腐蝕和晶界腐蝕。布氏硬度160。
3、304L 不銹鋼含碳量不超過0。03%。推薦最大工作溫度不超過760℃。耐腐蝕性能類似304不銹鋼。低的含碳量減少了碳從晶格的析出，耐晶界腐蝕性能高于304不銹鋼。布氏硬度約140。
4、316不銹鋼 18-12(鉻18%、鎳12%)，在304不銹鋼中增加約2%鉬，當(dāng)溫度提高其強度和耐腐蝕性能提高。當(dāng)溫度提高時比其它普通不銹鋼具有更高抗蠕變性能。推薦最大工作溫度不超過760℃。布氏硬度約160。
5、316L不銹鋼推薦最大連續(xù)工作溫度不超過760℃~815℃。碳含量不超過相對于316不銹鋼具有更優(yōu)秀的耐應(yīng)力和晶界腐蝕。布氏硬度約140。
6、20合金 45%鐵、24%鎳、20%鉻和少量鉬和銅。推薦最大工作溫度不超過760℃~815℃。特別適用于制造耐硫酸腐蝕的設(shè)備，布氏硬度約160。
7、鋁鋁(含量不低于99%)。鋁具有優(yōu)秀耐腐蝕性能和加工性能，適用于制造雙夾墊片。布氏硬度約35。推薦最大連續(xù)工作溫度不超過426℃。
8、紫銅紫銅的成分接近于純銅，其含有微量的銀以增加其連續(xù)工作溫度。推薦最大連續(xù)工作溫度不超過260℃。布氏硬度約80。
9、黃銅(銅66%、鋅34%)，在大多數(shù)工況條件下，具有良好耐腐蝕性能，但不適應(yīng)醋酸、氨、鹽和乙炔。推薦最大連續(xù)工作溫度不超過260℃。布氏硬度約58。
10、哈氏B-2 (26-30%鉬、62%鎳和4-6%鐵)。推薦最大工作溫度不超過1093℃。具有優(yōu)異的耐熱濃度鹽酸腐蝕性能。也具有優(yōu)異的耐濕氯化氫氣體腐蝕、硫酸、磷酸和還原性鹽溶液腐蝕的性能。在高溫條件下具有高的強度。布氏硬度約230。
11、哈氏C-276 16-18%鉬、13-17.5%鉻、3.7-5.3%鎢、4.5-7%鐵、其余均為鎳)。推薦最大工作溫度不超過1093℃。具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。對各種嘗試的冷硝酸或濃度達到70%的沸騰硝酸具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，具有良好的耐鹽酸和硫酸腐蝕性能及優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕性能。布氏硬度約210。
12、英科耐爾600 鎳基合金(77%鎳、15%鉻和7%鐵)。推薦最大工作溫度不超過1093℃。在高溫條件下具有高的強度，通常用于需解決應(yīng)力腐蝕問題的設(shè)備。在低溫條件下，具有優(yōu)異的同加工性能。布氏硬度約150。
13、蒙乃爾400 (銅30%、鎳推薦最大連續(xù)工作溫度不超過815℃。除強氧化性酸外，對大多數(shù)酸和堿具有優(yōu)異耐腐蝕性能。在氟酸、氯化汞、汞介質(zhì)中易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，因而，不適應(yīng)用于上述介質(zhì)。被廣泛用于制造氫氟酸的設(shè)備。布氏硬度約120。
14、鈦
推薦最大工作溫度不超過1093℃。在高溫條件下，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。眾所周知耐氯離子的侵蝕，在較寬的溫度和濃度區(qū)間，具有優(yōu)異的耐硝酸腐蝕。鈦材在大多數(shù)堿溶液用的很少，適應(yīng)用于氧化工況條件。布氏硬度約216。
二、非金屬墊片材料
1、天然橡膠NR 對弱酸和堿，鹽和氯化物溶液具有良好的耐蝕性能，對油和溶劑耐蝕性能是差的，并不推薦用于臭氧介質(zhì)。推薦工作溫度-57℃~93℃。
2、氯丁橡膠CR 氯丁橡膠是一種合成橡膠，適應(yīng)于耐中等腐蝕的酸，堿和鹽溶液的腐蝕。對商業(yè)用油和燃料具有良好的耐腐蝕作用。但在強氧化性酸、芳香烴和氯化碳氫化合物其耐腐蝕性能是差的。推薦工作溫度-51℃~121℃。
3、丁氰橡膠NBR 丁氰橡膠是一種合成橡膠，適應(yīng)于在較寬溫度范圍內(nèi)具有良好的耐油、溶劑、芳香烴、堿性碳氫化合物、石油和天然氣的腐蝕性能。對氫氧化物、鹽和接近中性的酸具有良好的耐腐蝕性能。但在強氧化性介質(zhì)、氯化碳氫化合物，酮類和脂類其耐腐蝕性能是差的，推薦工作溫度51℃~121℃。
4、氟橡膠氟橡膠膠料是由二元和三元氟生膠填加配合劑、硫化劑經(jīng)混煉而成。除具有優(yōu)異的耐熱、耐介質(zhì)、和良好物理機械性能外，還具有壓縮永久變形低、彈性好和超長使用壽命。氟橡膠具有突出的耐熱(200～250℃)，耐油性能，可用于制造氣缸套密封圈，膠碗和旋轉(zhuǎn)唇形密封圈，能顯著地提高使用時間。推薦工作溫度-40℃~232℃。
5、氯磺?；垡蚁┖铣上鹉z對酸、堿和鹽物溶液具有良好的耐蝕性能，同時不受氣候、光照、、臭氧、商業(yè)燃料(如柴油和煤油等)影響。但不適應(yīng)用于芳香烴、氯化碳氫化合物、鉻酸和硝酸。推薦工作溫度-45℃~135℃。
6、硅橡膠硅橡膠具有突出的耐高低溫，可在150℃下超長期使用而無性能變化;可在200℃下連續(xù)使用10000小時，在-70～260℃的工作溫度范圍內(nèi)能保持其特有的使用彈性及耐臭氧，耐天候等優(yōu)點，適宜制作熱機構(gòu)中所需的密封墊，如密封襯圈，閥墊、油封(適用于水介質(zhì))等，特種硅橡膠可制作油封。
7、乙丙橡膠對強酸、強堿、鹽和氯化物溶液具有良好的耐蝕性能。但不適應(yīng)用于油類、溶劑、芳香烴和碳氫化合物。推薦工作溫度-57℃~176。
8、石墨該材料不含樹脂或無機物的全石墨材料，可分為摻入金屬或不摻入金屬元素石墨材料。該材料可粘接以至可制造直徑超過600MM管道墊片。對許多酸、堿、鹽和有機合物和傳熱溶液，甚至高溫溶液具有非常優(yōu)異的耐蝕性能。它不能熔化，但超過3316℃時將升華。在高溫條件下，在強氧化性介質(zhì)中使用該材料應(yīng)慎重。除用于墊片外，該材料也可制作填料和纏繞墊片中的非金屬纏繞帶。
9、陶瓷纖維、成型于帶材的陶瓷纖維是一種適用于高溫和低壓工況及輕型法蘭條件下的優(yōu)異墊片材料，推薦工作溫度1093℃，可制作纏繞墊片中的非金屬纏繞帶。
10、聚四氟乙烯集中了大多數(shù)塑料墊片材料的優(yōu)點，包括耐溫從-95℃~232℃。除游離氟和堿金屬外，對化學(xué)物品、溶劑、氫氧化物和酸具有優(yōu)異的耐蝕性能。PTFE材料能充填玻璃，其目的是降低PTFE的冷流性和蠕變性。
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