机械设计基础知识，如何选择合适的垫片？什么是垫片密封？

在石油、石化、化工等行业的生产、加工、储运乃至销售环节，常常伴随着易燃、易爆、高温、高压、有毒有害和腐蚀等危险因素，机器及设备在使用中工作介质的“跑、冒、滴、漏”，给生产带来极大的危害。

随着生产装置的大型化，生产工艺向高温、高压、高速的方向发展，出现泄漏的机会越来越多，发生事故的概率越来越大，造成的经济损失也越来越大。往往一处法兰的泄漏就有可能导致一套装置乃至全厂停产，还极有可能会引起火灾、爆炸，造成人员伤亡等重大事故，发生泄漏带来环境污染、产品损失甚至事故，垫片密封的重要性也就不言而喻了。因此，垫片的选用、设计、制造 所存在的问题已逐步引起人们的高度重视。

那么，究竟应该如何选择合适的垫片呢？

垫片与垫片密封

垫片是一种夹持在两个独立的连接件（主要是指法兰）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。

垫片必须能够密封结合面，并确保密封介质不渗透和不被腐蚀，能够承受得住温度和压力的作用。垫片密封一般有连接件（如法兰）、垫片和紧固件（如螺栓、螺母）等组成（见图1），因此决定某个法兰密封性时，必须将整个法兰连接结构作为一个系统进行考虑 。垫片工作正常或失效与否，除了取决于设计选用垫片本身的性能外，还取决于系统的刚度和变形、结合面的粗糙度和平行度以及紧固载荷的大小和均匀性。

图1-垫片密封的法兰连接结构

垫片选型五要素

了解了垫片密封的结构，我们就可以从温度、应用、介质、压力和尺寸(TAMPS） 五个方面来考虑选择一个合适的垫片。

所选用的垫片应该在最高或最低的工作温度下有合理的使用寿命，不同的垫片材料的最高工作温度差异很大。

图2 常用非金属材料的最高工作温度

除了短期能耐受的最高和最低工作温度外，还应考虑其允许的连续工作温度。垫片材料应能够抗蠕变，以降低垫片的应力松弛，这样才能保证垫片在工作条件下密封，大多数垫片材料随着温度的升高，蠕变会变得严重，因此，垫片质量优劣的一个重要指标就是垫片在一定温度下的蠕变松弛性能。

图3 不同的改性PTFE和传统纯PTFE的蠕变测试对比

主要是指垫片所处的连接系统的信息，需要根据法兰的材质，法兰的密封面型式，法兰的粗糙度以及螺栓信息等来选择合适的垫片材质和型式。

非金属类法兰就必须选择预紧力要求比较小的垫片，否则很可能会有在法兰上紧过程中，垫片还没有压紧而法兰已经压碎的情况出现（如图4）。

图4 非金属法兰被压碎

对于不同的法兰密封面型式，与之相对应的垫片型式也是不一样的，例如突面法兰（RF）对应的缠绕垫片型式就是带内外环型缠绕垫片，榫槽面（TG）法兰对应的缠绕垫片型式就是基本型缠绕垫片，凹凸面（MFM）法兰对应的缠绕垫片型式就是只带内环的缠绕垫片（如图5）。

图5 不同的法兰密封面型式对应不同型式的缠绕垫片

不同的垫片对于法兰粗糙度要求也是不一样的，具体可以参考图6。

图6 不同垫片推荐的法兰表面粗糙度

垫片应在全程工作条件下不受密封介质的影响，包括抗高温氧化性、抗化学腐蚀性、抗溶剂性、抗渗透性等，显然垫片材料对介质的耐化学腐蚀性是选择垫片的首要条件。对于非金属垫片或者复合垫片中的非金属材料来说，材料的耐化学腐蚀性能可以参考垫片厂家提供的非金属材料抗化学品性能表。对于垫片中跟介质直接接触的金属材料，应和法兰材料一样或有更高的耐腐蚀性能。

垫片必须能够承受最大压力，这种最大压力或许是试验压力，它可能是正常工作压力的1.25-1.5倍。对于非金属材料的垫片，其最大压力还会与最高工作温度有关系，通常最高温度乘以最高压力的值（即PxT值）有一极限值，所以在选择其最大工作压力时，还要考虑垫片能承受的最大PxT值。下图为GARLOCK常见压制垫片的PxT值图，不同型式的垫片所能够承受的压力也是不一样的。

图7 GARLOCK常见压制垫片的P╳T值图

图8为各种型式的垫片所适用的法兰压力等级

在满足法兰粗糙度和不平度条件时，尽可能的选择薄的垫片。垫片的厚度与其型式、材料、直径、密封面的加工状况和密封介质等相关。对于大多数非金属板材垫片而言，薄的垫片抵抗应力松弛的能力也比较大。因薄的垫片其内侧跟介质接触的面积也小，所以沿垫片本体渗漏也随之减少，并且此情况下垫片所承受的吹出力也小，垫片也就不容易被吹出，图9形象的展示了薄垫片的抗吹出能力要比厚垫片强。当然也可以参考垫片标准选择垫片厚度以及其它尺寸。

图9 同样工况下不同厚度垫片的径向受力示意图

此外，由于垫片通常采用螺栓法兰连接结构，因此装配时需要将螺栓预紧到足以达到密封的要求，另外，这一结构中的垫片更是一个受很多因素影响的密封元件，因而如何控制预紧力是一个十分棘手的问题。各种垫片需要的压紧载荷也各不相同，对于特殊要求的垫片密封，它们没有标准的连接尺寸，如法兰厚度、螺栓尺寸、螺栓间距等，这就需要考虑专门设计。

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法兰密封面7种类型都了解吗？FF、RF、MFM、TG、RTJ

法兰密封面类型介绍

法兰密封面基本有:

全平面FF、突面RF、凹面FM、凸面M、榫面T、槽面G、环连接面RTJ(RJ)等七种类型，根据工况、介质、压力、规格、温度等情况的不同所以选用的类型也不尽相同。下面我们来一起认识这些法兰密封面的类型！

FF-全平密封面

Flat Face Full Face类型密封面表面为全平，适用于压力不高、介质无毒的场合。

RF-突面密封面

Raised Face类型密封面应用在几种类型当中最为广泛，最为常用的一种，国际标准与欧洲体系和国内的标准均为固定高度，但美标法兰中应注意高压力的高度会增高密封面的高度，垫片的使用也有多种类型。

适用于突面密封面法兰的垫片有各种非金属平垫片、包覆垫片；金属包垫；缠绕式垫片（含带外环或带内外环）等。

M/FM-凹凸密封面

Male Face与Female Face这两种密封面类型是一对，一雌一雄，必须配套使用，按装时便于对中，还能防止垫片被挤出。适用于压力较高的场合。

凹凸面密封面适用的密封垫片有：各种非金属平垫、包覆垫；金属包垫；基本型或带内环型缠绕挚片等。

T/G-榫槽连接密封面

Tongue Face和Groove Face同凹凸面差不多，也是一公一母的配对密封面类型，同样是配对使用。其垫片位于环状凹槽内，受两侧金属壁的限制·可免于垫片受压变形而被挤入管道中。由于垫片不与管内流体介质直接接触，较少遭受流体介质的浸蚀或腐蚀，故可用于高压、易燃易爆、有毒介质等对密封要求较严的场合。这种密封面垫片安装对中性好，但密封面加工比较困难，更换垫片时易损伤密封面，而且安装和拆卸时必须在轴向将法兰分开，因此在管线设计时要考虑到有将法兰在轴向分开的可能。

榫槽面密封面适用的垫片有：各种金属及非金属平垫、金属包垫及基本型缠绕垫片等。

RTJ(RJ)-环连接密封面

Ring Joint Face环连接面密封的法兰，也属于窄面法兰，并在法兰的突面上开出一环状梯形槽作为法兰密封面，和榫槽面法兰一样，这种法兰在安装和拆卸时必须在轴向将法兰分开，因此，在管线设计时要考虑到将法兰在轴向分开的可能。

这种密封面专用来与金属材料加工成形状为八角形或椭圆形的实体金属垫片配合，实现密封连接。由于金属环垫可以依据各种金属的固有特性，因而这种密封面的密封性能好，对安装要求也不太严格，适合于高温、高压工况，但密封面的加工精度较高。

法兰密封面与垫片配合解决方法

垫片要能够成功的密封，必须很好的控制与垫片配合的法兰表面的缺陷程度，大的刻痕、凹槽、或者擦伤等表面缺陷都是必须避免的，因为垫片很难密封或者说填补这些缺陷。法兰表面的光洁度可以用“粗糙度、纹路、波形度”等概念来描述。

粗糙度

粗糙度是从法兰表面中心开始计算突起和凹陷的平均值，用万分之一英寸(或米)来表示。对于锯齿状的法兰表面，典型的粗糙度为125-500微英寸，而对于非锯齿状的法兰表面，粗糙度为125-250微英寸。过于粗糙的法兰，垫片往往不能密封，只能尽量选用更软的垫片，而另一方面，很高的光洁度的法兰面，比如磨光过的表面，也是很难密封的，必须避免，因为密封表面需要充分的“咬痕”以提供足够的摩擦力，防止垫片被吹出或被挤出，或者过度的蠕变。

纹路

纹路是法兰表面粗糙式样的主导方向，比如：多方向的、唱片螺旋状的、锯齿状等 表面光洁度的纹路应尽可能和垫片的中心线相一致，比如圆形法兰，表面纹路应该加工为同心圆或者唱片螺旋线型，这样就可以避免有穿过法兰表面的线，如果有一条穿过密封表面的直线研磨线，就会成为一个直接泄露的路径。

波形度

波形度就是相对于整个平面度的偏差，正常条件下，并不需要考虑波形度的问题，但是有两种情况，需要特别关注，因为过度的波形度也是非常难以处理的问题。

第一种情况是搪玻璃的设备，在这种设备中融化玻璃的自然流动会形成很大的波形度，而且在较高的螺栓扭矩下，搪玻璃的法兰也容易变形。解决的办法是使用更厚的，而且可以高度压缩的垫片。

第二种情况涉及到翘曲的法兰，如果这种翘曲是由于热变形或者内应力造成的，那么对法兰进行再次加工处理就可以了，如果是由于过度螺栓负载或者法兰厚度不足而造成的翘曲，我们一般称为“弓形变形”，解决办法是重新设计具有更大刚度的法兰，有时可以加入加强筋来增强结构，而不用替换法兰，另一个办法是增加更多的螺栓，也可以把少而大的螺栓方案改为多而小的方案，由此增大了螺栓的弹性，使接头更好的结合。

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