1、墊片密封件性能

    墊片借助于螺栓的預緊載荷通過法蘭實施壓緊,使其產(chǎn)生彈性塑性變形,填充一對法蘭密封面之間的幾何間隙,切斷或阻止流體泄漏。墊片密封件性能的選擇對實現(xiàn)密封的效果影響很大。墊片的比壓力y和墊片系數(shù)m 是反映墊片性能的兩個重要參數(shù),其數(shù)值與墊片的種類和材質(zhì)有關。y值、m值越大,則表明墊片達到密封時需要的螺栓載荷越大。

墊片的應依據(jù)對其密封性能諸因素的評價,如有y，m及管系的操作壓力、操作溫度、工作介質(zhì)、法蘭密封面的形式等。墊片的類型,對于高溫、高壓條件,多采用金屬墊片；常壓、中、低壓、中溫條件,多采用非金屬墊片；對于介于兩者之間的條件,多采用半金屬墊片；對于溫度、壓力波動頻繁的條件,則宜回彈性好的自緊式墊片。墊片的材料,應滿足良好的彈性復原性,適當?shù)娜彳浶?、不污染密封介質(zhì),不腐蝕密封表面,且耐工作介質(zhì)的腐蝕,材質(zhì)不因低溫而硬化脆斷,也不因高溫而軟化塑流,應具有應力松馳較小的現(xiàn)象。墊片的厚度,在低、中壓的條件下,宜薄墊片,但在工作壓力較高的情況下, 則厚墊片。墊片的寬度,從承受螺栓壓緊力分析,墊片寬度越窄越易夾緊,但其寬度的下限通常為大于5mm,對金屬墊片,為了不產(chǎn)生過大的螺栓應力,取小寬度是一個重要原則。非金屬墊片一般情況下不得重復使用,石棉橡膠墊片的使用壽命按1.5~ 2a控制。

2、栓的預緊力

    足夠的螺栓預緊力,滿足墊片y的要求是實現(xiàn)可靠密封的一個重要因素。螺栓預緊力的控制:在管道法蘭、墊片、螺栓、螺母裝配過程中,螺栓的壓緊力不可能全部轉化為墊片的應力,盡管在螺栓的緊固過程中注意到按對角線成對進行緊固,并做到對稱、均勻、逐漸緊固,達到松緊適度,但事實上在操作過程中不可能保持一致,真正做到這一點非常困難,有諸因素影響螺栓預緊力。如擰緊的工具和方法,操作人員及控制的精確度,螺栓與墊片的蠕變松馳、溫度變化等導致螺栓力相對分散.以上這些影響因素的分析主要圍繞法蘭、螺栓、墊片是一個整體系統(tǒng)來分析的。事實上影響泄漏的因素還很多。例如介質(zhì)的易腐蝕, 滲透性就對墊片的材料選擇,法蘭剛度的選擇以及螺栓緊固能力的設計帶有諸多要求?？傊o密封的使用應該做到:(1)正確使用墊片密封件；(2)合適的法蘭連接形式；(3)正確緊固件和適當?shù)念A緊力,碳鋼螺栓的強度大于同型號不銹鋼螺栓。

    墊片性能的好壞,如回彈性能、耐高溫性能等,都直接影響到靜密封系統(tǒng)的密封性能,提高墊片的綜合性能才能有效提高密封系統(tǒng)的密封可靠性。合適的螺栓預緊力是實現(xiàn)可靠密封的重要因素。螺栓預緊力較小,無法實現(xiàn)有效的密封,預緊力過大則可能導致墊片壓潰使墊片喪失回彈性能。在螺栓力的作用下,剛度較差的法蘭會產(chǎn)生較大變形,引起密封面的較大偏轉,進而導致泄漏。法蘭密封面的形式和表面粗糙度的選擇也很重要, 如基本型墊片適用于與榫槽型密封面的法蘭相配。帶內(nèi)加強環(huán)的墊片適用于與凹凸型密封面的法蘭相配;帶內(nèi)、外加強環(huán)的墊片適用于與凸面型密封面的法蘭相配;帶外加強環(huán)的墊片也可用于與凸面型密封面的法蘭相配。管道的支承主要是滿足承重、限位和防振。管道在工藝運行過程中,發(fā)生位移、彎曲及脫離支架造成靜密封失效的情況時有發(fā)生。法蘭連接的同軸度、平行度也是影響靜密封效果的重要因素, 其同軸度、平行度越差,造成靜密封失效的可能性就越大。操作條件,如壓力、溫度和介質(zhì)性質(zhì),是影響靜密封緊密性的重要因素。環(huán)境腐蝕包括水腐蝕、大氣腐蝕和土壤腐蝕,對于緊固件而言主要是工業(yè)大氣腐蝕。污染物的變化、濕度與溫度的變化,均決定著工業(yè)大氣的腐蝕強度,對大多數(shù)金屬材料來說,二氧化硫、硫化氫和氯將加速腐蝕過程。設備檢驗的重點主要是:重要生產(chǎn)裝置或設備的進、出口法蘭連接處。處于生產(chǎn)流程要害部位的管段及工作條件荷載較大、介質(zhì)溫度較高且易燃、易爆、有毒、承受交變載荷的管段,壓縮機、泵的進出口部位。補償器、三通、彎頭(彎管)、大小頭及支管的連接處。曾經(jīng)出現(xiàn)過影響管道運行的部位等。

二、新型接觸式靜密封件

    近年來,在密封件制造行業(yè)中領先的俄羅斯及其他國家的某些公司研制和生產(chǎn)了一些新型結構的接觸密封件,改進了產(chǎn)品的特性并獲得了專利權?？尚督雍霞芊庵?用得最廣泛的靜密封件就是平型墊片密封件,由非金屬材料加工而成,可用法蘭、管接頭、環(huán)箍及用于各種溫度和壓力介質(zhì)的其他連接件的密封。這種墊片在使用過程中,物理機械性能不得發(fā)生變化,并且具有必要的彈性撓性 ,以補償在工作條件變化時連接件出現(xiàn)的位移和變形。在設計墊片和法蘭連接件時,應盡量減少法蘭的軸向壓縮應力,所以墊片的寬度應比法蘭寬度窄些,而所用的材料應比法蘭材料軟些。通常,密封墊片應采用易變形的材料(橡膠板、石棉橡膠板、氟塑料、紙板、石棉和皮革等)以及復合材料(石棉與橡膠、軟木與石棉、紙與環(huán)氧樹脂,軟金屬與彈性體等)。選擇的墊片材料的技術性能應符合所密封的工作介質(zhì)的要求。

    橡膠被廣泛地用于制造可卸式連接件的靜密封件,因為,當形狀變化引起變形和位移時,它具有很好的彈性和較小的硬度。良好的彈性可以確保連接件在較低的工作負荷下,不致于發(fā)生滲透,硫化膠的體積變形也很小。硫化膠制成的密封件可在各種氣體和液體介質(zhì)中使用,使用壓力高達50MPa,使用溫度可從-60℃到 200℃。硫化膠密封件的缺點是其應力隨時間而發(fā)生變化(即應力松弛現(xiàn)象 )。這種表現(xiàn)可以是物理松弛作用,也可以是化學松弛作用,前者是由于硫化膠大分子中鏈段的位移和鏈的振動斷裂所致,后者則是因硫化膠與氧的作用(老化)所引起的。松弛速率與溫度、密封件的壓縮程度、介質(zhì)的性質(zhì),硫化膠的種類有關。有些液體介質(zhì)會引起硫化膠的溶脹,使密封件的體積增大,體積變化的程度與其所密封的介質(zhì)和硫化膠的種類有關。石棉橡膠板是由石棉、橡膠和填料混合物經(jīng)硫化加工而成 (有些可不用硫化 ) ,石棉橡膠板可用作水槽、 石油產(chǎn)品、 貯運槽、 貯氧槽的密封墊片。目前生產(chǎn)的石棉橡膠膠板的厚度有0.4、0.6、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0mm等多種規(guī)格。

   石棉是一種纖維結構的礦物質(zhì) ,用其制成的墊片可用于高溫條件下介質(zhì)的密封件。石棉纖維在高達400℃條件下仍能保持本身的初始強度。在更高的溫度下 ,由于結晶水的損失 ,纖維因磨蝕而變成粉末。如果溫度達 700℃,這一過程將會瞬間發(fā)生。所以,石棉材料最高使用溫度可以達 470℃(最佳使用溫度為 260℃)。石棉幾乎可與任何材料混合起來使用。石棉可加工成石棉墊、石棉橡膠板 ,密封填料,增強帶等等。由紙板制作的墊片可用于法蘭和其他連接件的密封,生產(chǎn)的紙板有兩種型號: A型為浸漬橡膠的紙板,厚度為0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1.0、1 .5mm。Б型為非浸漬橡膠的紙板,厚度為0.3、0.5、0.8、1.0、1.25、1.5、1.75、2. 0、2.25、2.5mm。厚度在0.8mm以下(含0.8 mm)的紙板可加工成板材或者卷材,大于0.8mm的只能做板材。

3密封材料和元件研究開發(fā)的重點和發(fā)展趨勢  非石棉密封復合材料的進一步研究開發(fā)目前雖然已經(jīng)成功研制開發(fā)了多種非石棉纖維橡膠墊片,某些產(chǎn)品的性能已經(jīng)達到甚至超過石棉橡膠板,但普遍存在適用溫度范圍較窄、制造成本較高、抗蠕變松弛和老化性能較差等問題,進一步研究的重點之一在于基體材料及增強纖維的選擇。由于單純的有機或無機纖維均不能取得很好的效果,混雜纖維仍是首選,這樣可利用各種纖維的優(yōu)點而摒棄其缺點。選擇的非石棉增強纖維應具有較好的耐高溫性能,足夠的單絲強度和韌性,容易進行表面處理,與橡膠 (或其他樹脂) 粘結力高,較高的耐腐蝕和耐溶劑能力,還應具有很好的性能價格比。制備中宜采用短纖維以提高材料小變形下的彈性模量和抗破壞能力 , 降低蠕變速度、應力松弛速度和壓縮變形的累積速度。由于短纖維的存在能抑制裂紋的擴展,從而可改善材料的撕裂強度和沖擊韌性,同時也使材料的致密性、耐溶脹性、耐溫性、耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性得到提高。增強纖維之間、纖維與基體之間在理化性能和組織結構等方面存在較大的差別，其潤濕性一般都不太理想,因此提高纖維與基體的界面結合強度,是改善非石棉纖維橡膠墊片性能的重要途徑,這是進一步研究的另一個重點。此外,有必要對復合材料的本構關系、蠕變和松弛特性、基本密封性能以及最小預緊比壓和密封系數(shù)進行系統(tǒng)研究,以便于密封材料的篩選和連接結構的設計。

    適合特殊場合使用的密封材料和結構研究在一些超高壓快開結構,如 CO2超臨界萃取裝置中,螺栓法蘭連接結構并不適用,現(xiàn)有密封材料和元件的使用效果亦不理想；在高真空、超高壓的工況條件下,如果使用金屬墊片,將使連接結構十分龐大,對密封面狀態(tài)的要求亦將導致制造和維護成本急劇增加；溫度波動劇烈的場合對密封材料和結構的要求更高,單一材料的密封元件很難適應這種環(huán)境。南京工業(yè)大學流體密封與測控技術研究室已成功開發(fā)出多種適用于特殊工況的密封元件。如圓柱彈簧外覆薄金屬的特種彈性金屬墊片既可用于高真空,又可用于超高壓條件,已在核工業(yè)和航空航天工業(yè)部門得到應用；對C形環(huán)密封墊片進行改進 , 由金屬與適宜的非金屬復合制成的密封元件可適用于超高壓快開裝置中。適用于溫度波動劇烈場合的密封元件的研制是目前密封領域的一個重要研究課題。  納米材料在靜密封領域的應用。納米材料是近年來科學上的一項重大發(fā)現(xiàn) , 已經(jīng)成為當今許多學科研究的熱點。通常材料尺寸的減小,不會引起材料性質(zhì)的變化 , 但當材料尺寸小至納米級時,其某些理化性質(zhì)將發(fā)生突變,呈現(xiàn)與原來物質(zhì)差異甚大的特性。利用納米材料表面嚴重的配位不足,具有極強活性的特點,可蠕變性能和抗老化性能。為了改善硅橡膠性能,可用納米SiO2部分取代普通 TiO2,以提高其強度、彈性和耐磨性。納米材料還可制成一些高分子材料,這些高分子材料可作為新型橡膠材料的補強填料。將納米氧化鋁添加到氧化鋁陶瓷中,可以增加其韌性和延展性,降低其脆性,制成高品質(zhì)陶瓷纖維。以納米改性橡膠為基體、以納米改性纖維為增強纖維,有望制成新型高性能密封材料和元件。

    密封元件的性能直接影響連接結構的緊密性。現(xiàn)代科學和技術飛速發(fā)展,使過程工業(yè)裝備日趨高參數(shù)、大型化,新的工藝不斷涌現(xiàn),一些傳統(tǒng)的密封材料和結構已經(jīng)不能滿足對系統(tǒng)和裝備日趨嚴格的緊密性要求。因而開發(fā)新型密封材料和結構始終是密封技術領域的研究熱點。

廣東省東莞市東晟密封件科技有限公司