常用垫片材料特性及选用准则.doc

常用垫片材料特性及选用准则第 24 卷第 8 期中国特种设备安全 ?49? 石油化工生产所用的设备,管道,阀门和仪表, 许多都是采用法兰连接,由于垫片原因而导致泄漏 又是很多工业生产过程中生产装置最为常见的失 效形式.据统计,在石油化工企业非计划维修工作 量有60%〜80%是用来维修密封装置的，也就是说石 油化工装置中非计划事故维修工作大部分是由于 泄漏造成的.泄漏不仅造成生产损失，物料流失，能 源浪费，环境污染，而且会造成人员的重大伤亡.因 此，如何合理的选用垫片是使企业能"安全，稳定， 长周期，满负荷，优质"生产的保证.1 常用垫片的种类 垫片的种类很多，主要有非金属垫片，聚四氟 乙烯包覆垫，金属缠绕垫，金属包覆垫，柔性石墨复 合垫，齿形组合垫，金属垫片等等.常用垫片的应用 场合见表 1.表1 常用垫片的应用场合 垫片名称应用场合石棉橡胶垫使用温度一 50〜C〜300〜C.最高使用压力为5.0MPa 聚四氟乙烯适用十『『0寸惜蚀，防黏结和要求清清厦向的管遁面封，最 包覆垫高使用温度为150〜C,最高使用压力为5.OMPa 柔性石墨复最高使用温度取决于金属芯板材料，低碳钢为450'~C,不 锈钢为650~C（用于氧化性介质时为450〜C），最高使用压合垫 力为 6.3MPa使用温度为200〜C-500〜C,最高使用压力为10.OMPa，需要金属包覆垫 的螺栓力比平面金属垫片小,特别适于高温高压场合石棉缠i垫:使用温度Oo（O,最高使甩匪力为25-OMPa 柔性石墨缠绕垫:使用温度一 196〜C〜600〜C（〜氧化介质 缠绕垫为800〜C），最高使用压力为25.0MPa 聚四氟乙烯缠绕垫:使用温度一 196~C〜200〜C.最高使用 压力为 10.0MPa 主要用于温度或压力波动较大的场合,最高使用压力为齿形组合垫 25.0MPa 密封｝生能良好,随着内部压力增高,垫片自密封｝生能增 金属环垫强.多用于高温,高压的法兰密封适用于恶劣的条件下 工作,常用八角形的,最高使用温度取决于所用金属材料2 常用垫片材料特性及适用范围2.1 石棉橡胶垫 石棉橡胶垫片耐热性能尚好,有适宜的弹性,在 大多数化学介质中有较好的耐腐蚀性,且制造方便, 价格便宜,是石油化工使用最广泛的非金属平垫. 石棉橡胶垫片的适用范围如图 l 所示.图 1 石棉橡胶垫片适用范围1） 对水，空气，氮气，蒸汽及不属于A,B,C级的工艺介质管道宜选用厚度为3mm的垫片，使用条件 见图 1 曲线①.2） 属于 B，C 级的液体介质管道宜选用厚度为 1.5ram 的垫片 ， 使用条件见图 1 曲线② .3） 属于 B，c 级气体介质及其他会危及操作人员 人身安全的有毒气体介质管道应选用较薄的垫片并 与PN5.0的法兰配套,使用条件见图1曲线③. 石棉橡胶垫片的缺点: 石棉橡胶垫在使用过程中很容易发生应力松弛 现象，影响它的密封 l 生能和寿命，因而难以满足现代50?中国特种设备安全第24卷第8期大型石油化工工业中设备的高参数和长周期的要 求.此外由于石棉是人们公认的致癌物,从上世纪 70 年代起,世界上不少国家已陆续制订法律将其列 入禁用范围,随着人们对设备密封要求的提高以及 密封技术的发展,石棉橡胶材料已逐步为其他新材 料所代替,使用量正逐渐减少.2.2 聚四氟乙烯包覆垫 聚四氟乙烯包覆垫是一种适合强腐蚀介质和不 允许物料有污染的医药,食品和石油化工行业中需洁 净介质用的非金属软垫片,垫片的压缩率要求大于 20%,回弹率大于30%,应力松弛小于 45%,允许泄露 率应不大于1.0xl0{cm3/s;垫片厚度一般为3mm,其中 嵌人层为2mm,纯聚四氟乙烯包覆层厚度为0.5mm.2.3 柔性石墨复合垫 柔性石墨复合垫片是由冲齿的金属芯板与膨 胀石墨粒子复合的板材制成的一种石墨增强垫片, 可作为石棉橡胶垫片与金属缠绕垫片之间的一种 过渡垫片,在某种情况下可代替柔性石墨缠绕垫, 以减少螺栓力,又不改变密封效果,同时亦可作为 无石棉平垫片使用.柔性石墨复合垫片适用于以下 介质:对液体有水,油品,溶剂,酸,碱,液态烃,低温 液化气等;对气体有空气,氢气,油气,高温烟气,蒸 汽,烃类及各种渗透性强的气体等2.4金属包覆垫 金属包覆垫片是一种半金属垫片,这种垫片的 金属有软钢,不锈钢,铝板和特殊合金等,它兼有金 属和非金属的特性,其密封性能良好,可制成形状 复杂的垫片,广泛用于换热器各部位的密封由于 石棉橡胶板为金属所包覆,不直接与高温介质接 触,在一定程度上提高了垫片的耐温耐压性能.有 了石棉橡胶板作为金属包覆垫的内在充填材料,与 其他金属平垫相比有一定弹性,因而在早期高参数 设备中使用较为普遍 金属包覆垫的缺点: 从密封机理看,它实际上是金属与金属的接触 密封,在这种状态下,要达到良好的密封性就必须 施加相当高的密封比压,而在这样高的比压下,作 为填充材料的石棉橡胶板往往已被压坏而失去作 用,另一方面,在使用过程中,石棉橡胶板的应力松 弛也会导致压紧应力减少而使其丧失密封性,其使用 寿命难以满足现代设备长周期运转的要求.因此,在高 参数重要场合已逐渐为其他性能更好的垫片所取代. 2.5 缠绕垫 缠绕垫片是半金属垫片中最理想的一种,垫片 的主体由 v 型或 M 型金属带填加不同的软填料用缠 绕机螺旋绕制而成.为加强垫片主体和准确定位, 设有金属制内环和外环（定位环）.常用的金属带为 不锈钢,软填料为特制石棉,柔性石墨,聚四氟乙烯, 其中柔性石墨缠绕垫片应用比较广泛.柔性石墨缠 绕垫片具有良好的密封性能,能适应高温高压参数 的要求,其回弹』生也较好,在温度和压力变化的场合 仍能保持较好的密封性（其密封性指数通常可达IX lO%m.）.缠绕垫片的缺点: 由于结构和制造方面的原因,缠绕垫片比较容 易"散架"和"压溃".所谓"散架"包括2 种情况:一是 在制造,运输和安装过程中垫片发生散开而损坏. 这是由于缠绕垫片结构上只是通过缠绕互相咬合成 形,使垫片无法形成整体牢固的结构,因而很容易散 开损坏,给垫片的运输和安装造成困难,这种情况尤 以大规格垫片f如换热器设备上的垫片）为甚.二是 缠绕垫片在使用过程中受到很大的压紧力,外层用 以固定的焊点在周向力的作用下很容易发生拉脱损 坏,使整个垫片"散架"最终导致密封失效.由于周 向应力的大小与直径成正比,垫片的规格越大,拉脱 损坏就越易.所谓"压溃"是垫片在使用时受很大的 压紧比压,填充物受压产生的内应力向内径方向作 用于内层钢带,使钢带受到外压力作用.当外压力 超过一定值时,由钢带围成的钢带圈犹如薄壁容器 受过分外压力作用而失去稳定性,局部地方向内凹 陷,使垫片发生损坏,导致密封失效.压紧力越高, 垫片尺寸越大就越容易发生"压溃".从现场调查看,' 不少用于换热设备的缠绕垫片经使用后拆开法兰时 发现垫片已被压"散架"或"压溃",因而泄漏往往就 从这些部位发生2.6 齿形组合垫 齿形组合垫片是一种金属软垫片,密封效果优 于金属平垫,主要用于中,高压力和高温度的压力容 器和管道阀门的密封.齿形组合垫在法兰压紧力下, 不仅被封闭的覆盖层材料高度压缩,而且金属骨架第 24 卷第 8 期中国特种设备安全?51? 产生弹性变形,使之成为具有高弹性的垫片,因而 不仅能适应参数变化的场合而且其使用寿命长,能 长期保持良好的密封性能. 由于齿形组合垫是带金属骨架的整体结构,在 运输和使用安装时不必担心像缠绕垫片那样会"散 架",而且垫片厚度适当,安装方便,可避免缠绕垫 片通常因厚度较大而容易产生压扁的现象.齿形组 合垫的性能优异,安全可靠,适应性广,价格适中可 广泛用于各种参数场合.2.7 金属环垫 金属环垫按截面形状可分为八角垫和椭圆垫. 这种垫片是整体金属加工而成,能耐高温高压,安 全性高,能形成高比压的金属线密封,而且具有一 定弹性和压力自密封作用,适应设备参数变化的场 合使用.但这种密封结构较复杂,不仅法兰表面要 求加工出高精度的梯形槽,而且垫片本身的制造精 度要求较高,因而密封联接的成本也较高.在实践 中还发现法兰表面的梯形槽不仅削弱了法兰的强 度,其根部系应力集中的部位,还会造成法兰的整 体损坏.此外这种垫片要求安装技术高,安装不好 就难以达到预期的密封效果.这种垫片一般可用于 密封要求较高和参数变化的高温高压场合.3 垫片选用的注意事项1）必须对垫片的密封性能,操作压力,操作温 度,工作介质特性,以及法兰密封面的型式,结构的 繁简,装卸的难易,经济性等诸因素进行安全分析. 其中介质特性,操作温度和操作压力是影响密封的 主要因素,是选用垫片的主要依据.2）应根据被密封介质的操作温度,操作压力确 定.对高温高压状况,多采用金属垫片;对常压,低 压,中温状况,多采用非金属垫片:介于两者之间 的,多采用半金属组合垫片;对于温度,压力波动频 繁的场合,宜采用回弹性好的自紧式垫片.3）垫片的系数///与其宽度无关,因此,垫片越窄 越容易夹紧.但其宽度下限有限制,通常宽度应大 于 5mm. 对于金属垫片,为了不产生过大的螺栓力, 取较小的宽度是一个重要遵循的准则.4）尽量发挥各种类型垫片的长处,即用其所长.如缠绕垫片具有良好的压缩性和复原性，密封l生能 优良,多数场合都能达到良好的密封,但不能不管什 么场合都采用它，有的场合用一般石棉橡胶垫片就 能满足使用要求，就不要提高等级，盲目采用缠绕垫 片.但在有应力松弛，压力，温度波动的中低压场合 则采用缠绕垫片就很合适.5） 要照顾特殊要求.如某种介质不允许微量纤 维混入，就不能选用石棉橡胶板和其它纤维性垫片. 某些部位振动很大，就要选用抗振性强的垫片.对 于很难检修的地方，应选用经久耐用的垫片.6） 当选用金属垫片时，应在完全退火状态下使 用，尽可能选用较软的金属材料，垫片的硬度宜比法 兰密封面的硬度低HB30〜40.7） 在有腐蚀的条件下，选用垫片对法兰盘呈阳 性的垫片材料，垫片受腐蚀，牺牲垫片保护法兰;选 用法兰盘对垫片呈阳性的垫片材料，法兰盘受腐蚀， 牺牲法兰盘.究竟采用哪一种要根据使用方法和垫 片的种类来决定.8） 剧毒，易燃，强腐蚀，污染性强的介质和有害 气体，不允许使用石棉橡胶垫片.9） 使用金属环垫或齿形组合垫片时，应采用带 颈对焊法兰和螺柱（双头螺纹或全螺纹）.4 垫片选用的一些建议 下面是根据上述垫片材料特性和垫片选用方面的注意事项提出垫片选用的一些建议.1) 高温高压蒸汽和易燃,易爆,有毒介质等场合 必须确保法兰联接的密封性能良好,安全可靠.因 此,在垫片的选用上应采用性能优异的金属或半金 属垫片如缠绕垫片,齿形组合垫,金属环垫等.如果 选用缠绕垫片则应是带内外加强环的.金属平垫或 齿形组合垫只能在操作参数无波动的情况下使用, 但在实际生产过程中参数不波动的情况是很少的 金属环垫理论上性能较好,但由于实际上受制造,安 装等因素影响很大,往往难以获得满意的效果.而且 成本高,选用时应慎重考虑.2) 以石棉为基材的密封材料如石棉橡胶板等应 尽量少用或不用,因为该类材料性能往往不能满足 要求,造成事故隐患,故一般只能用于低参数,不重 要场合,如普通水,汽和油品等.对已往较多使用石 棉橡胶板的低参数场合,建议采用石墨垫.这种垫52?中国特种设备安全第 24卷第 8期无瞅鬟獭藏器扌畧焊撞tl壤赣赣||||鬣.冬襁Illf无锡市锅炉压力容器学会无损检测专委会江苏214187)摘要介绍按ASME〜范案例2235的要求，对大厚度反应器壳体与接管焊接接头进 行超声相控阵(PA)检测的新技术，突出相控阵灵活变角和动态聚焦的优点，强调校验试块,扫查器 具和工艺鉴定的重要性.指出采用PA是解决承压设备NDE难题，满足ASME规范要求的好方法之一.关键词大厚度壳体接管焊接接头超声检测相控阵AbstractThenewt。