平垫片密封原理与设计.

专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有1平垫片密封原理及设计2011-02-18专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有2内容一、密封的分类二、垫片密封定义三、垫片密封分类四、垫片密封原理五、非金属垫片特点及分类六、垫片主要力学性能七、平垫片密封设计八、其它设计方法九、密封垫片的选择十、垫片选用原则专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有3一、密封分类印刷密封垫O形圈X形密封圈C形密封圈矩形密封圈纸质密封垫复合密封垫（多材料混合）石棉或橡胶垫圈矩形平垫圈波纹形垫圈螺旋垫圈齿形垫圈透镜垫圈密封带密封胶O形及空心O形密封圈椭圆形密封圈菱形密封圈矩形密封圈梳形密封圈H形密封圈其它（八角垫等）管件密封螺纹密封铅焊、铜焊等其它迷宫密封螺旋密封间隙密封离心式密封外露骨架形内包骨架型装配式有副唇外露骨架形有副唇内包骨架型流体动力形组合型密封圈J形密封圈L形密封圈V形密封圈U形密封圈Y形密封圈其它（鼓形、山形、槽形等）活塞环密封（金属或聚四氟乙烯等）机械密封O形密封圈D形密封圈T形密封圈X形密封圈方形密封圈其它（三角形、H形密封圈等）填料密封流体密封磁流体密封其它有色金属垫圈金属垫圈静密封动密封密封形式分类非接触密封旋转轴唇形密封圈往复动唇形密封圈挤压密封非金属密封圈（包括复合材料）印刷密封垫O形圈X形密封圈C形密封圈矩形密封圈纸质密封垫复合密封垫（多材料混合）石棉或橡胶垫圈矩形平垫圈波纹形垫圈螺旋垫圈齿形垫圈透镜垫圈密封带密封胶O形及空心O形密封圈椭圆形密封圈菱形密封圈矩形密封圈梳形密封圈H形密封圈其它（八角垫等）管件密封螺纹密封铅焊、铜焊等其它迷宫密封螺旋密封间隙密封离心式密封外露骨架形内包骨架型装配式有副唇外露骨架形有副唇内包骨架型流体动力形组合型密封圈J形密封圈L形密封圈V形密封圈U形密封圈Y形密封圈其它（鼓形、山形、槽形等）活塞环密封（金属或聚四氟乙烯等）机械密封O形密封圈D形密封圈T形密封圈X形密封圈方形密封圈其它（三角形、H形密封圈等）填料密封流体密封磁流体密封其它有色金属垫圈金属垫圈静密封动密封密封形式分类非接触密封旋转轴唇形密封圈往复动唇形密封圈挤压密封非金属密封圈（包括复合材料）密封形式专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有4垫片是一种夹持在两个独立的连接件之间（法兰）的材料或材料组合，其作用是在预定的使用寿命内，保持两个连接件间的密封。垫片必须能够密封接合面，并保证密封介质不渗透和不被腐蚀，能经受温度和压力等的作用。垫片密封是化学、炼油、医药、食品、机械和电力等工业部门中压力容器、工艺设备、动力机器和连接管道等可拆接头处最主要的静密封形式。它们所处的工况条件复杂，密封的流体范围广泛，防止密封流体通过这些接头处泄漏出来，是工厂面对的最重要也是最艰巨的任务。虽然垫片密封与泵轴、阀杆、搅拌器轴等密封相比，其泄漏量比较小，但其用量却比它们多得多，因此成为工厂泄漏和易挥发有机物逸出的主要源头，它们不仅严重污染环境，而且造成产品损失相当可观，垫片密封的重要性也就不喻而言了。二、垫片密封的定义专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有5按垫片使用的密封方式，可分为：1）2）三、垫片密封的分类紧固型有间隙紧合型无游隙高压状态下的使用，在法兰之间没有间隙的状态下施加紧固后，再次施加更大的紧固力使法兰相互紧固。优点由于内压的影响，使法兰间隙扩大的力和紧固法兰间隙的力保持着平衡，密封垫片的实际压紧力变化较少。缺点紧固时需要进行扭矩控制，作为用于紧合型的密封垫片，必须对密封垫片的硬度进行设计。一般状态下使用，在法兰之间有间隙的状态下使用，及相对低压的状态下使用。优点紧固较为简单，可以追加紧固。缺点由于内压而使法兰之间产生间隙，密封垫片可在复原区域内使用，因为密封垫片的面压降低，所以容易产生泄漏。专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有6按密封垫片工作时受力情况，可分为：强制式密封：完全靠外力（螺栓）对垫片施加载荷实现密封。自紧式密封：主要利用介质的压力对垫片施加载荷实现密封。半自紧式密封：上述两种方法的组合。按工作压力，可分为低压、中低压、高压、超高压密封：低压密封P1.568MPa中低压密封0.098MPaP9.8MPa高压密封9.8MPaP98MPa超高压密封P98MPa三、垫片密封的分类专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有7四、密封原理密封原理：如密封面完全光滑、平行，并有足够的刚度，它们可以依靠紧固件夹持在一起，无须垫片可达到密封的目的（即无垫密封）。在实际中：1，密封面存在粗糙度，2，不绝对平行，3，刚度不是无限大，4，各紧固件刚度不同和分散排列，造成密封面载荷在圆周方向上不均匀为了弥补这种不均匀的载荷和相应的变形，在两连接件密封面间放入一垫片，使之适应密封面的不规则性。垫片密封的目的利用垫片形成物理壁垒以阻止介质的流动，防止泄漏的发生密封的方法1，最大程度使接触面嵌合－减小间隙2，减小泄漏通道的截面积，增加泄漏阻力，使泄漏阻力其大于泄漏介质的推动力3，通过压紧垫片使其产生塑性变形，填平法兰密封面的微小凹凸不平，以实现密封。垫片压紧前垫片压紧后专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有8四、密封原理法兰系统泄漏通道泄漏定义介质从有限空间内部流动到外部或从外部进入有限空间内部泄漏的基本条件接触面上存在间隙，接触面两侧的压力差、浓度差等是泄漏的推动力就垫片密封而言，通常密封流体在垫片结合处的泄漏有3种情况，如图所示。1,界面泄漏2,渗透泄漏3,吹出泄漏专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有9四、密封原理三种泄漏方式1，界面泄漏：两连接件表面（下称密封面），从机械加工的微观纹理来看，存在粗糙度和变形的问题，它们与垫片之间总是存在泄漏通道，由此产生的流体泄漏称为界面泄漏，占总泄漏量的80%~90%。2，渗透泄漏：对非金属材质的一类垫片而言，从材料的微观结构来看，本身存在的微小缝隙或细微的毛细管，具有一定压力的流体自然容易通过它们渗漏出来，此称为渗透泄漏，它占总泄漏量的10%~20%。3，密封面分离和吹出泄漏：当夹紧垫片的总载荷因各种原因减少到几乎等于作用在接头端部的流体静压力时，就导致了密封面的分离。这里若增加流体压力，则对机械完整性很差的垫片，如操作期间材料发生劣化的垫片，沿垫片径向作用的流体压力就会将其撕裂，引起密封流体的大量泄放，此被称为吹出泄漏，它属于一种事故性泄漏。A，对于（2）：通过不同材料的复合或机械组合形成不渗透性结构，或者使用较大的夹紧力使材料更加密实，减少以至消除泄漏；B，对于（1）和（3）：与垫片材料性质、接头的机械特征、结合面的性质与状态、密封流体的特性以及紧固件夹紧程度等有关。它们也是解决垫片密封设计、安装、使用以及密封失效分析等问题的关键。专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有10四、密封原理由垫片密封的结构和垫片的密封原理可以看出，对垫片的要求：具有一定的压缩变形能力可发生弹塑性变形填补密封表面上的凹凸不平造成的间隙具有一定的强度和刚性以保持一定的形状和抵抗变形的能力防止在系统的满载压缩应力下被挤出密封面或压溃具有一定回弹能力具有回弹能力－回弹率补偿在介质压力下紧固系统的变形。具有抗蠕变能力防止垫片在高温下蠕变实效而垫片从使用上又包括初始密封和工作密封两个作用机理。专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有11四、密封原理初始密封通过对垫片进行压缩，使其与密封面间产生足够的压力（垫片预紧应力，初始垫片比压〕，以阻止介质通过材料本身的渗透，同时保证垫片对连接件有较大的顺应性，即垫片材料受压缩后发生的弹性或弹塑性变形能够填塞密封面的变形和表面粗糙度，以堵塞界面泄漏的通道。垫片预紧应力是否能够作到初始密封，与使用的垫片材料密切相关，不同的材料在相同的压缩量下得到的垫片应力是不相同的，自然同样密封要求下所能密封的介质压力也不一样，或者说相同的介质压力下，得到的密封度不同。工作密封当初始垫片应力作用于垫片后，它必须在装置的设计寿命内保持足够的应力，以维持允许的密封度。因为装置在流体压力作用下，密封面将被迫分离，垫片必须通过弹性应变以弥补该分离量，并且残余维持密封所需要的工作（残余〕垫片应力。该弹性应变必须补偿装置长期运行过程中任何可能发生的垫片应力的松弛，包括热松弛、螺栓应力松弛等。专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有12四、密封原理垫片应力与变形的关系理论上，垫片预紧应力越大，垫片中贮存的弹性应变能也越大，因而可用于补偿分离或松弛的余地也就越大，但密封材料本体的最大弹性承载能力是其极限；实际上，垫片预紧应力的合理值取决于密封材料与结构、密封度、环境因素、使用寿命以及经济性等因素。gi-垫片预紧应力；go-垫片工作应力专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有13五、垫片分类垫片的基本类型专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有14五、非金属垫片特点及分类非金属垫片-软质垫片优缺点优点：柔软可压缩性好，垫片比压低，容易与法兰面贴合，密封性较好；缺点：强度低，回弹差，易压溃，不适于高温高压场合。改进措施：在法兰面加工出V形槽，避免密封垫片挤出；-水纹、突筋、印刷密封线在密封垫片的外围加增强材料-内外包边，提高强度和抗渗透性按工业常用品种分类橡胶垫片石棉橡胶垫片非石棉纤维橡胶垫片聚四氟乙烯垫片柔性石墨垫片按组成垫片的基本组分分类植物质动物质矿物质橡胶质合成树脂质石墨质纤维增强弹性体专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有15非金属密封材料石棉密封材料非石棉密封材料橡胶密封材料PTFE密封材料普通PTFE填充PTFE膨体PTFE微孔PTFE柔性石墨密封材料非石棉纤维增强橡胶密封材料非石棉纤维编织盘根天然橡胶（NR）丁腈橡胶（NBR）氯丁橡胶（CR）丁苯橡胶（SBR）乙丙橡胶（EPDM）硅橡胶（MQ）氟橡胶（FKM）其他非石棉密封材料皮革纸张塑料云母等石棉橡胶板石棉密封填料柔性石墨金属复合密封材料（柔性）石墨纤维橡胶复合材料五、垫片分类专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有16非石棉纤维无机非石棉纤维有机纤维/浆粕天然无机纤维海泡石纤维水镁石纤维硅灰石纤维合成无机纤维玻璃纤维陶瓷纤维矿渣棉纤维碳纤维天然有机纤维棉纤维麻纤维纤维素纤维有机合成纤维芳纶纤维芳砜纶纤维酚醛纤维晴纶、涤纶纤维五、垫片分类无石棉密封垫片填充纤维材料专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有17五、垫片分类专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有18类型适用条件最高温度/℃最大压力/MPa介质纸质垫片1000.1燃料油、润滑油等软木垫片1200.3油、水、溶济天然橡胶（NR）1001水、海水、空气、惰性气体、盐溶液、中等酸、碱等丁腈橡胶(NBR)1001石油产品、脂、水、盐溶液、空气、中等酸、碱、芳烃等氯丁橡胶（CR）1001水、盐溶液、空气、石油产品、脂、致泠剂、中等酸、碱等丁苯橡胶(SBR)1001水、盐溶液、饱和蒸汽、空气、惰性气体、中等酸、碱等乙丙橡胶(EPDM)1751水、盐溶液、饱和蒸汽、中等酸、碱等硅橡胶（MQ）2301水、脂、酸氟橡胶（FKM）2601水、石油产品、酸等石棉橡胶垫片4506水、水蒸汽、空气、惰性气体、盐溶液、油类、溶济、中等酸、碱等。聚四氟乙烯垫片260（限150）2强酸、碱、水、蒸汽、溶剂、烃类等纯车削板2608.3填充板260（限200）5.5膨胀带26017.2金属增强柔性石墨垫片650（蒸汽）5酸（非强氧化性）、碱、蒸汽、溶剂、油类等纯450(氧化性介质)金属增强2500（还原性、惰性介质）无石棉橡胶垫片370（连续205）14视粘接剂（SBR、NBR、CR、EPDM等）而定有机纤维增强425（连续290）无机纤维增强五、垫片分类专有和保密信息©2008江森自控有限公司版权所有19六、垫片主要力学性能1、压缩率和回弹率压缩率——压缩性指初始压缩后垫片厚度的改变量，表征了垫片刚性