非石棉墊片密封可靠性研究

常紹亞 沈金根 張文成

【摘 要】 本文綜述了非石棉密封墊片的密封原理及基本性能，對(duì)某制冷設(shè)備法蘭連接泄漏故障進(jìn)行分析，對(duì)非石棉密封墊片的選用提出一些建議。

【關(guān)鍵詞】 非石棉墊片 密封 性能

1 密封機(jī)理

密封是防止氣體、液體或者固體的泄漏與組織外部顆粒、流體進(jìn)入密閉空間或管道系統(tǒng)的功用。能起密封作用的零部件稱為密封件。較為復(fù)雜的密封連接稱之為密封結(jié)構(gòu)或密封裝置。密封失效可能是造成能源和材料資源的浪費(fèi)、環(huán)境的污染，甚至設(shè)備的報(bào)廢和人員的傷亡。流體密封是一個(gè)復(fù)雜而較難解決的問題，密封的可靠性不僅與所采用的密封材質(zhì)和密封元件有關(guān)，而且與連接結(jié)構(gòu)形式、介質(zhì)特性、工況條件等諸多因素有關(guān)。

2 墊片密封失效分析

2.1墊片泄漏形式

墊片泄漏有兩種形式， 即界面泄漏和滲透泄漏。兩連接件表面，從機(jī)械加工的微觀紋理來看，存在粗糙度和變形的問題，它們與墊片之間總是存在泄漏通道，由此產(chǎn)生的流體泄漏稱為界面泄漏；對(duì)非金屬材質(zhì)的一類墊片而言，從材料的微觀結(jié)構(gòu)來看，本身存在的微小縫隙或細(xì)微的毛細(xì)管，具有一定壓力的流體自然容易通過它們滲漏出來，此稱為滲透泄漏。

對(duì)于滲透泄漏，通過不同材料的復(fù)合或機(jī)械組合形成不滲透性結(jié)構(gòu)，或者使用較大的夾緊力使材料更加密實(shí)，減少以至消除泄漏.

2.2墊片設(shè)計(jì)選型

墊片的密封特性曲線，墊片壓緊放松到一定程度時(shí)候即出現(xiàn)泄漏，在密封特性曲線上反映這一點(diǎn)的是，也就是所墊片密封所需要的最小壓緊應(yīng)力為，對(duì)應(yīng)于一定的內(nèi)壓，當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力小于時(shí)，墊片不能做到有效的密封，所以是墊片密封與未密封的分界點(diǎn)，也稱為“漏點(diǎn)”，是壓緊程度的最低極限。如圖1所示。

在開始出現(xiàn)泄漏時(shí)，墊片的有效壓緊應(yīng)力與內(nèi)壓之比為：m=σc/Pi，墊片系數(shù)m是設(shè)計(jì)、選擇密封墊的重要參數(shù)，保證密封的必要條件是：有效壓緊應(yīng)力σg≥σc

3 失效典型案例分析

3.1事件描述

某制冷行業(yè)公司在生產(chǎn)多年制冷換熱器后，突然出現(xiàn)非石棉墊片存在批量泄漏情況。

3.2失效分析步驟

（1）設(shè)計(jì)選型

經(jīng)核實(shí)此制冷換熱器的非石棉密封墊片設(shè)計(jì)選型符合要求，初始力矩值滿足結(jié)構(gòu)密封需求故可排除設(shè)計(jì)異常

（2）墊片本身材質(zhì)缺陷

安排取得墊片的樣件，主要通過宏觀試驗(yàn)及微觀試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)查。宏觀試驗(yàn)主要通過耐火性試驗(yàn)、抗拉試驗(yàn)、回彈率測(cè)試等型式試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。微觀試驗(yàn)通過高清晰度的光學(xué)顯微鏡觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯分層等缺陷。即可排除因本身材質(zhì)缺陷造成泄漏通道。

（3）過程裝配工藝缺陷

（a）初步分析：該型墊片目前經(jīng)計(jì)算初始力矩值220N.M，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)壓縮復(fù)原曲線推斷墊片厚度變化面壓應(yīng)該大于40MPa，滿足氣體密封緊固面壓要求。而從周邊厚度變化的程度推斷，周邊緊固面壓可能僅為5～10Mpa，達(dá)不到密封要求，為此時(shí)泄漏的量較大。從墊片內(nèi)部滲透出來的氣泡較大，內(nèi)部的空隙沒有被充分的壓縮，說明墊片被壓縮的量很小，導(dǎo)致氣體從墊片的內(nèi)部泄漏出來。

（b）提升一定打緊力矩觀察：由于提高了緊固扭矩，墊片的泄漏情況有所好轉(zhuǎn)，但仍有各別部位發(fā)生細(xì)微的泄漏。拆下墊片進(jìn)行厚度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，本次安裝的墊片，周圍厚度變化率達(dá)到5%，根據(jù)壓縮復(fù)原曲線推斷墊片外圍緊固面壓在10～20MPa 左右，比第一次的面壓狀況有所提升，因此反映到墊片的泄漏狀況也有所好轉(zhuǎn)。因此這里可以大致推斷，加大緊固扭矩，提升緊固面壓，能夠有效的改善泄漏狀況，提高密封效果。

（c）觀察表面面壓分布情況；采用感壓紙與墊片同時(shí)安裝，按照220NM 的正常安裝緊固扭矩進(jìn)行緊固。最終取下墊片和感壓紙，觀察感壓紙上的顏色變化。通過設(shè)備最終測(cè)算出墊片對(duì)應(yīng)點(diǎn)所受到的面壓情況，匯總觀察分布.

A：代表的是對(duì)應(yīng)相應(yīng)的螺栓編號(hào)處，墊片內(nèi)徑側(cè)各個(gè)點(diǎn)，如表1

B：代表的是對(duì)應(yīng)相應(yīng)的螺栓編號(hào)處，墊片外徑測(cè)各個(gè)點(diǎn)，如表2

匯總受力數(shù)據(jù)如下：

從表中數(shù)據(jù)可明顯看出部分區(qū)域面壓值過小不滿足密封要求，特別部分外側(cè)點(diǎn)甚至存在0值情況，導(dǎo)致產(chǎn)生泄漏通道，最終產(chǎn)生泄漏。

（4）分析推斷：

從上述的結(jié)果可以清楚的看到被緊固后所受到的面壓不均勻。由于緊固各個(gè)螺栓所使用的氣動(dòng)工具相同，最終扭力扳手所施加的扭矩也相同。故綜合可判定為螺母摩擦力大且不均勻，最終導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻。

（5）整改措施：

方案 1：在不改變現(xiàn)在所有緊固件的條件下，通過盡量減少接觸面改變墊片裝配結(jié)構(gòu)，這樣可以通過減小接觸面積的手段來提高面壓，達(dá)到緊固面壓確保密封；

方案2：選擇配合度更好的螺栓螺母，確保螺栓螺母之間的摩擦損耗降低到最小的程度，最大的保證施加的扭矩可以均勻的作用到墊片上，確保密封面的面壓充足和均勻。

方案3：規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)力矩打緊作業(yè)，進(jìn)行逐步打緊，并進(jìn)行對(duì)稱打緊作業(yè)，保證受力均勻。

總 結(jié)

非石棉墊片在實(shí)際應(yīng)用中，在不考慮高溫高壓等特殊因素導(dǎo)致泄漏之外，導(dǎo)致泄漏主要因設(shè)計(jì)選型，過程工藝執(zhí)行等因素。此時(shí)做好設(shè)計(jì)選型及規(guī)范過程操作是首先要執(zhí)行到位的。

墊片在運(yùn)用時(shí)應(yīng)考慮遵守盡可能選擇薄、窄的墊片。對(duì)大多數(shù)非金屬板狀墊片而言，其抵抗應(yīng)力松馳的能力隨墊片厚度減少而增加，薄的墊片其周邊暴露于密封介質(zhì)的面積較少，因而沿墊片本體的滲漏也隨之減少。在同樣的螺栓載荷爾蒙下，墊片寬度越窄，墊片應(yīng)力越高，密封壓力也就越大。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 顧伯勤. 非石棉密封墊片的性能及應(yīng)用[J]. 化工設(shè)備與管道，2002-02-10