淺談金屬纏繞墊片

宋新軍 甄繼夏

摘 要：本文介紹了金屬纏繞墊片生產(chǎn)制造、密封原理、密封過程的變化。

關(guān)鍵詞：金屬纏繞墊;制造;密封;壓散

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.033

1 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)不斷發(fā)展，特別是近代化工行業(yè)、核能工業(yè)、電力工業(yè)等的飛速發(fā)展，這些行業(yè)所用的設(shè)備裝置也不斷的向更高溫、更高壓和大型化、對設(shè)備的密封不斷提出新的要求。

金屬纏繞墊片巧妙的利用了金屬材料的耐熱性、回彈性、強(qiáng)度和非金屬材料的柔軟性，具有良好的密封性能，廣泛應(yīng)用于壓力和溫度波動較大的場合。特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中3.2.5條中明確規(guī)定盛裝液化石油氣、毒性危害程度為極度和高度危害介質(zhì)以及強(qiáng)滲透性中度危害介質(zhì)的壓力容器的管法蘭墊片選用帶加強(qiáng)環(huán)的金屬纏繞墊。可見金屬纏繞墊片的重要性。然而實(shí)際應(yīng)用過程常出現(xiàn)泄漏、散架等失效問題。我們可以通過對金屬纏繞墊片生產(chǎn)制造、密封原理、密封過程變化的了解，從而減少和避免墊片失效而引起的安全事故。

2 金屬纏繞墊制造

金屬纏繞墊是由厚度為0.15～0.2mm的金屬薄帶（08F、0Cr19Ni9、

蒙乃爾合金等）和填充帶（柔性石墨、聚四氟乙烯等）交替纏繞而成螺旋狀，將金屬帶的始末端點(diǎn)焊而成。國外亦稱作螺旋墊。鋼帶剖面形狀有W形和V形。W形加工困難，國內(nèi)絕大部分使用V形。

3 影響金屬纏繞墊密封性能因素

3.1 材料

許多金屬材料可用于制造纏繞式墊片的金屬繞帶。金屬材料的選用材料性質(zhì)與使用工況。操作溫度和介質(zhì)的腐蝕性質(zhì)是選擇關(guān)鍵因素。填充帶材料的選用取決于材料的耐化學(xué)腐蝕和溫度的性能。過去用石棉紙板。鑒于石棉材料的限制和禁用，柔性石墨板成為纏繞式墊片現(xiàn)最常用的材料。陶瓷纖維紙具有抗高溫氧化作用，所以用于超過柔性石墨最高使用溫度場合。層片狀蛭石紙具有在極其高溫工況下仍保持良好密封特性，且具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性。纏繞式墊片的最大使用溫度取決于金屬繞帶和填充帶的最高使用溫度。

3.2 型式

纏繞墊有四種類型如圖2，A形為基本型;B形為帶內(nèi)環(huán)型;C形為帶外環(huán)型;D形為帶內(nèi)、外環(huán)型。A型纏繞式墊片，主要用于榫槽面密封結(jié)構(gòu)，槽面的內(nèi)外環(huán)可以限纏繞式墊片在過分壓縮情況地度變形。B型纏繞式墊片，主要用于凹凸面密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)可以阻止部分物料對墊片的腐蝕、沖損等影響。也可限制墊片在壓縮過程中，由于變形不均而被壓散。C型纏繞式墊片和D型纏繞式墊片，主要用于突面或全平面密封結(jié)構(gòu)，外環(huán)具有對中定位的作用也稱定位環(huán)或?qū)χ协h(huán)。

3.3 纏繞密度

在制造纏繞式墊過程中，利用一定的壓緊力將金屬帶和填充帶纏繞在一起。由于纏繞過程中的壓緊力的大小不同，墊片纏繞的松緊程不同，也就是纏繞密度，即單位墊片寬度具有不同的纏繞圈數(shù)。對于具有同一種纏繞墊片，由于不同纏繞密度，當(dāng)受到相同的壓縮載荷時(shí)，其壓縮變形是不同的。這就要根據(jù)不同的設(shè)計(jì)工況，設(shè)計(jì)不同纏繞密度墊片。對于高壓力工況下，需要密度高的纏繞墊片，以適應(yīng)較高的螺栓載荷;反之，低壓力工況下，只需密度稍低的纏繞墊片。據(jù)此，對于不同壓力工況下，同樣尺寸法蘭應(yīng)用具有不同的纏繞密度的墊片。

3.4 墊片寬度

在一定寬度范圍內(nèi)，墊片泄漏率與其寬度呈線性反函數(shù)關(guān)系;然而當(dāng)墊片超過某一定寬度時(shí)，泄漏率變化不大，而與介質(zhì)滲透性和設(shè)備壓力有關(guān)。在有一定寬度內(nèi)，介質(zhì)泄漏阻力與介質(zhì)泄漏流道長度成正比，也就是與墊片寬度成正比。故同種墊片一定寬度內(nèi)，其泄漏率與墊片寬度的呈反函數(shù)關(guān)系，而寬度超過某一值時(shí)，泄漏率變化不大。圖3為密封氣體介質(zhì)時(shí)墊片寬度與泄漏率對應(yīng)圖。

然而，墊片愈寬，密封所需的壓緊力愈大，連接件的強(qiáng)度、剛度要求高，結(jié)構(gòu)相對笨重。因此，在保證密封性能的前提下，只要墊片不被壓壞，寬度窄些為好，墊片在預(yù)緊時(shí)承受最大壓緊力的作用，此時(shí)為了避免墊片發(fā)生過度預(yù)緊而被壓壞，需要一個(gè)最小的墊片寬度，通常需保證墊片單位有效密封面積上的壓緊力不超多4倍的墊片比壓力y。

墊片的壓縮回彈性設(shè)備或管道投入運(yùn)轉(zhuǎn)后，由于介質(zhì)壓力作用和溫度的變化，使墊片上壓緊應(yīng)力下降。為了保證密封，除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上給充分考慮之外，墊片本身的補(bǔ)償是十分重要，依靠墊片的回彈能力進(jìn)行補(bǔ)償也是最經(jīng)濟(jì)、有效的途徑。所以，回彈性能的好壞將直接影響密封效果。以墊片厚度的壓縮變形量為橫坐標(biāo)，以墊片的壓縮應(yīng)力為縱坐標(biāo)，如果墊片加載與卸載時(shí)，壓縮量與壓縮應(yīng)力的關(guān)系曲線即壓縮-回彈曲線發(fā)生重復(fù)，（如圖4）則認(rèn)為墊片是理想的，為完全彈性體。事實(shí)上，墊片不僅具有一定的彈性而且也具有塑性，墊片工作時(shí)如果受壓超過一定的范圍，將會產(chǎn)生部分的塑性變形。圖5為基本型纏繞壓縮-回彈曲線，圖6為帶內(nèi)外環(huán)的柔性石墨纏繞墊壓縮-回彈曲線。帶內(nèi)外環(huán)的柔性石墨纏繞墊回彈性能較好，二次壓縮后回彈量衰減不大。

4 影響金屬纏繞墊壓散因素

金屬纏繞式墊片在安裝和操作條件下時(shí)常會出現(xiàn)壓散現(xiàn)象，墊片報(bào)廢不能使用。通過對金屬纏繞式墊片的研究可發(fā)現(xiàn)這與該種墊片的多種因素特點(diǎn)有關(guān)。

主要因素可以分為安裝因素、工作環(huán)境因素、纏繞墊材料因素。

（1）安裝因素。墊片在安裝時(shí)，擰緊螺栓時(shí)擰螺栓順序不合理或緊固力矩不均勻，易將纏繞墊壓偏，另一方面擰緊螺栓時(shí)過度緊固造成纏繞墊壓縮過渡這兩種情況均易造纏繞墊壓散。

擰緊螺栓一般經(jīng)多次回進(jìn)行，第一輪是手動擰緊所有螺母，檢查沿法蘭圓周間隙是否均勻（如果間隙不合理，給予適當(dāng)調(diào)整）。第二輪按對角交叉順序擰緊，擰緊每一螺母至全部力矩值的20%～30%，檢查沿法蘭圓周間隙是否均勻（如果間隙不合理，給予適當(dāng)調(diào)整）。第三輪按順時(shí)針依次擰緊，擰緊每一螺母至全部力矩值的50%～70%，檢查沿法蘭圓周間隙是否均勻（如果間隙不合理，給予適當(dāng)調(diào)整）。第四輪按順時(shí)針依次擰緊，擰緊每一螺母至全部力矩值，檢查沿法蘭圓周間隙是否均勻（如果間隙不合理，給予適當(dāng)調(diào)整）。第五輪按順時(shí)針依次擰緊，直到螺母在全力矩值下不再轉(zhuǎn)動。

防止纏繞墊壓縮過度，需要通過測量兩法蘭間距，進(jìn)行控制纏繞墊壓縮量，對于4.5mm厚的墊片，推薦壓縮到3.2～3.4mm厚度;對于3.2mm厚的墊片，推薦壓縮到2.3～2.5mm厚度。

（2）工作環(huán)境因素。在較高的溫度或（和）嚴(yán)重?zé)崴沧児r下，由制成纏繞墊的金屬材料和非金屬材有不同的熱膨脹系數(shù)，在較高的溫度和較大的溫度梯度下，金屬材料和非金屬材膨脹量不同，應(yīng)力過大，纏繞式墊片的徑向向內(nèi)翹曲，導(dǎo)致墊片內(nèi)徑處金屬繞帶分離或爆，造成墊片壓散。

（3）纏繞墊材料因素。由于纏繞墊中的非金屬纏繞帶多數(shù)為壓縮量較小的材料，在法蘭預(yù)緊時(shí)，由于金屬纏繞帶與非金屬繞帶變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致墊片壓散。

在結(jié)構(gòu)允許的情況下，除了保證螺栓預(yù)緊均勻，預(yù)緊力適中情況下，安裝內(nèi)環(huán)可以較可效的防止金屬纏繞墊壓散。

5 結(jié)語

金屬纏繞墊具有良好的回彈性，適用于壓力溫度有波動、螺栓載荷有松弛、熱沖擊和振動的場合;金屬纏繞墊有很好的普適性，在石油、化工、造紙、電力等工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。通過對墊片的制造，密封原理、密封特性等方面的了解，在設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)際使用過程中，會更好的利用、發(fā)揮金屬纏繞墊的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡仁良.流體密封技術(shù)-原理與工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：119-125.

[2]胡國楨，石流，閻家賓.化工密封技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990：54-63.

[3]固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京：2016：22.

[4]鋼制管法蘭、墊片、緊固件[S].北京：2009：147-158.