波齒復(fù)合墊與金屬包覆墊、纏繞墊的性能比較及應(yīng)用

劉連全 李希望

摘要：通過(guò)與金屬包覆墊、纏繞墊的性能比較，闡述了波齒復(fù)合墊片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)良的密封性能，并介紹該類(lèi)墊片在裝置中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：波齒復(fù)合墊? 金屬包覆墊? 纏繞墊? 密封? 特殊結(jié)構(gòu)

在化工生產(chǎn)過(guò)程中，密封失效導(dǎo)致法蘭墊片泄漏，會(huì)給安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的危害。因此，法蘭的密封是確保壓力容器、管線(xiàn)法蘭等設(shè)備安全的重要環(huán)節(jié)。目前，波齒復(fù)合墊以其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)良的密封性能，正逐漸代替纏繞墊、金屬包覆墊，越來(lái)越多的被人們認(rèn)可。

1? 墊片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分類(lèi)

1.1? 金屬纏繞墊

金屬纏繞墊是由薄金屬波形帶與柔性石墨、石棉帶等非金屬帶交替疊繞，將金屬帶的始末點(diǎn)焊而成。金屬纏繞墊片按結(jié)構(gòu)型式分為四種：基本型、帶內(nèi)環(huán)型、帶外環(huán)型、帶內(nèi)外環(huán)型。其中內(nèi)、外環(huán)的作用在于增強(qiáng)鋼帶的承壓性，避免基本型易壓潰的情況。帶內(nèi)環(huán)型多用于凹凸面密封，壓力等級(jí)越高的密封場(chǎng)合，纏繞墊的外環(huán)寬度也越大。折曲的金屬帶使墊片獲得一定的彈性，在緊固時(shí)，鋼帶受壓，發(fā)生彈性變形，從而使墊片的鋼帶和夾裹的非金屬材料與法蘭密封面之間保持足夠的壓緊力，使介質(zhì)通過(guò)密封面的阻力大于密封面兩側(cè)的壓差，即可達(dá)到密封效果。

1.2? 金屬包覆墊

金屬包覆墊是一種復(fù)合墊片，它兼有金屬和非金屬的特點(diǎn)，具有強(qiáng)度高、韌性好、耐高溫和抗腐蝕等特點(diǎn)。按墊片截面通常分為平面型包覆和波紋型包覆兩種，是一種傳統(tǒng)的使用較早的密封墊片，但回彈力有限，要求法蘭表面平坦及緊固力很高才能達(dá)到良好密封效果。

1.3? 波齒復(fù)合墊

波齒復(fù)合墊是以上、下表面加工成相互錯(cuò)開(kāi)的波齒狀同心圓溝槽的金屬環(huán)為骨架，并復(fù)合一定厚度和密度的膨脹石墨材料而制成的。金屬環(huán)即帶尖齒又呈波紋狀，因此它具有金屬線(xiàn)接觸密封和多道柔性石墨環(huán)的雙重功能，其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確保該墊片具有優(yōu)異的抗蠕變性，不存在散架、壓扁和壓潰現(xiàn)象，而且便于安裝和定位。使用時(shí)，由于法蘭的壓緊力作用，復(fù)合在金屬骨架上的石墨材料被壓縮進(jìn)入溝槽內(nèi)，金屬骨架上、下表面的環(huán)形齒峰與法蘭面緊密接觸，并在法蘭的進(jìn)一步壓緊下墊片波形產(chǎn)生彈性變形，使膨脹石墨被高度壓縮和封閉在金屬骨架與法蘭面之間所形成的環(huán)形密閉空間里。

2? 墊片的性能特點(diǎn)

2.1? 力學(xué)性能

壓縮回彈性是墊片最基本的力學(xué)性能。螺栓、法蘭、墊片連接結(jié)構(gòu)的密封，本質(zhì)上是通過(guò)墊片變形以增加流體阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，墊片的壓縮回彈特性部分的反映了墊片表面與法蘭密封面楔合形成的初始密封能力。在操作條件下，介質(zhì)壓力和溫度的影響導(dǎo)致螺栓的伸長(zhǎng)和法蘭的變形，使法蘭密封面與墊片間產(chǎn)生相對(duì)分離，墊片上的壓緊力減小，這時(shí)，連接系統(tǒng)的緊密與否，在很大程度上反映了墊片回彈能力的好壞?？梢?jiàn)，墊片的壓縮回彈特性對(duì)密封連接系統(tǒng)的緊密性影響很大。從墊片材料補(bǔ)償密封狀態(tài)變化的能力來(lái)看，真正影響密封連接系統(tǒng)緊密性的是墊片的回彈量大小。

波齒復(fù)合墊的壓縮率和回彈率均高于其他兩類(lèi)墊片，其回彈量也較大，力學(xué)性能要好于金屬包覆墊和纏繞墊。

2.2? 密封性能

密封性能是墊片的重要性能指標(biāo)。螺栓、法蘭和墊片組成的密封系統(tǒng)的緊密性由預(yù)緊和工作過(guò)程中的變形協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以墊片的密封性不僅與墊片的材質(zhì)有關(guān)，且與結(jié)構(gòu)尺寸、密封結(jié)構(gòu)形式、介質(zhì)特性、介質(zhì)壓力和溫度等特性有關(guān)，并且與螺栓、法蘭和墊片在工作中的變形特性有關(guān)。

通常，剛性法蘭的泄漏量與墊片的殘余應(yīng)力成線(xiàn)性關(guān)系，且隨墊片上的殘余應(yīng)力的增大而減小，同時(shí)也隨著介質(zhì)壓力的升高而增大。在同比壓力下，墊片的回彈量越大，其殘余應(yīng)力也越大，相比而言波齒復(fù)合墊的殘余應(yīng)力最大。而且，波齒復(fù)合墊的膨脹石墨層易填補(bǔ)法蘭面的缺陷部分，故其具有雙重的密封效果，由此可見(jiàn)，在密封性能上波齒復(fù)合墊也優(yōu)于金屬包覆墊和纏繞墊。

3? 在裝置中的具體應(yīng)用

3.1? 在真空預(yù)濃縮器上的應(yīng)用

中國(guó)石油塔里木油田公司石化分公司化肥裝置真空預(yù)濃縮器與液位槽之間為凹凸面密封法蘭，內(nèi)徑1300mm。在正常生產(chǎn)中，設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)為濃度85.55%的尿液，壓力0.03MPa，溫度102℃。原使用的是帶內(nèi)環(huán)的聚四氟乙烯纏繞墊，在使用過(guò)程中出現(xiàn)墊片壓潰的現(xiàn)象（見(jiàn)圖4），導(dǎo)致設(shè)備泄漏。在2013年的大檢修中將該墊片更換為波齒復(fù)合墊，金屬骨架為316L材料，覆蓋層為聚四氟乙烯材料（見(jiàn)圖5），使用后再未出現(xiàn)泄漏情況，設(shè)備運(yùn)行良好。

3.2? 在真空濃縮器上的應(yīng)用

化肥裝置真空濃縮器的內(nèi)徑為1400mm，通過(guò)的介質(zhì)是濃度96.03%的尿液，壓力0.03MPa，溫度134℃。該設(shè)備頂部連接的是一個(gè)內(nèi)徑1400mm的大彎管（見(jiàn)圖6），彎管的另一端連接真空濃縮分離器，均采用凹凸面密封法蘭，原使用的是金屬包覆墊。由于彎管連接，需要照顧到兩個(gè)密封面，安裝后在密封契合度及螺栓連接的預(yù)緊力方面很難達(dá)到太高的標(biāo)準(zhǔn)，使金屬包覆墊很容易壓偏導(dǎo)致設(shè)備密封不良（見(jiàn)圖7），產(chǎn)生泄漏。此處的泄漏，將影響到蒸發(fā)系統(tǒng)的真空度，導(dǎo)致真空抽不起來(lái)，且泄漏時(shí)空氣進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，漏點(diǎn)不可見(jiàn)，不易查找，給裝置開(kāi)車(chē)造成很大影響。在2013年的檢修中，也將該處的密封墊改為波齒復(fù)合墊，使用后效果很好，未出現(xiàn)泄漏問(wèn)題。

4? 結(jié)論

保證法蘭連接密封的可靠性是確保化工裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的必要條件，選擇好的墊片是達(dá)到良好密封的重要環(huán)節(jié)。波齒復(fù)合墊以其雙重密封和骨架一體的優(yōu)良結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能和密封性能方面均優(yōu)于纏繞墊和金屬包覆墊，在化工生產(chǎn)中將得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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