垫片基础知识

垫片基础知识
一、基本概念
1、垫片密封原理:
垫片密封就是靠外力压紧密封垫片,使其本身发生弹性或塑性变形,以填满密封面上的微观凹凸不平来实现。

也就就是利用密封面上的比压使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的介质压力差来实现密封。

2、垫片密封的泄漏有二种:渗透泄漏与界面泄漏
渗透泄漏(垫片中间泄露):对非金属材料而言,从材料的微观结构瞧,本身存在微小缝隙与细微的毛细管。

具有一定压力的流体自然容易通过它们泄漏出来,此泄漏称为渗透泄漏,其泄漏量约占总泄漏量的10～20％。

可以采用不同材料的复合或机械组合型式形成不渗透性的结构。

或者使用较大的压紧力使材料更加密实,减少以至消除泄漏。

界面泄漏(两连接面泄露):两连接表面(即密封面)从机械加工的微观纹理来瞧存在粗糙度与变形,它们与垫片之间总存在泄漏通道,由此产生的泄漏叫界面泄漏,其泄漏量约占总泄漏量的80～90％。

界面泄漏与垫片材料的性质、接头的机械性质与状态、密封流淌的特性以及紧固件的夹紧程度有关。

总结:要少泄露,首先垫片要“夹紧”,同时要求垫片有一定的“回弹力”以回弹填满空隙,否则也不行。

回弹力取决于垫片本身的材质与结构及使用条件(温度、压力)。

垫片夹紧后(初始密封),在介质压力作用下(垫片内侧直接与介质接触)的密封叫工作密封。

从理论上说,预紧应力愈大,垫片中贮存的弹性应变能也愈大,因而可用于补偿分离或松弛的余地也就愈大,当然
要以密封材料本身最大弹性变形能力为极限。

紧固件因受热引起应力松弛、垫片老化弹性下降,垫片长期受压等原因都可能导致“昨天不漏今天漏”。

二、钢制管法兰用垫片标记
根据现行国家标准《钢制管法兰、垫片、紧固件》(HG/T 20592～20635-2009)的要求,钢制管法兰用垫片(PN系列)标记规定如下:
其中:
a为标准编号
1、HG/T 20606-2009 钢制管法兰用非金属平垫片(PN系列);
2、 HG/T 20607-2009 钢制管法兰用聚四氟乙烯包覆垫片(PN系列);
3、HG/T 20609-2009 钢制管法兰用金属包覆垫片(PN系列);
4、HG/T 20610-2009 钢制管法兰用缠绕式垫片(PN系列);
5、 HG/T 20611-2009 钢制管法兰具有覆盖层的齿形组合垫(PN系列);
6、HG/T 20612-2009 钢制管法兰非金属环形垫(PN系列)。

b为垫片名称
1、非金属平垫片用“垫片”表示;
2、聚四氟乙烯包覆垫片用“四氟包覆垫”表示;
3、金属包覆垫片用“金属包垫片”表示;
4、缠绕式垫片用“缠绕垫”表示;
5、具有覆盖层的齿形组合垫用“齿形垫”表示。

6、非金属环形垫用“椭圆垫/八角垫”表示。

c为密封面型式代号(与相应的法兰配套)
表1 非金属平垫片密封面型式代号及公称压力范围
密封面型式(代号) 公称压力PN
全平面(FF) 2、5～16
突面(RF) 2、5～63
凹面/凸面(FM/M) 10～63
榫面/槽面(T/G) 10～63
表2 缠绕式垫片型式及代号
类型代号断面形状适用法兰密封面型式
基本型 A 榫面/槽面
带内环型 B 凹面/凸面
带对中环型 C 突面a 带内环与对中环型 D 突面a
注:1、a也适用于全平面的法兰密封面;
2、金属缠绕式垫片适用的公称压力为:PN16、PN25、PN40、PN6
3、PN100、PN160
图1 B、C、D型缠绕式垫片
d为公称尺寸(DN)
e为公称压力(PN)
f为材料代号
1、非金属平垫片
材料代号由“垫片(主)材料代号/包边材料代号”标记,若无包边材料,则省略不写,只写垫片材料代号。

表3 非金属平垫片使用条件
注:1 增强柔性石墨板就是由不锈钢冲齿或冲孔芯板与膨胀石墨粒子复合而成,不锈钢冲齿或冲孔芯板起增强作用。

2 高温云母复合板就是由316不锈钢双向冲齿板与云母复合而成,不锈钢冲齿板起增强作用。

a除本表的规定以外,选用时还应符合HG/T 20614的相应规定。

b非石棉纤维橡胶板、膨胀聚四氟乙烯板或带、填充改性聚四氟乙烯板选用时应注明公认的厂商牌号(详见HG/T 20614附录A),按具体使用工况,确定具体产品的使用压力、使用温度范围及最
大(p×T)值。

c膨胀聚四氟乙烯带一般用于管法兰的维护与保养,尤其就是应急场合,也用于异形管法兰。

d超过此温度范围或饱与蒸汽压大于1、0MPa(表压)使用时,应确认具体产品的适用条件。

2、缠绕式垫片
首先应该明确缠绕式垫片按其构造的主体材料来瞧,就是属于半金属垫片,所以其材料代号应明确四个部分的材料:①对中环材料代号+②金属带材料代号+③填料代号+④内环材料代号。

注意:当无内环或无对中环时,标记代号为“0”。

图2 D型缠绕式垫片各部分名称
表4 缠绕式垫片标记代号与标志缩写
材料标记代号标志缩写材料标记代号标志缩写金属材料金属材料
碳钢 1 CRS
Ni-Mo合金
Hastelloy B2
9
HAST B
0Cr18Ni9 2 304
Ni-Mo-Cr合金
Hastelloy C-276
HAST C
00Cr19Ni10 3 304L Ni-Mo-Fe合金
Incoloy 600
INC 600
0Cr17Ni12Mo2 4 316 Ni-Mo-Cr合金
Incoloy 800
IN 800
00Cr17Ni14Mo2 5 316L 锆ZIRC 0Cr18Ni10Ti 6 321 填充材料
0Cr18Ni11Nb 7 347 温石棉带 1 ASB 0Cr25Ni20 8 310 柔性石墨带 2 G、F、
钛
9 TI 聚四氟乙烯带 3 PTFE
Ni-Cu合金
Monel 400
MON 非石棉纤维带 4 NA
表4 常用的缠绕式垫片材料代号
序号材料代号垫片型式解析
1 0220 A 金属带材料为0Cr18Ni9,填料为柔性石墨带的基本型缠绕垫片。

2 0221 B 金属带材料为0Cr18Ni9,填料为柔性石墨带,内环材料为碳钢的带内环型缠绕垫片。

3 1220 C 对中环材料为碳钢,金属带材料为0Cr18Ni9,填料为柔性石墨带的带对中环型缠绕垫片。

4 1221 D 对中环材料为碳钢,金属带材料为0Cr18Ni9,填料为柔性石墨带,内环材料为碳钢的带内环与对中环型缠绕垫片。

5 1222 D 对中环材料为碳钢,金属带材料为0Cr18Ni9,填料为柔性石墨带,内环材料为0Cr18Ni9的带内环与对中环型缠绕垫片。

标记示例(非金属平垫片)
示例1:公称尺寸DN100、公称压力PN25的突面法兰,选用厚度为1、5mm 的0Cr18Ni9(304)不锈钢包边的XB450石棉橡胶垫片,其标记为:
HG/T 20606 垫片 RF-E 100-25 XB450/304 示例2:公称尺寸DN200、公称压力PN10的突面法兰,选用厚度为1、5mm 的填充改性聚四氟乙烯垫片,其标记为:
HG/T 20606 垫片 RF 200-10 RPTFE(AAA/BBB) 注:当用户选定具体厂商(AAA)与牌号(BBB)时,应予以附加标记(AAA/BBB)
示例3:公称尺寸DN500、公称压力PN6的全平面法兰,选用厚度为5mm(非标)的三元乙丙橡胶垫片,其标记为:
HG/T 20606 垫片 FF 500-6-T5 EPDM
示例4:公称尺寸DN400、公称压力PN16,钢外径为B系列的凹面/凸面法兰选用厚度为3mm的无机纤维橡胶板垫片,其标记为:
HG/T 20606 垫片 MFM 400-16(B) NAS(AAA/BBB) 注:当用户选定具体厂商(AAA)与牌号(BBB)时,应予以附加标记(AAA/BBB)
示例5:公称尺寸DN350、公称压力PN63,芯板材料与包边材料为316L 的突面法兰,选用厚度为3mm增强柔性石墨板垫片,其标记为:
HG/T 20606 垫片 RF-E 350-63 RSB/316L 标记示例(缠绕式垫片)
示例1:公称尺寸DN100、公称压力为PN40的钢制管法兰用带内环与对中环型的缠绕式垫片(D型),对中环材料为碳钢,金属带材料为0Cr18Ni9,填料为柔性石墨带,内环材料为0Cr18Ni9,其标记为:
HG/T 20610 缠绕垫D100-40 1222
三、垫片的种类
垫片的种类多种多样,按其构造的主体材料分为非金属垫片、半金属垫
⑤聚四氟乙烯(简称PTFE)。

聚四氟乙烯以其耐化学性、耐热性、耐寒性、耐油性优越于现在任何塑料而有“塑料之王”之称,它不易老化,不燃烧,吸水性近乎为零。

其组织致密,分子结构无极性,用作垫片,接触面可做到平整光滑,对金属法兰不粘着。

除受熔融碱金属及含氟元素气体的侵蚀外,它能耐多种酸、碱、盐、油脂类溶液介质的腐蚀。

聚四氟乙烯垫片包括纯聚四氟乙烯、填充聚四氟乙烯或膨胀聚四氟乙烯等。

2、半金属垫片(又称金属复合垫片)
非金属材料虽具有很好的柔软性、压缩性与螺栓载荷低等优点,但它的主要缺点就是强度不高,回弹性差、不适合高压、高温场合,所以结合金属材料强度高,回弹性好、经受得起高温的特点,形成将两者组合结构的垫片,即为半金属垫片。

半金属垫片就是用不同材料的金属薄板把非金属材料包裹起来压制成型的。

金属材料在外层,可耐高温;非金属材料在内层,使垫片具有良好的弹性与回弹性。

这样组合后的垫片可满足高温与较高压力的使用要求。

半金属垫片主要有金属包覆垫片、金属缠绕垫片、金属波纹复合垫片、金属齿形复合垫片等。

①金属包垫。

该垫片以非金属为芯材、外包厚度为0、25～0、5mm的金属薄板。

按包覆状态,可分为全包覆、半包覆、波形包覆、双层包覆等。

金属薄板根据材料的弹塑性、耐热性、耐蚀性选取。

主要有铜、镀锌铁皮、不锈钢、钛、蒙乃尔合金等。

使用较多的就是铜、镀锌铁皮与不锈钢。

作为金属包垫的芯材,耐热性就是主要考核指标。

一般采用石棉板或橡胶石棉板、耐高温性能好的碳纤维或瓷质纤维及柔性石墨板材等。

金属包垫的另一特点就是能制成各式异型垫片。

可以满足各种热交换器管箱与非圆形压力容器密封的需要,而其她复合垫片却不能。

②金属缠绕垫片。

金属缠绕垫片就是由薄金属波形带与石棉或柔性石墨等非金属带交替绕成螺旋状,将金属带的始末端点焊接制成。

国外也称作螺旋垫片。

3、金属垫片
在高温高压及载荷循环频繁等苛刻操作条件下,各种金属材料仍就是密封垫片的首选材料,常用的材料有铜、铝、低碳钢、不锈钢、铬镍合金钢、钛、蒙乃尔合金等。

为了减少螺栓载荷与保证结构紧凑,除了金属平垫尽量采用窄宽度外,各种具有线接触特征的环垫结构则就是其优选的形式。

金属垫片的截面形状有平形、波形、齿形、八角形、透镜形等等。

①平形金属垫片。

平形金属垫片使用时分宽垫片与窄垫片两种。

宽垫片因预紧力要求大,易引起螺栓与法兰变形,压力超过10MPa时在光滑面的法兰上很少使用。

窄垫片容易预紧,可在压力6、3～10MPa的管道上使用。

②波形金属垫片。

波形金属垫片的金属板厚度一般为0、25～0、8mm。

垫片厚度一般为波长的40％～50％。

适宜于光滑密封面的管道上使用。

③齿形金属垫。

齿顶距约15mm,齿顶、齿根角均为90°。

其密封性能比平形密封垫好,压紧力也比平形垫小。

四、关于垫片需注意的几个问题
1、理解钢制管法兰用非金属平垫片就是了解其它垫片的前提。

特别要注意不同类别的垫片其使用压力与使用温度。

不能乱垫！
2、法兰公称直径、公称压力决定垫片的厚度。

垫片推荐有二种厚度规格:分别就是1、5mm与3mm。

一般说来DN300(含)以下的法兰用1、5mm
的垫片。

DN300以上的法兰用3、0mm的垫片。

备注:缠绕式垫片推荐厚度4、5mm,其中环厚度为3mm。

在螺丝预应力的作业下,4、5mm的垫片压缩到与中环厚度为3mm一致,以保证密封。

3、非金属垫片按密封面型式分为突面(RF)、凹凸面(MFM)、榫槽面(TG)、全平面 (FF)型。

注意:全平面(FF)型式的垫片上有螺栓孔,其它型式的垫片没有,这就是由于全平面法兰密封面决定的。

我们要清楚不同的垫片分别就是垫在法兰的哪个位置。

图3 非金属平垫片(全平面型式)
4、钢制管法兰用聚四氟乙烯包覆垫片(HG/T20607-2009)与钢制管法兰用金属包覆垫片(HG/T20609-2009)均属包覆垫片。

区别就是包覆材料不一样(分别为聚四氟乙烯与金属)。

5、包覆垫片由包覆体与填充材料(结构类似夹芯饼干)二部分构成。

填充材料(有时也叫芯材或嵌入层)可能就是石棉橡胶板、丁腈橡胶、非石棉纤维橡胶等。

如同我们的防火门(外层(包覆层)可能就是木材或铁(类似四氟乙烯包覆或金属包覆),夹成(填充材料)可能就是泡沫、石棉。

6、《液化石油气供应工程设计规范》(GB 51142-2015)中第9、3、4条规定:液化石油气储罐第一道管法兰、垫片与紧固件的设计应符合现行行业标准《钢制管法兰、垫片、紧固件》HG/T20592～20635,并应采用带颈对焊法兰、带内环与对中环型的金属缠绕垫片与专用级高强度全螺纹螺柱与Ⅱ
垫片基础知识型六角螺母的组合。