制冷设备用非石棉密封垫片的分析研究_邱传惠
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气密性( L / min) 横向抗拉强度减少率( % )
压缩率( % ) 回弹率( % )
外观变化 厚度变化率( % ) 重量变化率( % ) 横向抗拉强度减少率( % )
压缩率( % ) 回弹率( % )
外观变化 厚度变化率( % ) 重量变化率( % ) 应力松弛率( % )
企业 A 12. 7 1. 7 15. 0 51. 2 无裂纹 40 9. 0 × 10 - 4 22. 5 16. 8 47. 6 不破裂 10. 6 9. 7 28. 5 17. 8 47. 6 不破裂 10. 8 8. 9 28. 5
表 1 非石棉密封垫片性能试验
性能
室温下
耐冷冻机油性 150℃ ± 2℃
N46 5h
耐制冷剂和 冷冻机油性 70℃ ± 2℃ R22N46 = 7: 3
5h 其它
测试项目 横向抗拉强度( MPa)
密度( g / cm3 ) 压缩率( % ) 回弹率( % )
柔软性 烧失量( 800℃ ,1h) ( % )
( 1) 是流体通过垫片泄漏,这是由介质压力 以及垫片的材质和结构型式所决定,例如石棉垫 片,由于石棉本身存在大量的毛细管,介质压力很 高时,石棉纤维中的毛细管就成了渗漏的通道,但 制冷设备的密封情状况很少出现这种情况。
( 2) 流体经过密封接触面泄漏,这是制冷设 备的密封失效的主要形式,这不仅与密封接触面 的结构、状态等有关,更主要的是与密封组合件各 部分的性能和它们之间的变形协调有关。将法兰 与垫片接触面处的微观尺寸放大,可见二者的表 面都是凹凸不平的,当螺栓拧紧时,垫片受到压缩 产生变形,将法兰平面上的凹凸不平填满,形成了 初始密封条件。性能良好的非金属密封垫片应在
企业 B 8. 5 1. 8 12. 0 49. 3
无裂纹 38
9. 0 × 10 - 4 24. 2 14. 3 45. 3 不破裂 12. 4 10. 8 29. 8 15. 6 45. 8 不破裂 12. 5 10. 6 25. 6
企业 C 11. 9 2. 0 9. 0 49. 0 无裂纹 32 9. 0 × 10 - 4 26. 7 10. 5 44. 8 不破裂 11. 5 10. 3 31. 7 11. 5 45. 2 不破裂 11. 5 10. 1 27. 2
1 概述
制冷设备用非金属密封垫片分为制冷压缩机 用密封垫片和大型制冷设备管道法兰用密封垫 片,这些非金属垫片由石棉橡胶复合垫片、橡胶和 金属增强复合垫片以及非石棉纤维橡胶复合垫片 组成。执行的产品标准为 JB / T10537—2005。在 这几类产品中使用较多的是非石棉纤维橡胶复合 垫片。非石棉纤维增强橡胶密封材料是一种多组 分复合材料,组成材料的各种原料的性质及其配 比决定了材料的性能,例如增强纤维材料的种类、 橡胶的成分、以及生产过程中的加工工艺都会对 复合材料的性能产生影响,密封性能好的材料应 是适中的压缩率、良好的回弹性能、致密性好、较 低的冷流性、优异的密封性能。制冷设备上应用 的非石棉纤维增强垫片一般应用于大型压缩机、 压缩机组、压缩冷凝机组、离心式冷水机组、风冷 冷水热泵 机 组、水 源 热 泵 机 组 ( 既 JB / T10537— 2005 标准中所说的冷冻空调设备) 的法兰密封。 使用的制冷 剂 为 R22、R134a、R407C、R410A,使
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FLUID MACHINERY
文章编号: 1005 - 0329( 2014) 02 - 0086 - 03
Vol. 42,No. 2,2014
制冷设备用非石棉密封垫片的分析研究
邱传惠,杨书益
( 合肥通用机械研究院,安徽合肥 230031)
摘 要: 分析了制冷设备中常用的一些密封垫片的性能特点,重点对制冷设备中使用的非石棉垫片进行了试验性能的
3 对现行标准修改的建议
参考文献
制冷设备用非石棉密封垫片种类较多,本文 仅根据机械行业标准 JB / T10537《冷冻空调设备 用复合密封垫片》标准中规定的几种产品进行了 初步的分析研究,该项标准的发布和实施已有 8 年,标准中的一些内容和指标应进行修订,建议以 后修订该项标准时,取消石棉纤维橡胶复合垫片 产品和金属橡胶复合垫片产品,全部采用非石棉 纤维复合密封垫片,一方面符合环境保护的要求, 另一方面非石棉纤维复合密封垫片产品能完全满 足制冷设备工况条件的使用要求。对于标准中的 一些性能指标应进行修订,增加非石棉密封垫片 的品种,如一些密封件产品的生产企业已能生产 使用温度为 - 200℃ ~ 300℃ ,使用压力达 3. 5MPa 的非石棉密封垫片,应将这类产品纳入标准。
收稿日期: 2013 - 08 - 28 修稿日期: 2014 - 01 - 07
2014 年第 42 卷第 2 期
流体机械
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螺栓载荷力保持稳定的情况下,能够较长时间地 维持初始密封条件。
2 几种非石棉密封垫片的性能试验分析及比较
制冷设备中使用的非金属垫片主要是复合增 强垫片,所接触的介质主要是制冷剂,如二氟一氯 甲烷( R22) 、四氟乙烷( R134a) 等各种冷媒及冷 冻机油等,制冷工况接触的介质为水、蒸汽等,使 用温度为常温、高温和低温均有。复合增强垫片 的类型有非金属纤维橡胶复合垫片和金属橡胶复 合密封垫片。相对于化工行业的密封工况来说, 制冷设备使用的工况条件并不恶劣,介质温度和 压力的波动并不是很大,因而对复合垫片的材料 性能要求不高。但由于复合增强垫片中含橡胶成 分较多,在使用过程中如拧紧法兰的紧固力较大, 易使垫片与法兰密封面造成粘连,给更换密封垫 片带来不利影响,如果更换密封垫片时,法兰密封 面清理不干净会直接影响密封效果,因而在生产 制造工艺中希望在不降低密封效果和材料性能的 前提下,减少橡胶的用量,橡胶用量降低后对复合 增强垫片的抗老化性能会有进一步提高,也有利 于延长密封垫片的使用寿命。针对 JB / T10537— 2005 标准中的几种复合密封垫片在制冷设备中 的使用进行试验分析和比较。该标准中的第一类 垫片为非金属纤维橡胶复合垫片,这类垫片又分 为石棉纤维橡胶复合垫片和非石棉纤维橡胶复合 垫片[1 ~ 4]。含石棉类密封垫片是目前适用范围较 为广泛、性能优异的一类垫片,由于石棉纤维中含 有致癌物质,世界各主要工业化国家都淘汰和禁 止使用石棉制品。随着我国日益重视环境保护工 作和逐步开展淘汰和代替石棉密封制品,因而禁 用和淘汰石棉制品已成为密封件产品发展的趋 势[5]。此外国外的有关标准和法律规定,若需要 使用石棉制品的场合必须张贴警示标志,此密封 制品含有石棉,同时此类含石棉制品废弃物的处 理也必须按规定的要求进行,制冷设备中的工况 条件并不是很苛刻,完全可以不使用含有石棉的 密封垫片。
分析,对制冷设备上使用的密封垫片标准提出了一些修改建议。
关键词: 材料; 密封垫片; 性能
中图分类号: TH138; TB657
文献标识码: A
doi: 10. 3969 / j. issn. 1005 - 0329. 2014. 02. 020
Analysis of Refrigeration Equipment with Non-asbestos Gasket
非石棉纤维橡胶复合垫片是由非石棉增强纤 维与弹性粘结剂及其它无机填料等多种化学成分 经适当的工艺加工而成的片状密封材料,它是目 前 品 种 最 多、应 用 最 广 的 一 类 代 石 棉 密 封 材 料。 代替石棉纤维的材料大致可分为 3 大类: 无机无
定形纤维材料、无机结晶纤维材料、有机纤维增强 材料。目前使用较多的增强纤维是芳香族聚酰胺 纤维,它具有优异的强度和很好的热稳定性,以及 和橡胶材料在制造过程中的相溶性。加入增强材 料聚酰胺纤维后,提高了材料的抗拉强度,降低了 材料的应力松弛率,同时提高了密封材料耐温性 和耐磨性能。增强纤维也有使用碳纤维材料的, 碳纤维材料有一系列的各种优秀性能,但碳纤维 材料价格较贵,影响复合垫片的销售价格,在制冷 行业难以推广使用。除纤维增强材料外,选择橡 胶粘合剂的类型也非常重要,既要考虑橡胶材料 的适用温度范围,还要考虑橡胶材料的耐介质性 能以及材料的性价比。目前复合密封垫片使用的 橡胶 材 料 为 天 然 橡 胶、丙 烯 腈 橡 胶、氯 丁 二 烯 橡 胶、丁苯橡胶、腈基丁二烯橡胶以及六氟丙烯和偏 氟乙烯共聚物弹性体等材料。3 种非石棉密封垫 片的性能试验数据( 3 家企业生产的非石棉密封 垫片) 如表 1 所示。其中: 企业 A 产品型号 NPB - 6111C,使用芳纶纤维、丁晴橡胶为主要原料, 采用压缩成张法生产工艺制造; 企业 B 产品型号 NO. 6502( 黑色) ,使用无石棉压缩板经冲压加工 成密封垫片,材料成分未公开; 企业 C 产品型号 TS8800,使用高级芳纶纤维、特种填料、丁晴橡胶 等材料组配而成,采用连续化压缩成型工艺制造。 从表 1 试验数据可看出,非石棉密封垫片在室温 下的性能和耐冷冻机油的性能以及耐制冷剂和冷 冻机油混合液体的性能没有明显的差异,压缩率 有所增加,回弹率略有降低,浸油后垫片的厚度有 所增加,厚度变化率约在 10% 左右。而在耐冷冻 机油及耐 R22 和冷冻机油的混合液中垫片的物 理机械性能没有明显的变化。浸油后的垫片外观 更柔软一些,抗拉强度有明显下降。综合性能评 价是非石棉密封垫片适合于在制冷设备上使用。 研究发现,非石棉密封垫片成型加工过程中的一 些因素如粘结剂种类、增强材料的品种及其它配 合材料的比例均会对材料性能产生影响,因而在 复合密封垫片的生产过程中要优化设计材料配方 及生产过程中工艺参数的控制,才能生产出性能 优良的复合密封材料。JB / T10537 - 2005《冷 冻 空调设备用复合密封垫片》标准中还规定了另外 一种金属橡胶复合垫片产品,它是由不锈钢板或 铝板作为芯板,在金属板的两面各复合一层橡胶 后加工而成。不锈钢板与橡胶复合密封垫片的厚 度从 0. 38 ~ 1. 2mm 不等,铝板与橡胶复合密封垫
QIU Chuan-hui,YANG Shu-yi
( Hefei General Machinery Research Institute,Hefei 230031,China)
Abstract: The performance characteristics of gaskets used in refrigeration equipment was analyzed,focusing on the refrigeration equipment used in non-asbestos gasket tested performance analysis,refrigeration equipment for use on standard gasket made some modifications recommendations. Key words: material; gasket; performance
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FLUID MACHINERY
Vol. 42,No. 2,2014
片的厚度为 0. 38 ~ 0. 84mm 不等。这 2 种金属橡 物理性能分析,也没有明显的特点,由于橡胶材 胶复合密封垫片在制冷设备上使用不多,原因是 料的耐温 性 能 不 如 非 石 棉 密 封 材 料,它 的 高 温 橡胶易老化,在法兰密封面上使用较长时间后,橡 使用性能 要 低 于 非 石 棉 密 封 垫 片,最 高 使 用 温 胶易粘连法兰密封面,使得更换密封垫片时要清 度 为 180℃ ,而 非 石 棉 垫 片 最 高 使 用 温 度 为 理法兰密封面,易造成法兰面的损伤,这种垫片的 300℃ 。 安装和使用均不方便。从 这 种 密 封 垫 片 的 机 械
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
用温度≤100℃ ,使用压力≤3MPa。制冷设备中 的管道法兰连接处一般都使用非金属密封垫片, 这种垫片的密封形式是属于弹塑性变形结合的密 封,它是通过法兰平面上产生的接触应力,使局部 的塑性变形填满密封面的微观不平处,并产生较 高的密封比压而获得密封。对制冷压缩机或管路 接头密封来说,流体在密封接口处的泄漏有 2 种:
压缩率( % ) 回弹率( % )
外观变化 厚度变化率( % ) 重量变化率( % ) 横向抗拉强度减少率( % )
压缩率( % ) 回弹率( % )
外观变化 厚度变化率( % ) 重量变化率( % ) 应力松弛率( % )
企业 A 12. 7 1. 7 15. 0 51. 2 无裂纹 40 9. 0 × 10 - 4 22. 5 16. 8 47. 6 不破裂 10. 6 9. 7 28. 5 17. 8 47. 6 不破裂 10. 8 8. 9 28. 5
表 1 非石棉密封垫片性能试验
性能
室温下
耐冷冻机油性 150℃ ± 2℃
N46 5h
耐制冷剂和 冷冻机油性 70℃ ± 2℃ R22N46 = 7: 3
5h 其它
测试项目 横向抗拉强度( MPa)
密度( g / cm3 ) 压缩率( % ) 回弹率( % )
柔软性 烧失量( 800℃ ,1h) ( % )
( 1) 是流体通过垫片泄漏,这是由介质压力 以及垫片的材质和结构型式所决定,例如石棉垫 片,由于石棉本身存在大量的毛细管,介质压力很 高时,石棉纤维中的毛细管就成了渗漏的通道,但 制冷设备的密封情状况很少出现这种情况。
( 2) 流体经过密封接触面泄漏,这是制冷设 备的密封失效的主要形式,这不仅与密封接触面 的结构、状态等有关,更主要的是与密封组合件各 部分的性能和它们之间的变形协调有关。将法兰 与垫片接触面处的微观尺寸放大,可见二者的表 面都是凹凸不平的,当螺栓拧紧时,垫片受到压缩 产生变形,将法兰平面上的凹凸不平填满,形成了 初始密封条件。性能良好的非金属密封垫片应在
企业 B 8. 5 1. 8 12. 0 49. 3
无裂纹 38
9. 0 × 10 - 4 24. 2 14. 3 45. 3 不破裂 12. 4 10. 8 29. 8 15. 6 45. 8 不破裂 12. 5 10. 6 25. 6
企业 C 11. 9 2. 0 9. 0 49. 0 无裂纹 32 9. 0 × 10 - 4 26. 7 10. 5 44. 8 不破裂 11. 5 10. 3 31. 7 11. 5 45. 2 不破裂 11. 5 10. 1 27. 2
1 概述
制冷设备用非金属密封垫片分为制冷压缩机 用密封垫片和大型制冷设备管道法兰用密封垫 片,这些非金属垫片由石棉橡胶复合垫片、橡胶和 金属增强复合垫片以及非石棉纤维橡胶复合垫片 组成。执行的产品标准为 JB / T10537—2005。在 这几类产品中使用较多的是非石棉纤维橡胶复合 垫片。非石棉纤维增强橡胶密封材料是一种多组 分复合材料,组成材料的各种原料的性质及其配 比决定了材料的性能,例如增强纤维材料的种类、 橡胶的成分、以及生产过程中的加工工艺都会对 复合材料的性能产生影响,密封性能好的材料应 是适中的压缩率、良好的回弹性能、致密性好、较 低的冷流性、优异的密封性能。制冷设备上应用 的非石棉纤维增强垫片一般应用于大型压缩机、 压缩机组、压缩冷凝机组、离心式冷水机组、风冷 冷水热泵 机 组、水 源 热 泵 机 组 ( 既 JB / T10537— 2005 标准中所说的冷冻空调设备) 的法兰密封。 使用的制冷 剂 为 R22、R134a、R407C、R410A,使
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文章编号: 1005 - 0329( 2014) 02 - 0086 - 03
Vol. 42,No. 2,2014
制冷设备用非石棉密封垫片的分析研究
邱传惠,杨书益
( 合肥通用机械研究院,安徽合肥 230031)
摘 要: 分析了制冷设备中常用的一些密封垫片的性能特点,重点对制冷设备中使用的非石棉垫片进行了试验性能的
3 对现行标准修改的建议
参考文献
制冷设备用非石棉密封垫片种类较多,本文 仅根据机械行业标准 JB / T10537《冷冻空调设备 用复合密封垫片》标准中规定的几种产品进行了 初步的分析研究,该项标准的发布和实施已有 8 年,标准中的一些内容和指标应进行修订,建议以 后修订该项标准时,取消石棉纤维橡胶复合垫片 产品和金属橡胶复合垫片产品,全部采用非石棉 纤维复合密封垫片,一方面符合环境保护的要求, 另一方面非石棉纤维复合密封垫片产品能完全满 足制冷设备工况条件的使用要求。对于标准中的 一些性能指标应进行修订,增加非石棉密封垫片 的品种,如一些密封件产品的生产企业已能生产 使用温度为 - 200℃ ~ 300℃ ,使用压力达 3. 5MPa 的非石棉密封垫片,应将这类产品纳入标准。
收稿日期: 2013 - 08 - 28 修稿日期: 2014 - 01 - 07
2014 年第 42 卷第 2 期
流体机械
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螺栓载荷力保持稳定的情况下,能够较长时间地 维持初始密封条件。
2 几种非石棉密封垫片的性能试验分析及比较
制冷设备中使用的非金属垫片主要是复合增 强垫片,所接触的介质主要是制冷剂,如二氟一氯 甲烷( R22) 、四氟乙烷( R134a) 等各种冷媒及冷 冻机油等,制冷工况接触的介质为水、蒸汽等,使 用温度为常温、高温和低温均有。复合增强垫片 的类型有非金属纤维橡胶复合垫片和金属橡胶复 合密封垫片。相对于化工行业的密封工况来说, 制冷设备使用的工况条件并不恶劣,介质温度和 压力的波动并不是很大,因而对复合垫片的材料 性能要求不高。但由于复合增强垫片中含橡胶成 分较多,在使用过程中如拧紧法兰的紧固力较大, 易使垫片与法兰密封面造成粘连,给更换密封垫 片带来不利影响,如果更换密封垫片时,法兰密封 面清理不干净会直接影响密封效果,因而在生产 制造工艺中希望在不降低密封效果和材料性能的 前提下,减少橡胶的用量,橡胶用量降低后对复合 增强垫片的抗老化性能会有进一步提高,也有利 于延长密封垫片的使用寿命。针对 JB / T10537— 2005 标准中的几种复合密封垫片在制冷设备中 的使用进行试验分析和比较。该标准中的第一类 垫片为非金属纤维橡胶复合垫片,这类垫片又分 为石棉纤维橡胶复合垫片和非石棉纤维橡胶复合 垫片[1 ~ 4]。含石棉类密封垫片是目前适用范围较 为广泛、性能优异的一类垫片,由于石棉纤维中含 有致癌物质,世界各主要工业化国家都淘汰和禁 止使用石棉制品。随着我国日益重视环境保护工 作和逐步开展淘汰和代替石棉密封制品,因而禁 用和淘汰石棉制品已成为密封件产品发展的趋 势[5]。此外国外的有关标准和法律规定,若需要 使用石棉制品的场合必须张贴警示标志,此密封 制品含有石棉,同时此类含石棉制品废弃物的处 理也必须按规定的要求进行,制冷设备中的工况 条件并不是很苛刻,完全可以不使用含有石棉的 密封垫片。
分析,对制冷设备上使用的密封垫片标准提出了一些修改建议。
关键词: 材料; 密封垫片; 性能
中图分类号: TH138; TB657
文献标识码: A
doi: 10. 3969 / j. issn. 1005 - 0329. 2014. 02. 020
Analysis of Refrigeration Equipment with Non-asbestos Gasket
非石棉纤维橡胶复合垫片是由非石棉增强纤 维与弹性粘结剂及其它无机填料等多种化学成分 经适当的工艺加工而成的片状密封材料,它是目 前 品 种 最 多、应 用 最 广 的 一 类 代 石 棉 密 封 材 料。 代替石棉纤维的材料大致可分为 3 大类: 无机无
定形纤维材料、无机结晶纤维材料、有机纤维增强 材料。目前使用较多的增强纤维是芳香族聚酰胺 纤维,它具有优异的强度和很好的热稳定性,以及 和橡胶材料在制造过程中的相溶性。加入增强材 料聚酰胺纤维后,提高了材料的抗拉强度,降低了 材料的应力松弛率,同时提高了密封材料耐温性 和耐磨性能。增强纤维也有使用碳纤维材料的, 碳纤维材料有一系列的各种优秀性能,但碳纤维 材料价格较贵,影响复合垫片的销售价格,在制冷 行业难以推广使用。除纤维增强材料外,选择橡 胶粘合剂的类型也非常重要,既要考虑橡胶材料 的适用温度范围,还要考虑橡胶材料的耐介质性 能以及材料的性价比。目前复合密封垫片使用的 橡胶 材 料 为 天 然 橡 胶、丙 烯 腈 橡 胶、氯 丁 二 烯 橡 胶、丁苯橡胶、腈基丁二烯橡胶以及六氟丙烯和偏 氟乙烯共聚物弹性体等材料。3 种非石棉密封垫 片的性能试验数据( 3 家企业生产的非石棉密封 垫片) 如表 1 所示。其中: 企业 A 产品型号 NPB - 6111C,使用芳纶纤维、丁晴橡胶为主要原料, 采用压缩成张法生产工艺制造; 企业 B 产品型号 NO. 6502( 黑色) ,使用无石棉压缩板经冲压加工 成密封垫片,材料成分未公开; 企业 C 产品型号 TS8800,使用高级芳纶纤维、特种填料、丁晴橡胶 等材料组配而成,采用连续化压缩成型工艺制造。 从表 1 试验数据可看出,非石棉密封垫片在室温 下的性能和耐冷冻机油的性能以及耐制冷剂和冷 冻机油混合液体的性能没有明显的差异,压缩率 有所增加,回弹率略有降低,浸油后垫片的厚度有 所增加,厚度变化率约在 10% 左右。而在耐冷冻 机油及耐 R22 和冷冻机油的混合液中垫片的物 理机械性能没有明显的变化。浸油后的垫片外观 更柔软一些,抗拉强度有明显下降。综合性能评 价是非石棉密封垫片适合于在制冷设备上使用。 研究发现,非石棉密封垫片成型加工过程中的一 些因素如粘结剂种类、增强材料的品种及其它配 合材料的比例均会对材料性能产生影响,因而在 复合密封垫片的生产过程中要优化设计材料配方 及生产过程中工艺参数的控制,才能生产出性能 优良的复合密封材料。JB / T10537 - 2005《冷 冻 空调设备用复合密封垫片》标准中还规定了另外 一种金属橡胶复合垫片产品,它是由不锈钢板或 铝板作为芯板,在金属板的两面各复合一层橡胶 后加工而成。不锈钢板与橡胶复合密封垫片的厚 度从 0. 38 ~ 1. 2mm 不等,铝板与橡胶复合密封垫
QIU Chuan-hui,YANG Shu-yi
( Hefei General Machinery Research Institute,Hefei 230031,China)
Abstract: The performance characteristics of gaskets used in refrigeration equipment was analyzed,focusing on the refrigeration equipment used in non-asbestos gasket tested performance analysis,refrigeration equipment for use on standard gasket made some modifications recommendations. Key words: material; gasket; performance
88
FLUID MACHINERY
Vol. 42,No. 2,2014
片的厚度为 0. 38 ~ 0. 84mm 不等。这 2 种金属橡 物理性能分析,也没有明显的特点,由于橡胶材 胶复合密封垫片在制冷设备上使用不多,原因是 料的耐温 性 能 不 如 非 石 棉 密 封 材 料,它 的 高 温 橡胶易老化,在法兰密封面上使用较长时间后,橡 使用性能 要 低 于 非 石 棉 密 封 垫 片,最 高 使 用 温 胶易粘连法兰密封面,使得更换密封垫片时要清 度 为 180℃ ,而 非 石 棉 垫 片 最 高 使 用 温 度 为 理法兰密封面,易造成法兰面的损伤,这种垫片的 300℃ 。 安装和使用均不方便。从 这 种 密 封 垫 片 的 机 械
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
用温度≤100℃ ,使用压力≤3MPa。制冷设备中 的管道法兰连接处一般都使用非金属密封垫片, 这种垫片的密封形式是属于弹塑性变形结合的密 封,它是通过法兰平面上产生的接触应力,使局部 的塑性变形填满密封面的微观不平处,并产生较 高的密封比压而获得密封。对制冷压缩机或管路 接头密封来说,流体在密封接口处的泄漏有 2 种: