非石棉垫片密封材料的发展和应用

�影响因素：温度、时间、初应力、 垫片初始厚度
�不足：短期、温度局限性，与密封性无相关性 不足：短期、温度局限性，与密封性无相关性 �发展：PVRC的HROT试验（热松弛紧密性试验）：1200F×4day模拟试验
垫片蠕变松弛的试验装置
ASTM F38 DIN52913
密封性能
� 反映对介质的抗渗透性能和密封能力，取决于材料 本身的致密性（本体渗透）和界面补偿能力（界面 泄漏）。 � 影响因素： – 材料本身的致密性—本体渗透 – 与密封面的贴合性能（弥补缺陷、补偿变形、 维持压紧力）—界面泄漏 – 连接特性 – 几何特性 � 表征方法：泄漏率（体积泄漏率、质量泄漏率）
密封性能测试标准
� ASTM F37 A A/B /B、 GB/T20671.4 -2006：室温评价垫片材料气体和液体密封性能的方法，方法 A仅用于对液体的测试，方法 B更通用，对液体和气体均适用。该标准适用于评定垫片在不同的垫片载荷下的密封性能。 常用流体是异辛烷和氮气。其所 测泄漏包括界面和本体泄漏，一般垫片载荷和介质压力可以根据需要设定，但标准所规定的垫片比压较小（ 20.7MPa）， 介质内压较低（ 0.2MPa），主要适合于材料稳定性评定和材料之间的比较以及验收测试，有一定局限性。 � GB GB/T539 /T539和GB/T3985 试验原理同于ASTM F37，垫片比压也为 20.7MPa，但N2介质内压为 1MPa，并规定泄漏率为单位 时间单位垫片厚度的体积泄漏率，考虑了垫片厚度的影响，但这与 ASTM F37有较大差异，数据的可比性尚需研究。
C-R=[△(△LB)/ (△LB)] ×100%
2. 直接测量蠕变前后的垫片应力变化，以应力松弛率（ 直接测量蠕变前后的垫片应力变化，以应力松弛率（R,%) R,%) R,%)表示。 表示。 R=(σgr/ σgi) ×100% 3. 直接测量垫片应力变化，以残余应力表示。
�测试标准：
1. ASTM F38 F38（ （GB/T20671.5 GB/T20671.5）： ）： ）：100 100℃×22H 2. BS 1832: 1972 ，GB/T 12621-2008 12621-2008， ，DIN52913 DIN52913/ /BS2815 ：300℃×16/100 16/100小时 小时
华东理工大学
East China University of Science And Technology
无石棉垫片密封材料的 发展和应用
华东理工大学流体密封研究室 谢苏江 二零一三年一月 13321833889 @189.cn 021-64253206,13321833889
检测 评定 预测
设计问题 制造问题 安装问题 使用问题
预载
总载荷
预载
(P-M)
P M
基准面
(RM)
R
压缩率, %= [(P-M) / P] ×100 回弹率, %= [(R-M) / (P-M)] ×100
垫片压缩变形曲线
压缩回弹试验装置
砝码式压缩回弹试验机
小车式压缩回弹试验机
垫片综合性能试验机 （计算机控制）
蠕变松弛/应力松弛性能
� 蠕变松弛是一种瞬时应力应变行为，在应变增加的同时，垫片上的残余应力发生衰减，即 垫片厚度减薄，导致螺栓预紧力损失，最终引起泄漏，是密封垫片在工作寿命内发生泄漏 的主要原因－直接决定工作寿命。 的主要原因－直接决定工作寿命。垫片蠕变引起应力松弛，也称为螺栓转矩损失。 垫片蠕变引起应力松弛，也称为螺栓转矩损失。 � 影响因素： – 材料配方、 材料配方、结构 结构 结构和工艺，特别是纤维含量、结合和工艺的影响 和工艺，特别是纤维含量、结合和工艺的影响 – 温度、时间、初应力、垫片 温度、时间、初应力、垫片初始 初始 初始厚度 厚度
泄漏
连接 系统
密封
密封 结构
外漏 内泄
物料损失 能源损失 环境污染 （中毒、火灾
爆炸、噪音）
密封 机理
密封元件 密封材料
密封评定 密封预测
泄漏对策-密封
静密封－垫片密封
（垫片、螺栓、法兰连接系统）
垫片的基本类型
非金属 密封材料
石棉 密封材料
非石棉 密封材料
石棉 橡胶板
石棉密封 填料
橡胶 密封材料
� – – –
一般密封垫片均希望回弹率越打越好，但它与压缩率是相互矛盾的。 理想垫片是具有较大的压缩率，最大的回弹率。
垫片特性 材料配方（纤维、填料含量及与基体的结合）、制备工艺 纤维特性对压缩回弹性能影响尤大
决定因素：
�
压缩回弹性能受温度、厚度和垫片应力的影响，测试数据通常在一定温度、规定厚度和垫片应力下测得， 包括加载速度；
压缩回弹性能
Compressibility and Recovery
� � 反映材料发生弹性或塑性变形的能力 压缩率Compressibility ：反映密封垫片适应法兰对密封面的挠曲变形、波度和表面粗糙度的能力，直接决 定可靠密封的形成。通常法兰密封面不平整、表面缺陷较深，设备不允许较高压紧力时，要求垫片有较大 压缩率。 压缩率。－ －抄取较高压缩率确保在低应力下较好填补能力。 � 回弹率Recovery：回弹率作为密封垫片的另一项十分重要的性能，反映密封垫片在工作时，由于温度、内 压等引起的轴向推力使密封面发生分离，垫片压紧力将趋于下降，又要求垫片有足够的回弹能力以弥补改 。 分离量且保持垫片与密封面之间有足够的残余压紧力，以维持密封作用的能力 分离量且保持垫片与密封面之间有足够的残余压紧力，以维持密封作用的能力。 – –
压缩回弹性能的测试
� 测试标准 – – � ASTM F36（GB/T20671.2）－ 垫片材料压缩率回弹率试验方法 GB/T 12622 管法兰垫片 压缩率及回弹率试验方法
– JB/T9141.4 柔性石墨板材压缩率、回弹率测试方法 特定条件下的特定试验方法（初载荷，总载荷，试验温度，压头大小、加载、卸载、停留时间等直接影响测试结果）
� 垫片主要受压缩作用，理论上没有拉伸强度的垫片也不会 发生问题； � 实际使用中，即使一般场合，垫片也必须具有基本的拉伸 强度； � 也有理论认为，垫片的最大密封压力与垫片的拉伸强度有 一定关系； � 拉伸强度不仅是构成材料的需要，也是垫片发生吹出时不 引起撕裂的需要； � 一般材料的抗拉强度有横向和纵向之分,通常仅需考虑横 向抗拉强度； � 非金属垫片材料一般要求强度大于7MPa，金属、半金属垫 片材料一般不考虑拉伸强度。
普通 普通PTFE PTFE 填充 填充PTFE PTFE 膨体 膨体PTFE PTFE 微孔 微孔PTFE PTFE
皮革 纸张
塑料 云母 等
垫片密封机理
软质密封垫片
紧固
硬质密封垫片
有一定间隙
Baidu Nhomakorabea
密封材料的性能要求——基本性能
� � � � � � � � � � � � � � � �
对密封介质的不渗透或低渗透性 ★ ★ ★ ★ ★油密封、气密封 密封性： 密封性：对密封介质的不渗透或低渗透性 抗介质腐蚀 ★ ★ ★ ★ ★ 耐油 901/901/ 燃油 B/ 冷却液 /水/化学制剂 化学适应性： 化学适应性：抗介质腐蚀 耐油901/901/ 901/901/燃油 燃油B/ B/冷却液 冷却液/ 压缩变形能力 ★ ★ ★ 压缩性： 压缩性：压缩变形能力 弹性补偿能力 ★ ★ ★ ★ 回弹性： 回弹性：弹性补偿能力 抗冷流或蠕变松弛能力 ★ ★ ★ ★ ★ 抗蠕变松弛性能： 抗蠕变松弛性能：抗冷流或蠕变松弛能力 抗拉、抗压、抗剪切能力 ★ ★ ★ 机械强度： 机械强度：抗拉、抗压、抗剪切能力 不污染密封流体 ★ ★ 无污染性： 无污染性：不污染密封流体 不引起密封表面的腐蚀 ★ 无腐蚀性： 无腐蚀性：不引起密封表面的腐蚀 更换容易且不沾粘密封面 ★ 抗粘性： 抗粘性：更换容易且不沾粘密封面 使用温度范围广 ★ ★ ★ ★ 老化系数、热失重 耐温性： 耐温性：使用温度范围广 一定的传热性能 ★导热系数 热传导性： 热传导性：一定的传热性能 一定的隔音性能 ★ 隔音性： 隔音性：一定的隔音性能 尺寸稳定性： 方便正确安装 ★ ★ 尺寸稳定性：方便正确安装 经济性和加工性好 ★ 高性能价格比： 高性能价格比：经济性和加工性好 抗磨擦和磨损性能－动密封材料 ★ 耐磨性： 耐磨性：抗磨擦和磨损性能－动密封材料 ：润滑性能－动密封材料 ★ 自润滑性 自润滑性：润滑性能－动密封材料
初始预紧
随时间载荷松弛
华东理工大学
East China University of Science And Technology
垫片蠕变松弛的测试
�测试原理：
1. 按照螺栓伸长改变量表示垫片应力应力的变化，以蠕变松弛率（ 按照螺栓伸长改变量表示垫片应力应力的变化，以蠕变松弛率（C C-R,%) R,%)表示。 表示。
ASTM F37 A/B试验装置
�
DIN3535-4/DIN3754-1/BS7531 ：室温评定垫片材料气体渗透性的方法，可以比较不同产 品的泄漏率。测试用介质为氮气，垫片比压32MPa，介质内压4MPa，其测试设备功能较 ASTM F37更多。样品垫片尺寸可有多种选择，而且可以使用高的多的介质压力，并且可 以高温下测试。测试条件更接近于实际应用工况，可以更真实反映材料的实际密封能力。 利用该标准还可以进行垫片厚度、密封面宽度、介质压力、垫片比压、温度等对密封性能 影响的研究。 更高的检测要求采用氦气作为测试介质，结合DIN3535装置利用氦质谱仪进行检漏， 其可检最低泄漏率可达1×10-9ml/sec.
�
GB/T9129 管法兰用非金属平垫片技术条件 *61 *1.6，35MPa ，4MPa，≤10-3ml/sec.~0.06ml/min φ109 109* 61* GB/T12385 管法兰用垫片密封性能试验方法： DN80 φ142 142* *89 89* *1.5，35MPa ，4MPa
�
GB/T 22209-2008 船用垫片用非石棉纤维增强橡胶板 <1 ml/min ( 32MPa 4MPa ) (32MPa
DIN3535
综合型
DIN3535
综合型
传统弹性体
性能 化学组成 抗张强度Pa 抗张强度Pa 回弹性 永久变形 使用温度, 使用温度,℃ 耐水性 抗蒸汽性 耐老化 耐燃性 气密性 浓碱液 浓盐酸 浓硫酸 浓硝酸 汽油 煤油 矿物油 润滑油 脂肪族溶剂 芳香族溶剂 天然橡胶 聚异戊二烯 NR 17-29/25-35 优 良 <120 优 良 良 劣 良 适用 受侵害 侵害严重 不适用 显著溶胀 显著溶胀 中等溶胀 中等溶胀 显著溶胀 显著溶胀 丁腈橡胶 丁二烯丁二烯-丙烯 腈共聚物NBR 腈共聚物NBR 2-4/15-30 良 良 <170 优 良 良 劣-可 良-优 适用 受侵害 侵害严重 不适用 适用 适用 适用 中等溶胀 中等溶胀 中等溶胀 丁苯橡胶 丁二烯丁二烯-苯乙 烯共聚物SBR 烯共聚物SBR 2-3/15-20 良 良 <120 良-优 良 良 劣 良 适用 受侵害 侵害严重 不适用 显著溶胀 显著溶胀 中等溶胀 中等溶胀 显著溶胀 显著溶胀 氯丁橡胶 聚氯丁 二烯CR 二烯CR 15-20/25-27 优 良 <150 优 劣 优 良-优 良-优 适用 受侵害 侵害严重 不适用 中等溶胀 显著溶胀 轻微溶胀 显著溶胀 显著溶胀 显著溶胀 氟橡胶 偏氟乙烯 共聚物FKM 共聚物FKM 10-20/20-22 良-可 劣-可 <315 优 优 优 优 优 轻微溶胀 受侵害 侵害严重 不适用 适用 适用 适用 不适用 适用 适用 硅橡胶 硅氧烷Q 2.5-5.0/4-10 劣 劣 <315 良 良 优 可－良 可 轻微溶胀 受侵害 侵害严重 不适用 显著溶胀 显著溶胀 不适用 不适用 显著溶胀 显著溶胀 乙丙橡胶 乙烯－丙烯共 聚物EPDM 3-6/15-25 良 可－良 <150 优 优 优 劣 良-优 适用 适用 可用 不适用 不适用 － － － 不适用 不适用
聚四氟乙烯 柔性石墨 密封材料 密封材料
非石棉纤维增强 橡胶密封材料 非石棉纤维 编织盘根
其他 非石棉 密封材料
天然橡胶（ 天然橡胶（NR NR NR） ） 丁腈橡胶（ 丁腈橡胶（NBR NBR NBR） ） 氯丁橡胶（ 氯丁橡胶（CR CR CR） ） 丁苯橡胶（ 丁苯橡胶（SBR SBR SBR） ） 乙丙橡胶（ 乙丙橡胶（EPDM EPDM EPDM） ） 硅橡胶（ 硅橡胶（MQ MQ MQ） ） 氟橡胶（ 氟橡胶（FKM FKM FKM） ）
抗拉强度
� 影响抗拉强度的主要因素 – 材料组成、制备工艺 – 试样的取样方式有关：垂直纤维方向（横向）、沿纤维方向（纵向） – 试样形状（哑铃状、直条型） – 试验速度 • ASTM F152 、JIS K601、KSL5406 ：305±25mm/min • DIN52910：30mm/min • GB/T541:直条 200mm/min） – 预处理条件（ 100 ±1℃×1H） � 石棉橡胶板抗拉强度： 35MPa max.，主要以强度进行等级分类 � 非石棉纤维增强橡胶 密封材料： – 7MPa min. – 10~15MPa成张工艺，6～18抄取工艺，7～12模压工艺