墊片密封

墊片密封是工業裝置中壓力容器、工藝設備、動力機器和連接管道等可拆連接處最主要的密封形型式，通常由法蘭、螺栓、螺母和墊片組成，稱為螺栓法蘭連接，他們的處的工況條件十分復雜，被密封的流體介質種類繁多，防止液體或氣體通過墊片密封連接處泄漏出來是工廠面對的最重要也是最困難的任務。雖然墊片密封與回轉機械的軸密封、往復機械的軸密封、閥門的閥桿密封相比，其泄漏率并不是很大，但墊片密封量大面廣，因此他們成為工業裝備泄漏的主要來源。泄漏輕則造成能源、原材料的大量浪費，重則導致設備報廢、停工停產、人員傷亡和嚴重的環境污染。

1．墊片密封機理

泄漏即介質從有限空間內部流到外部，或從外部進入有限空間內部的人們不希望發生的現象。介質流動通過內外空間的交界即密封面發生泄漏。造成泄漏的根本原因是由于接觸面上存在間隙，而接觸面兩側的壓力差、濃度差則是泄漏的推動力。由于密封面的形式及加工精度等因素的影響，密封面上存在間隙在所難免，這就會造成密封面不完全吻合，從而發生泄漏。要減少泄漏，就必須使接觸面最在程度地嵌合，即減小泄漏通道的截面積、增加泄漏阻力，并使之大于泄漏推動力。對密封面施加壓昆載荷，以產生壓緊應力，可提高密封面的接觸程度，當應力增大到足以引起表面產生明顯的塑性變形時，就可填補密封面的間隙，堵塞泄漏通道。使用墊片的目的就是利用墊片材料在壓緊載荷的作用下較容易產生塑性變形的特性，使之填平墊片的微小凹凸不平，從而實現密封。

在螺栓法蘭墊片連接中，壓緊墊片的力使墊片材料產生變形從而填滿法蘭密封面間的微間隙。墊片預緊應力的大小取決于螺栓的數量、擰緊螺栓的轉矩、螺栓系統的潤滑狀態和墊片和壓縮面積，即

M=kFd

 式中：M——轉矩，N·m；

d——螺栓的公稱直徑，m；

k——系數。

系數K的變化范圍很大，與螺栓系統的潤滑狀態有關，設計時一般取k=0.16～0.20,前者用于潤滑良好的螺紋，后者用于潤滑較差的螺紋。

上述墊片預緊應力是否能夠實現初始密封，與所使用的墊片材料密切相關，不同的墊片材料在相同的壓縮量下，墊片的應力是不同的，即在同樣的密封要求下所能密封的介質壓力也是不一樣，或者說是在相同的介質壓力下，得到的連接密封性能亦不一樣。

當初始墊片應力加在墊片上之后，必須在裝置的設計壽命內保持足夠的墊片工作應力，以維持必要的密封能力。因為連接受到的液體壓力作用時，密封面被迫發生分離，此時要求墊片能釋放出足夠的彈性變形能，以補償這一分離量，并且留下足以保持密封所需的墊片工作應力，此外，這一彈性應變能還要補償裝置長期運行過程中可能發生的連接結構的松弛，如墊片材料在高溫和長期應力作用下引起的墊片應力降低，連接件與緊固件材料不同所引起的熱膨脹量不同，從而導致墊片的應力降低或升高，高溫下緊固件蠕變引起的墊片應力下降等。

從理論上講，墊片預緊應力越大，墊片中貯存的彈性應變能也越大，因而補償法蘭面分離和連接松弛的能力也越強。但就實際使用而言，墊片預緊應力的合理取值與密封材料和結構、密封要求、環境因素、使用壽命以及經濟性等有關。

2墊片密封的泄漏形式

螺栓-法蘭-墊片連接中，墊片是最主要的密封元件，對于非金屬墊片來說，連接的密封是通過擰緊螺栓，造成法蘭與墊片接觸表面及墊片內部較大的壓緊應力，從而一方面使墊片表面與法蘭表面緊密貼合、填滿法蘭表面的微間隙，另一方面減小墊片材料的孔隙率，亦即減小被密封液體的泄漏通道。由于任何制造或加工方法都不可能形成絕對光滑的理想表面，也不可能實現密封面間的完全嵌合以及密封件本身孔隙的完全阻塞，所以在相互接觸的密封面間和密封件內部總是存在著微小的間隙或通道。因而，對墊片密封來說，泄漏總是不可避免的，當介質以一定的壓力通過螺栓-法蘭連接時，總會在密封點處出現泄漏，分析這種現象可以發現：它是以兩種形式出現的，即“界面泄漏”和“滲透泄漏”。

一、界面泄漏

墊片壓緊應力不足、法蘭密封面粗糙、管道的熱變形、機械變形以及振動等都會造成墊片與法蘭密封面之間貼合不嚴密，從而發生泄漏。此外，螺栓-法蘭連接在操作工況下，由于溫度、壓力的作用，螺栓變形伸長，墊片蠕變松弛、回彈能力下降，墊片材料的老化、變質等亦會造成墊片與法蘭密封面之間的泄漏。這種發生在墊片與法蘭密封面之間的泄漏稱為“界面泄漏”。

二、滲透泄漏

非金屬墊片通常由植物纖維、動物纖維、礦物纖維或化學纖維與橡膠粘結壓制而成，或由柔性石墨等多孔材料制作而成。由于其組織疏松，致密性差，纖維與纖維之間存在無數微小間隙，很容易被介質浸透，特別是在壓力作用下，介質會通過材料內部的孔隙滲透出來。這種發生在墊片材料內部的泄漏稱為“滲透泄漏”。