摘要：本文綜述了壓縮非石棉纖維橡膠墊片(即無石棉墊片)密封材料( CFS)的基本性能研究、發展和應用現狀，對 CFS 的基本性能的研究和發展情況作了較系統的介紹。

　　1 前 言

　　研究和應用表明，墊片的選擇、評定、安裝和操作特別是墊片的選擇和評定是確保“墊片- 螺栓-法蘭連接”系統密封質量的最關鍵所在。

　　近百年來，依賴長期經驗累積形成的適合壓縮石棉纖維增強橡膠板 (compressedasbestos fiber,CAF) 的性能表征方法和試驗標準，對指導 CAF 的生產和應用具有一定的現實作用。然而，ASTM F104、BS 7531及一些生產廠家以此對壓縮非石棉纖維橡膠板(compressed no-asbestos fiber sheet，CFS)進行表征和試驗, 則難以正確評定實際 CFS 的質量,更難以正確指導其生產和應用。為此，PVRC、MTI 和其他一些國家和組織在過去二十年里，以CAF 為參比， 對無石棉墊片、聚四氟乙烯墊片、柔性石墨墊片、金屬包覆墊片和纏繞墊片等多種商業墊片的室溫和高溫性能進行了系列化的研究，以了解其行為規律并制定新的墊片試驗方法和評定標準，并期望成為有關標準組織(如 ASTM 和 API ) 的標準墊片性能試驗方法，并作為建立統一的高溫墊片評定方法的重要步驟。本文對國內外無石棉墊片材料基本性能的研究情況進行了綜述。

　　2 CFS的一般性能表征和試驗方法

　　傳統密封材料最重要的性能包括：抗拉強度、壓縮回彈性能、蠕變松弛性能、密封性和抗化學介質能力，它們是表征和評定密封材料品質的主要指標。

　　2.1 抗拉強度

　　抗拉強度反映了材料抵抗拉伸和斷裂的能力，石棉纖維的增強效果十分明顯，CAF一般具有較高的抗拉強度， ASTM F152 要求高品質 CAF 的橫向抗拉強度在35MPa以上。但實際墊片主要受壓而不受拉伸作用，抗拉強度并不是其最關鍵的技術性能，因此，CFS一般僅要求具有7.0MPa 以上的橫向抗拉強度，而大部分 CFS 的橫向抗拉強度基本在 10MPa 左右。

　　盡管抗拉強度已不如以往標準規定的那樣重要，但作為評定材料性能穩定性和可重復性的一個快速、簡便的方法以及鑒于它可以在一定程度上反映墊片耐介質壓力和抗時效損傷的能力，因此在材料研制和應用中仍是一個重要的評定指標，尤其是在高溫時效研究中，殘余抗拉強度仍是一個主要技術指標。

　　2.2 壓縮回彈性能

　　壓縮回彈性能反映了密封材料發生彈性或塑性變形，填補密封表面缺陷，并進行彈性補償維持密封的能力，它與密封材料的組成及配比有密切的關系。

　　按ASTM F36通過對墊片進行常溫壓縮試驗，可獲得墊片材料的壓縮率和回彈率。通常 CFS 要求壓縮率為 7%～ 17%，回彈率大于 50%， 這與 CAF 基本相同。

　　ASTM F36 是在室溫下進行的，反映的是短期行為，而且不能代表材料的高溫性能。為此，BS 7531把試驗溫度提高為300℃，墊片應力也規定為40MPa，而 DIN 52913 也把試驗條件定為300℃、50 MPa， 以反映CFS在高溫下的壓縮回彈能力，但也僅是某一墊片應力和溫度下的單一值。為此，有的廠商通過熱壓縮試驗 ( hot compression test)研究了不同墊片應力和溫度下的墊片變形情況，由此可以確定無石棉墊片在不同情況下的最大承壓能力，見圖1、 圖2。

　　2.3 蠕變松弛性能

　　蠕變松弛是表征密封材料最重要的性能之一，反映了墊片材料抵抗應力松弛和變形的能力，是一種瞬時應力-應變關系，與溫度、 時間、初應力、熱片厚度等多種因素有關。通常，蠕變松弛越慢， 則殘余壓縮載荷越大， 長期密封效果越好。對于無石棉墊片，蠕變松弛是法蘭接頭在工作壽命內發生泄漏的主要原因，它對結合面的密封能力及墊片工作壽命起著決定作用。

　　ASTM F38(B)根據承受初始應力 20.68MPa 的墊片材料在22h× 100℃熱空氣處理后螺栓伸長的松弛百分率來反映材料的蠕變松弛性能; BS2815 和DIN52913則通過測試螺栓的殘余應力來反映密封材料的抗蠕變松弛能力，而且試驗時間和溫度都較ASTM F38 延長和提高，以便更真實地反映無石棉墊片的抗蠕變松弛能力。

　　Peter Childs等按BS 2815和ASTM F38(B)研究了 CFS 的蠕變松弛性能(見表 1和圖3)，結果表明CFS 的抗蠕變松弛能力介于高品質 CAF 和普通 CAF之間，并隨材料厚度增加、初始應力下降和溫度增加而降低，且隨組分不同其變化速率也不同。

　　PVRC 的 HROT 試驗計劃(熱松弛熱緊密性試驗) 研究了溫度1200°F時間4天在模擬剛性條件下進行超載和溫度循環時墊片的抗松弛能力，結果表明無石棉墊片由于含有 70%～ 80% 的石棉纖維，在膠黏劑分解后仍具有有效的抗松弛性和適當的密封性，而CFS 墊片由于纖維含量少，耐熱差，在長時間的高溫作用下，纖維與膠黏劑同時分解，因此它們的抗蠕變松弛性能較無石棉墊片差。

　　2.4 耐介質性能

　　耐介質性能包括：耐油性能、耐化學介質性能和耐溶劑性能，反映了材料對介質的抵抗性，通常用材料的厚度增加率和質量增加率表示，直接決定材料的適用環境。耐介質性能取決于材料的組成成分(如基體材料、增強材料、填料和加工助劑等)，對于與非惰性介質接觸的墊片，耐介質性能是一個十分重要的技術指標，在其他性能保證的情況下，介質浸漬后墊片材料保持適度的厚度增加率有利于密封性能的提高。

　　目前，國內外對密封材料耐介質性能的研究相當少，可使用的評價標準主要是 ASTM F146 耐油性能的試驗方法，雖然 DIN 28090-3 已頒布了化學品對墊片材料壓縮、回彈和密封性能的試驗方法，但尚待應用考證。

　　2.5 密封性能

　　密封性能是墊片品質好壞的綜合表現，泄漏率是最直觀的指標。ASTM F37 提供了室溫評價墊片材料氣體和液體泄漏率的方法，DIN 3536/6提供了墊片抗滲透性的測試方法，BS 7531 對 CFS 的氣體滲透性試驗也作了明確的規定(一般要求 CFS 的泄漏率不大于 1mL/min)。

　　早期密封試驗大多是在室溫下進行， ErnstSauter 研究了一定墊片應力下介質壓力與泄漏率的關系; John Brown 研究了CFS 在不同墊片應力下泄漏率與介質壓力的關系，結果表明泄漏率的對數和介質壓力的對數呈線性關系。對幾種無石棉墊片的密封壓力、溫度及墊片厚度的研究，發現對于氣體介質，墊片越薄越好，它可使密封所需螺栓載荷降低，抗蠕變松弛能力提高; 但墊片也不能太薄，必須具有一定的厚度以填補法蘭面上的加工缺陷和機械劃痕。而對于液體介質，墊片厚度基本不起作用。由于傳統試驗方法不能完全反映墊片的實際使用性能，所以目前正把 ASTM F37 的密封性試驗與ASTM F38B的蠕變松弛試驗方法聯合起來，即將試件在預定的載荷、溫度和時間下發生蠕變松弛后，再用密封介質進行密封性試驗，故稱為蠕變密封試驗，其結果如表 2 所示。20 世紀70 年代后期，隨著對 CFS 為主的墊片性能的深入研究，密封試驗已經從早期的常溫試驗向高溫時效方向發展，并取得了一系列成果。

　　除上述幾個基本性能外，直接或間接地用以表征墊片性能的技術指標還包括耐熱性能、抗粘著能力、密度以及對法蘭面的腐蝕性等，它們對于合理選用和評定無石棉墊片，確保其安全可靠和耐久性能具有重要作用。

　　3 結 語

　　目前對 CFS 基本性能的表征和試驗大多沿用CAF 的標準試驗方法，然而這些方法對 CFS 的適用性尚需研究和探討。雖然 PVRC、 MTI 等也建立了一套試驗方法， 但主要目的是對產品進行篩選與評價研究，缺乏對新產品開發和性能提高的指導作用，因此仍有必要對 CFS 進行系統的性能表征和研究。

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