常用垫片材料特性及选用准则.docx

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常用垫片材料特性及选用准则

常用垫片材料特性及选用准则

第24卷第8期中国特种设备安全?

49?

石油化工生产所用的设备,管道,阀门和仪表,

许多都是采用法兰连接,由于垫片原因而导致泄漏

又是很多工业生产过程中生产装置最为常见的失

效形式.据统计,在石油化工企业非计划维修工作

量有60%～80%是用来维修密封装置的,也就是说石

油化工装置中非计划事故维修工作大部分是由于

泄漏造成的.泄漏不仅造成生产损失,物料流失,能

源浪费,环境污染,而且会造成人员的重大伤亡.因

此,如何合理的选用垫片是使企业能"安全,稳定,

长周期,满负荷,优质"生产的保证.

1常用垫片的种类

垫片的种类很多,主要有非金属垫片,聚四氟

乙烯包覆垫,金属缠绕垫,金属包覆垫,柔性石墨复

合垫,齿形组合垫,金属垫片等等.常用垫片的应用

场合见表1.

表1常用垫片的应用场合

垫片名称应用场合

石棉橡胶垫使用温度一50~C～300~C.最高使用压力为5.OMPa

聚四氟乙烯适用十『『0寸惜蚀,防黏结和要求清清厦向的管遁面封,最

包覆垫高使用温度为150~C,最高使用压力为5.OMPa

柔性石墨复最高使用温度取决于金属芯板材料,低碳钢为450'~C,不

锈钢为650~C（用于氧化性介质时为450~C）,最高使用压合垫

力为6.3MPa

使用温度为200~C-500~C,最高使用压力为10.OMPa,需要金属包覆垫

的螺栓力比平面金属垫片小,特别适于高温高压场合

石棉缠i垫:

使用温度Oo（O,最高使甩匪力为25-0MPa

柔性石墨缠绕垫:

使用温度一196~C～600~C（~氧化介质

缠绕垫为800~C）,最高使用压力为25.0MPa

聚四氟乙烯缠绕垫:

使用温度一196~C～200~C.最高使用

压力为10.0MPa

主要用于温度或压力波动较大的场合,最高使用压力为齿形组合垫

25.0MPa

密封}生能良好,随着内部压力增高,垫片自密封}生能增

金属环垫强.多用于高温,高压的法兰密封适用于恶劣的条件下

工作,常用八角形的,最高使用温度取决于所用金属材料

2常用垫片材料特性及适用范围

2.1石棉橡胶垫

石棉橡胶垫片耐热性能尚好,有适宜的弹性,在

大多数化学介质中有较好的耐腐蚀性,且制造方便,

价格便宜,是石油化工使用最广泛的非金属平垫.

石棉橡胶垫片的适用范围如图l所示.

图1石棉橡胶垫片适用范围

1）对水,空气,氮气,蒸汽及不属于A,B,C级的

工艺介质管道宜选用厚度为3mm的垫片,使用条件

见图1曲线①.

2）属于B,C级的液体介质管道宜选用厚度为1.5ram

的垫片,使用条件见图1曲线②.

3）属于B,c级气体介质及其他会危及操作人员

人身安全的有毒气体介质管道应选用较薄的垫片并

与PN5.0的法兰配套,使用条件见图1曲线③.

石棉橡胶垫片的缺点:

石棉橡胶垫在使用过程中很容易发生应力松弛

现象,影响它的密封l生能和寿命,因而难以满足现代

?

5O?

中国特种设备安全第24卷第8期

大型石油化工工业中设备的高参数和长周期的要

求.此外由于石棉是人们公认的致癌物,从上世纪

70年代起,世界上不少国家已陆续制订法律将其列

入禁用范围,随着人们对设备密封要求的提高以及

密封技术的发展,石棉橡胶材料已逐步为其他新材

料所代替,使用量正逐渐减少.

2.2聚四氟乙烯包覆垫

聚四氟乙烯包覆垫是一种适合强腐蚀介质和不

允许物料有污染的医药,食品和石油化工行业中需洁

净介质用的非金属软垫片,垫片的压缩率要求大于

20%,回弹率大于30%,应力松弛小于45%,允许泄露

率应不大于1.OxlO{cm3/s;垫片厚度一般为3mm,其中

嵌人层为2mm,纯聚四氟乙烯包覆层厚度为0.5mm.

2.3柔性石墨复合垫

柔性石墨复合垫片是由冲齿的金属芯板与膨

胀石墨粒子复合的板材制成的一种石墨增强垫片,

可作为石棉橡胶垫片与金属缠绕垫片之间的一种

过渡垫片,在某种情况下可代替柔性石墨缠绕垫,

以减少螺栓力,又不改变密封效果,同时亦可作为

无石棉平垫片使用.柔性石墨复合垫片适用于以下

介质:

对液体有水,油品,溶剂,酸,碱,液态烃,低温

液化气等;对气体有空气,氢气,油气,高温烟气,蒸

汽,烃类及各种渗透性强的气体等

2.4金属包覆垫

金属包覆垫片是一种半金属垫片,这种垫片的

金属有软钢,不锈钢,铝板和特殊合金等,它兼有金

属和非金属的特性,其密封性能良好,可制成形状

复杂的垫片,广泛用于换热器各部位的密封由于

石棉橡胶板为金属所包覆,不直接与高温介质接

触,在一定程度上提高了垫片的耐温耐压性能.有

了石棉橡胶板作为金属包覆垫的内在充填材料,与

其他金属平垫相比有一定弹性,因而在早期高参数

设备中使用较为普遍

金属包覆垫的缺点:

从密封机理看,它实际上是金属与金属的接触

密封,在这种状态下,要达到良好的密封性就必须

施加相当高的密封比压,而在这样高的比压下,作

为填充材料的石棉橡胶板往往已被压坏而失去作

用,另一方面,在使用过程中,石棉橡胶板的应力松

弛也会导致压紧应力减少而使其丧失密封性,其使用

寿命难以满足现代设备长周期运转的要求.因此,在高

参数重要场合已逐渐为其他性能更好的垫片所取代.

2.5缠绕垫

缠绕垫片是半金属垫片中最理想的一种,垫片

的主体由v型或M型金属带填加不同的软填料用缠

绕机螺旋绕制而成.为加强垫片主体和准确定位,

设有金属制内环和外环（定位环）.常用的金属带为

不锈钢,软填料为特制石棉,柔性石墨,聚四氟乙烯,

其中柔性石墨缠绕垫片应用比较广泛.柔性石墨缠

绕垫片具有良好的密封性能,能适应高温高压参数

的要求,其回弹』生也较好,在温度和压力变化的场合

仍能保持较好的密封性（其密封性指数通常可达1×

lO%m.）.

缠绕垫片的缺点:

由于结构和制造方面的原因,缠绕垫片比较容

易"散架"和"压溃".所谓"散架"包括2种情况:

一是

在制造,运输和安装过程中垫片发生散开而损坏.

这是由于缠绕垫片结构上只是通过缠绕互相咬合成

形,使垫片无法形成整体牢固的结构,因而很容易散

开损坏,给垫片的运输和安装造成困难,这种情况尤

以大规格垫片f如换热器设备上的垫片）为甚.二是

缠绕垫片在使用过程中受到很大的压紧力,外层用

以固定的焊点在周向力的作用下很容易发生拉脱损

坏,使整个垫片"散架"最终导致密封失效.由于周

向应力的大小与直径成正比,垫片的规格越大,拉脱

损坏就越易.所谓"压溃"是垫片在使用时受很大的

压紧比压,填充物受压产生的内应力向内径方向作

用于内层钢带,使钢带受到外压力作用.当外压力

超过一定值时,由钢带围成的钢带圈犹如薄壁容器

受过分外压力作用而失去稳定性,局部地方向内凹

陷,使垫片发生损坏,导致密封失效.压紧力越高,

垫片尺寸越大就越容易发生"压溃".从现场调查看,'

不少用于换热设备的缠绕垫片经使用后拆开法兰时

发现垫片已被压"散架"或"压溃",因而泄漏往往就

从这些部位发生

2.6齿形组合垫

齿形组合垫片是一种金属软垫片,密封效果优

于金属平垫,主要用于中,高压力和高温度的压力容

器和管道阀门的密封.齿形组合垫在法兰压紧力下,

不仅被封闭的覆盖层材料高度压缩,而且金属骨架

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产生弹性变形,使之成为具有高弹性的垫片,因而

不仅能适应参数变化的场合而且其使用寿命长,能

长期保持良好的密封性能.

由于齿形组合垫是带金属骨架的整体结构,在

运输和使用安装时不必担心像缠绕垫片那样会"散

架",而且垫片厚度适当,安装方便,可避免缠绕垫

片通常因厚度较大而容易产生压扁的现象.齿形组

合垫的性能优异,安全可靠,适应性广,价格适中可

广泛用于各种参数场合.

2.7金属环垫

金属环垫按截面形状可分为八角垫和椭圆垫.

这种垫片是整体金属加工而成,能耐高温高压,安

全性高,能形成高比压的金属线密封,而且具有一

定弹性和压力自密封作用,适应设备参数变化的场

合使用.但这种密封结构较复杂,不仅法兰表面要

求加工出高精度的梯形槽,而且垫片本身的制造精

度要求较高,因而密封联接的成本也较高.在实践

中还发现法兰表面的梯形槽不仅削弱了法兰的强

度,其根部系应力集中的部位,还会造成法兰的整

体损坏.此外这种垫片要求安装技术高,安装不好

就难以达到预期的密封效果.这种垫片一般可用于

密封要求较高和参数变化的高温高压场合.

3垫片选用的注意事项

1）必须对垫片的密封性能,操作压力,操作温

度,工作介质特性,以及法兰密封面的型式,结构的

繁简,装卸的难易,经济性等诸因素进行安全分析.

其中介质特性,操作温度和操作压力是影响密封的

主要因素,是选用垫片的主要依据.

2）应根据被密封介质的操作温度,操作压力确

定.对高温高压状况,多采用金属垫片;对常压,低

压,中温状况,多采用非金属垫片:

介于两者之间

的,多采用半金属组合垫片;对于温度,压力波动频

繁的场合,宜采用回弹性好的自紧式垫片.

3）垫片的系数///与其宽度无关,因此,垫片越窄

越容易夹紧.但其宽度下限有限制,通常宽度应大

于5mm.对于金属垫片,为了不产生过大的螺栓力,

取较小的宽度是一个重要遵循的准则.

4）尽量发挥各种类型垫片的长处,即用其所长.

如缠绕垫片具有良好的压缩性和复原性,密封l生能

优良,多数场合都能达到良好的密封,但不能不管什

么场合都采用它,有的场合用一般石棉橡胶垫片就

能满足使用要求,就不要提高等级,盲目采用缠绕垫

片.但在有应力松弛,压力,温度波动的中低压场合

则采用缠绕垫片就很合适.

5）要照顾特殊要求.如某种介质不允许微量纤

维混入,就不能选用石棉橡胶板和其它纤维性垫片.

某些部位振动很大,就要选用抗振性强的垫片.对

于很难检修的地方,应选用经久耐用的垫片.

6）当选用金属垫片时,应在完全退火状态下使

用,尽可能选用较软的金属材料,垫片的硬度宜比法

兰密封面的硬度低HB30～40.

7）在有腐蚀的条件下,选用垫片对法兰盘呈阳

性的垫片材料,垫片受腐蚀,牺牲垫片保护法兰;选

用法兰盘对垫片呈阳性的垫片材料,法兰盘受腐蚀,

牺牲法兰盘.究竟采用哪一种要根据使用方法和垫

片的种类来决定.

8）剧毒,易燃,强腐蚀,污染性强的介质和有害

气体,不允许使用石棉橡胶垫片.

9）使用金属环垫或齿形组合垫片时,应采用带

颈对焊法兰和螺柱（双头螺纹或全螺纹）.

4垫片选用的一些建议

下面是根据上述垫片材料特性和垫片选用方面

的注意事项提出垫片选用的一些建议.

1）高温高压蒸汽和易燃,易爆,有毒介质等场合

必须确保法兰联接的密封性能良好,安全可靠.因

此,在垫片的选用上应采用性能优异的金属或半金

属垫片如缠绕垫片,齿形组合垫,金属环垫等.如果

选用缠绕垫片则应是带内外加强环的.金属平垫或

齿形组合垫只能在操作参数无波动的情况下使用,

但在实际生产过程中参数不波动的情况是很少的

金属环垫理论上性能较好,但由于实际上受制造,安

装等因素影响很大,往往难以获得满意的效果.而且

成本高,选用时应慎重考虑.

2）以石棉为基材的密封材料如石棉橡胶板等应

尽量少用或不用,因为该类材料性能往往不能满足

要求,造成事故隐患,故一般只能用于低参数,不重

要场合,如普通水,汽和油品等.对已往较多使用石

棉橡胶板的低参数场合,建议采用石墨垫.这种垫

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中国特种设备安全第24卷第8期

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f无锡市锅炉压力容器学会无损检测专委会江苏214187）

摘要介绍按ASME~范案例2235的要求,对大厚度反应器壳体与接管焊接接头进行超声相控阵

（PA）检测的新技术,突出相控阵灵活变角和动态聚焦的优点,强调校验试块,扫查器具和工艺鉴定的重要

性.指出采用PA是解决承压设备NDE难题,满足ASME规范要求的好方法之一.

关键词大厚度壳体接管焊接接头超声检测相控阵

AbstractThenewtechnologyofphasedarray（PA）ultrasonicinspection,inaccordancewiththere—

quirementsofASMECodeCase2235,usedforthenozzleweldedjointsonreactorsofhighthicknesswasintro—

duced.Theimportanceofcalibrationblocks,scanningdevicesandprocedurequalification,andtheadvantagesof

PAbeingabletochangebeamanglesfreelyandfocusingdynamicallywasemphasized.Finally,itwaspointedout

thatapplyingPAtechnologyisoneofthebettermethodsforresolvingdifficultproblemsonNDEofpressuree—

quipments,satisfyingtherequirementsofASMECode.

KeywordsHighthicknessNozzleofshellsWeldedjointsUltrasonicinspectionPhasedarray

（PA）

大型电站锅炉和反应器等大厚度压力容器壳

体与接管连接的全焊透焊接结构,大致有3种形式:

1）插入式接管（接管通过壳体壁厚）:

2）安放式接管（接管不通过壳体壁厚）;

3）嵌入式接管（接管管座与壳体对接）.

前2种为角接与对接组合焊缝,1）适合于作

uT;2）适合于作RT;3）为对接接头对接焊缝,uT和

RT均适合,但有一定条件.有关前2种结构的UT和

RT,已有文献介绍.对第三种结构,因被检部位壁

厚较大,RT受固有不清晰度和底片颗粒性的影响,

灵敏度和检出率有限,因此一般采用uT检查焊接质

量.本文介绍用超声相控阵检测的新方法.

片虽然价格上比石棉橡胶板稍贵些.但性能好得多,

是目前缒用较为普遍的石棉橡胶板的代用材料

3）对温度,压力有变化的场合或存在振动,冲

击的场合（如压缩机,泵等动设备的法兰连接等1应

采用具有良好回弹特性的垫片,如齿形组合垫或缠

绕垫片（缠绕式垫应是带内外加强环的1

4）热媒热媒或联苯导热油）加热系统不应采用

石棉橡胶板一类材料作为密封件,应采用防介质渗透

性强,不会溶胀和膨胀的石墨材料为主体的密封件,

如齿形组合垫,缠绕垫片或柔性石墨复合垫等.

5）食品,医药等工业中工艺设备和管道等直接

与生产物料相接触的密封件不应使用石棉橡胶板类

密封件,而应尽量采用以聚四氟乙烯材料为主体的

垫片,如聚四氟乙烯平垫或聚四氟乙烯包覆垫,特别

是包覆垫,除了具有洁净不污染的特点外还具有较

好弹性,能克服一般聚四氟乙烯平垫无弹性,易冷流

的缺点,因而性能更好

6）在石油化工工业中对带一股腐蚀性介质的

场合,可采用不锈钢骨架的齿形组合垫或缠绕垫片,

温度压力不高的场合亦可选用柔性石墨复合垫.对

强腐蚀性介质的场合下,可采用聚四氟乙烯包覆垫

片或平垫.（收稿日期2008—03—24）