非石棉墊片密封可靠性研究

常紹亞 沈金根 張文成

【摘 要】 本文綜述了非石棉密封墊片的密封原理及基本性能，對某制冷設備法蘭連接泄漏故障進行分析，對非石棉密封墊片的選用提出一些建議。

【關鍵詞】 非石棉墊片 密封 性能

1 密封機理

密封是防止氣體、液體或者固體的泄漏與組織外部顆粒、流體進入密閉空間或管道系統的功用。能起密封作用的零部件稱為密封件。較為復雜的密封連接稱之為密封結構或密封裝置。密封失效可能是造成能源和材料資源的浪費、環境的污染，甚至設備的報廢和人員的傷亡。流體密封是一個復雜而較難解決的問題，密封的可靠性不僅與所采用的密封材質和密封元件有關，而且與連接結構形式、介質特性、工況條件等諸多因素有關。

2 墊片密封失效分析

2.1墊片泄漏形式

墊片泄漏有兩種形式， 即界面泄漏和滲透泄漏。兩連接件表面，從機械加工的微觀紋理來看，存在粗糙度和變形的問題，它們與墊片之間總是存在泄漏通道，由此產生的流體泄漏稱為界面泄漏；對非金屬材質的一類墊片而言，從材料的微觀結構來看，本身存在的微小縫隙或細微的毛細管，具有一定壓力的流體自然容易通過它們滲漏出來，此稱為滲透泄漏。

對于滲透泄漏，通過不同材料的復合或機械組合形成不滲透性結構，或者使用較大的夾緊力使材料更加密實，減少以至消除泄漏.

2.2墊片設計選型

墊片的密封特性曲線，墊片壓緊放松到一定程度時候即出現泄漏，在密封特性曲線上反映這一點的是，也就是所墊片密封所需要的最小壓緊應力為，對應于一定的內壓，當預緊應力小于時，墊片不能做到有效的密封，所以是墊片密封與未密封的分界點，也稱為“漏點”，是壓緊程度的最低極限。如圖1所示。

在開始出現泄漏時，墊片的有效壓緊應力與內壓之比為：m=σc/Pi，墊片系數m是設計、選擇密封墊的重要參數，保證密封的必要條件是：有效壓緊應力σg≥σc

3 失效典型案例分析

3.1事件描述

某制冷行業公司在生產多年制冷換熱器后，突然出現非石棉墊片存在批量泄漏情況。

3.2失效分析步驟

（1）設計選型

經核實此制冷換熱器的非石棉密封墊片設計選型符合要求，初始力矩值滿足結構密封需求故可排除設計異常

（2）墊片本身材質缺陷

安排取得墊片的樣件，主要通過宏觀試驗及微觀試驗進行復查。宏觀試驗主要通過耐火性試驗、抗拉試驗、回彈率測試等型式試驗，未發現明顯缺陷。微觀試驗通過高清晰度的光學顯微鏡觀察，未發現明顯分層等缺陷。即可排除因本身材質缺陷造成泄漏通道。

（3）過程裝配工藝缺陷

（a）初步分析：該型墊片目前經計算初始力矩值220N.M，現場根據壓縮復原曲線推斷墊片厚度變化面壓應該大于40MPa，滿足氣體密封緊固面壓要求。而從周邊厚度變化的程度推斷，周邊緊固面壓可能僅為5～10Mpa，達不到密封要求，為此時泄漏的量較大。從墊片內部滲透出來的氣泡較大，內部的空隙沒有被充分的壓縮，說明墊片被壓縮的量很小，導致氣體從墊片的內部泄漏出來。

（b）提升一定打緊力矩觀察：由于提高了緊固扭矩，墊片的泄漏情況有所好轉，但仍有各別部位發生細微的泄漏。拆下墊片進行厚度測試發現，本次安裝的墊片，周圍厚度變化率達到5%，根據壓縮復原曲線推斷墊片外圍緊固面壓在10～20MPa 左右，比第一次的面壓狀況有所提升，因此反映到墊片的泄漏狀況也有所好轉。因此這里可以大致推斷，加大緊固扭矩，提升緊固面壓，能夠有效的改善泄漏狀況，提高密封效果。

（c）觀察表面面壓分布情況；采用感壓紙與墊片同時安裝，按照220NM 的正常安裝緊固扭矩進行緊固。最終取下墊片和感壓紙，觀察感壓紙上的顏色變化。通過設備最終測算出墊片對應點所受到的面壓情況，匯總觀察分布.

A：代表的是對應相應的螺栓編號處，墊片內徑側各個點，如表1

B：代表的是對應相應的螺栓編號處，墊片外徑測各個點，如表2

匯總受力數據如下：

從表中數據可明顯看出部分區域面壓值過小不滿足密封要求，特別部分外側點甚至存在0值情況，導致產生泄漏通道，最終產生泄漏。

（4）分析推斷：

從上述的結果可以清楚的看到被緊固后所受到的面壓不均勻。由于緊固各個螺栓所使用的氣動工具相同，最終扭力扳手所施加的扭矩也相同。故綜合可判定為螺母摩擦力大且不均勻，最終導致應力分布不均勻。

（5）整改措施：

方案 1：在不改變現在所有緊固件的條件下，通過盡量減少接觸面改變墊片裝配結構，這樣可以通過減小接觸面積的手段來提高面壓，達到緊固面壓確保密封；

方案2：選擇配合度更好的螺栓螺母，確保螺栓螺母之間的摩擦損耗降低到最小的程度，最大的保證施加的扭矩可以均勻的作用到墊片上，確保密封面的面壓充足和均勻。

方案3：規范現場力矩打緊作業，進行逐步打緊，并進行對稱打緊作業，保證受力均勻。

總 結

非石棉墊片在實際應用中，在不考慮高溫高壓等特殊因素導致泄漏之外，導致泄漏主要因設計選型，過程工藝執行等因素。此時做好設計選型及規范過程操作是首先要執行到位的。

墊片在運用時應考慮遵守盡可能選擇薄、窄的墊片。對大多數非金屬板狀墊片而言，其抵抗應力松馳的能力隨墊片厚度減少而增加，薄的墊片其周邊暴露于密封介質的面積較少，因而沿墊片本體的滲漏也隨之減少。在同樣的螺栓載荷爾蒙下，墊片寬度越窄，墊片應力越高，密封壓力也就越大。

【參考文獻】

[1] 顧伯勤. 非石棉密封墊片的性能及應用[J]. 化工設備與管道，2002-02-10