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1、化工装备密封技术 (Sealing Technology for Chemical Engineering Equipment ) 主讲人: 刘炳成 实现以人为本 健康 安全 环保 经济 现代化生产新理念 青岛科技大学机电工程学院 电话:13061234868 E-mail：bingchengL ， 主要内容 2 一垫片密封 二法兰密封 三高压与自紧密封 垫片的定义 垫片是一种夹持夜两个独立 的连接件之间的材料或材料 的组合，其作用是在预定的 使用寿命内，保持两个连接 件间的密封。垫片必须能够 密封结合面，并对密封介质 不渗透和不被腐蚀，能经受 温度和压力等的作用。 垫片密封一般由连接件（ 如
2、法兰）、垫片和紧固件（ 如螺栓和螺母等）等组成。 影响密封效果的因素，除 了垫片本身的性能外，还取 决于系统的刚性和变形、组 合面的粗糙度和不平行度、 紧固载荷的大小和均匀性等 。 尼桑（NISSAN）汽缸垫 三菱（MITSUBISHI）4G63BK 汽缸垫 1、垫片密封结构及工作原理 7 图2-1 垫片密封的结构 1螺母，2螺栓，3垫片，4法兰 属于强制型、中低压密封结构 1、垫片密封结构及工作原理 8 图2-2 高压自紧密封 1螺母，2主螺栓，3压环，4密封垫，5浮动顶盖，6筒体，7垫圈 属于高压自紧式密封结构 垫片密封分类 按密封原理（即密封垫片受力情况）：强制型密封、自紧 式密封和半自
3、紧式密封三类。 强制型密封：完全靠外力(如螺栓)对垫片施加载荷； 自紧式密封：主要利用介质的压力对垫片施加载荷； 半自紧式密封：上述两种方法兼而有之。 按操作压力：中、低压和高压密封。 低压密封：P1.6MPa； 中低压密封：1MPaP10MPa； 高压密封：10MPaP100MPa。 9 垫片泄漏的方式 穿漏（Penetration） O P 渗漏（Percolation） 10 Very smallsmallbiggross LEAK n 两种方式：穿漏（界面泄漏）、渗漏。 第一种泄漏占了总泄漏量的80一90； 第二种泄漏占总泄漏量的10一20： 第三种被称为吹出(blowout)泄漏属于
4、一种事 故性泄漏。 第一种泄漏通常可通过不同材料的复合或机械组合形成不渗透性结构 或者使用较大的夹紧力使材料更加密实，减少以至消除泄漏； 第二种和第三种与垫片材料性质、接头的机械特征、密封而的性质与状 态、密封流体的特性以及紧固件夹紧程度等有关。它们也是解决垫片密封 设计、安装、使用以及密封失效分析等问题的关键 12 垫片密封的机理 （1）垫片应力的定义 密封表面上垫片接触压强(单位接触面上的压力，MPa或N/m2) F F P g （2）初始预紧 F（螺栓预紧载荷） M = K F d 或 F = M / K d gi = F / Ag 目的：填平密封表面形状不平度、波度 、粗糙度等， 达到
5、初始密封。 13 M（螺栓扭矩） 密封机理 初始密封 应用：垫片用于对两个连接件密封面产生初始装配密封和保持工作密 封。 要产生初始密封的基本要求是压缩垫片，使其与密封面间产生足够 的压力，通常称为垫片预紧应力，也有称初始垫片比压，以阻止介质通 过材料本身的渗透，同时保证垫片对连接件有较大的顺应性，即垫片材 料受压缩后发生的弹性或弹塑性变形能够填塞密封面的变形和表面粗糙 度，以堵塞界面泄漏的通道。 15 （3）工作密封 go = （gi Ag - pB）/ Ag 目的：正常操作状态保持持续密封 （4）允许泄漏率标准 v PVRC 紧密度水平 紧密度等级 质量泄漏率 应用场合 Tightness
6、 Level Mass leakage rate Applications （mg/s/mm .dia.） T1（经济） 2101 公用（水、空气）工程 T2（标准） 2103 一般要求 T3（紧密） 2105 易燃、中、高度毒性介质 T4（严密） 2107 极度毒性介质、高真空 T5（极密） 2109 核装置 16 （5）零逸出的概念 A、零逸出 很微小的只凭听、看感觉不能发现的易挥发性物质（有机化合物 Volatile Organic Compound “VOC”）的合格泄漏量。 通常用敏感的气体检漏仪，如有机蒸汽分析仪测量逸出气体的体 积浓度，以百万分率，即“ppmv” 表示 。 B、允
7、许逸出量 人为规定的最低限度的逸出量。 17 u 一个典型的有机合成化工厂，有超过3500连接部件 因含有或接触5的挥发性有害空气污染物而成为 逸出点。 18 逸出逸出 泄漏的新含义之一泄漏的新含义之一 （6）垫片泄漏的原因 1）设计引起的泄漏 法兰或法兰密封面型式选择不当。 对有一定压力、强渗透性气体，应选用凹凸面或榫槽面法 兰，不宜选用平面法兰；对于低压、高温介质和要求预紧 力大的金属复合型垫片，不应单按其压力等级选用法兰， 而要考虑温度的影响，适当提高所选法兰的等级。 垫片材料选用不当。 正确选用垫片材料十分重要，因垫片材料选用有误而造成 的泄漏事故很多。 法兰、螺栓材料选择不当。 例如
8、，化肥厂变换炉的人孔法兰螺栓，过去般采用碳钢， 高温下产生蠕变，螺栓力下降，容易产生泄漏。改用耐高 温的35CrMo钢后，解决了泄漏问题。 19 （6）垫片泄漏的原因 2）制造、安装与操作引起的泄漏 法兰和垫片的加工精度未达到技术要求；密封面有碰伤、 划痕，特别是径向贯穿划痕，对密封性能有严重影响； 螺栓或垫片材料误用，同一法兰下采用不同材质螺栓等； 预紧螺栓时操作不当，造成垫片压偏、压损或法兰翘曲； 法兰密封面不清洁，粘附各种杂物； 管路法兰存在偏口、错口、张口情况； 设备操作不稳定，压力、温度波动大或超过允许值； 由于设备管路振动引起螺拴松动等。 20 back 21 影响密封性能的因素
9、垫片密封件的功能要求和性能要求 垫片的种类和性能 非金属垫片 金属复合型垫片 金属垫片 2、垫片密封的种类及性能 影响密封性能的因素： 22 密封面的表面状况； 密封面的接触宽度； 流体的性质； 流体及环境的温度； 垫片材质及制造品质； 密封面比压； 外部条件的影响。 2、垫片密封的种类及性能 垫片密封件的功能要求： 23 使密封件与配偶件紧密接合； 阻止内部介质向外泄漏并防止外部杂质的内渗（抗 渗透）； 能有效抵抗使密封部位和密封件变形的机械力； 能抵抗具有破坏作用的化学物品（介质或外部环境） 和高温； 不受因温度变化或配偶件的膨胀和收缩而导致的预 紧力丧失的影响； 容易安装和拆卸； 密封件
10、本体结构的一体性和耐流体冲刷性。 2、垫片密封的种类及性能 垫片密封件的性能要求 ： 24 n 不泄漏（抗流体穿透性能）； n 良好的压缩性和回弹性； n 较低的蠕变和应力松驰率； n 抗压性； n 耐温性能良好； n 广泛的化学适应性； n 符合环保要求。 2、垫片密封的种类及性能 2、垫片密封的种类 25 n种类繁多，按材料和结构分为三大类： 非金属垫片：橡胶、石棉橡胶板、柔性石墨、聚四氟乙 烯等，截面形状大多为矩形。 金属复合型垫片：有各种金属包垫、金属缠绕垫；通常 采用金属与非金属组合复合的形式。 金属垫片：有金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透 镜垫、八角垫、双锥环、C形环、中空O形
11、环等。均用金 属材料制成，不会产生渗透泄漏。 n按照密封分类的原则，上述垫片中的第一、第二和第三 类的金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫属于 强制密封，而其余则为半自紧或自紧式密封。 26 垫片密封材料的基本要求及其垫片性能表征 常用静密封材料和元件 静密封材料和元件的最新发展 密封材料和元件研究开发的重点和发展趋势 结语 3、垫片密封材料 27 垫片密封材料的基本要求及其垫片性能表征垫片密封材料的基本要求及其垫片性能表征 垫片的密垫片的密 封能力封能力 垫片密封材料表面流动性垫片密封材料表面流动性 较好的整体回弹性能较好的整体回弹性能 密封材料的密封材料的 理化性能理化性能 应力松弛、
12、蠕变应力松弛、蠕变 老化、硬化、脆化老化、硬化、脆化 介质稳定性介质稳定性 温度、介质温度、介质 、力学状态、力学状态 温度、介质温度、介质 物理和化学侵蚀物理和化学侵蚀 28 方程（方程（1 1）（）（4 4） 垫片材料和元件的性能表征垫片材料和元件的性能表征 密度、横向抗密度、横向抗 拉强度、柔软拉强度、柔软 性、耐油性、性、耐油性、 烧失量烧失量 压缩回弹特性压缩回弹特性 、蠕变和应力、蠕变和应力 松弛特性松弛特性 与泄漏率相联与泄漏率相联 系系 力学性能力学性能基本密封特性基本密封特性 垫片材料的性能垫片材料的性能垫片的性能垫片的性能 29 密封元件的蠕变总是存在的，温度越密封元件的蠕
13、变总是存在的，温度越 高，蠕变量越大。高，蠕变量越大。 密封元件的塑性变形量随压紧应力的增密封元件的塑性变形量随压紧应力的增 大而增大，压缩曲线和回弹曲线均非直线且大而增大，压缩曲线和回弹曲线均非直线且 不重合，具有非线性和非保守性。不重合，具有非线性和非保守性。 密封元件的基本密封特性是一个综密封元件的基本密封特性是一个综 合性指标，它与介质、工况条件、密封合性指标，它与介质、工况条件、密封 元件的结构和材料特性等有关。元件的结构和材料特性等有关。 30 常用静密封材料和元件常用静密封材料和元件 植物材质、矿物纤维、橡胶、塑料、金 属等均可用作静密封材料。 最常用的有橡胶、石棉、非石棉纤维、
14、 聚四氟乙烯、柔性石墨以及诸多种类的金属 和合金。 31 石棉是一种含结晶水的硅酸盐，分为温石棉和 蓝石棉(强酸性介质) 石棉的化学性能稳定、机械强度高，具有较好 的耐热、耐蚀性能。 石棉橡胶板具有良好的耐热性、抗蠕变松弛性 和耐化学腐蚀性，又具有较好的柔软性和弹性， 且价格低廉。 石棉橡胶板的安全使用温度为50400 。其适用压力范围一般不超过5MPa。 石棉石棉 32 具有优良的化学稳定性，可适用于多种腐蚀性 介质,聚四氟乙烯无毒，无污染。 使用温度一般在196200范围内。 耐热性能、抗蠕变性能差。 在PTFE中按一定比例掺入不同性能的材料，可 以明显改善其耐热性和冷流性。 聚四氟乙烯聚
15、四氟乙烯 33 可制成各种不同形状的密封垫片。 特点是耐高压、适应温度范围广、化学稳定性 好。 带有增强骨架的柔性石墨垫片，可适应压力 10MPa、温度200550、PH0-14的各种流 体。 柔性石墨对介质有一定污染。 柔性石墨柔性石墨 34 用在高温、低温、高真空、超高压或强腐蚀性、 放射性流体等工况条件下。 金属垫片的种类很多，常用的有中空O型环，金属 环及金属波形、平形、齿形密封垫片等。 常用的材料有软钢、铜、铝、银、不锈钢、铬钢 、蒙乃尔合金等。 金属垫片密封要求较大的密封比压，法兰面应具 有足够的硬度和表面光洁度。 金属平垫不适用于温度、压力波动较大的场合。 金属垫片金属垫片 35 由金属和非金属材料可以制成金属包覆垫 片、缠绕式垫片、非金属贴覆垫片等复合（ 组合）密封垫片。 其压缩、回弹性能好、与法兰表面贴合能 力强。能在高温、低温、冲击振动等循环交 变载荷等各种苛刻条件下，保持优良的密封 性能。 金属垫片金属垫
