波齒復合墊與金屬包覆墊、纏繞墊的性能比較及應用

劉連全 李希望

摘要：通過與金屬包覆墊、纏繞墊的性能比較，闡述了波齒復合墊片的結構特點及優良的密封性能，并介紹該類墊片在裝置中應用。

關鍵詞：波齒復合墊? 金屬包覆墊? 纏繞墊? 密封? 特殊結構

在化工生產過程中，密封失效導致法蘭墊片泄漏，會給安全生產帶來極大的危害。因此，法蘭的密封是確保壓力容器、管線法蘭等設備安全的重要環節。目前，波齒復合墊以其特殊的結構特點和優良的密封性能，正逐漸代替纏繞墊、金屬包覆墊，越來越多的被人們認可。

1? 墊片的結構特點和分類

1.1? 金屬纏繞墊

金屬纏繞墊是由薄金屬波形帶與柔性石墨、石棉帶等非金屬帶交替疊繞，將金屬帶的始末點焊而成。金屬纏繞墊片按結構型式分為四種：基本型、帶內環型、帶外環型、帶內外環型。其中內、外環的作用在于增強鋼帶的承壓性，避免基本型易壓潰的情況。帶內環型多用于凹凸面密封，壓力等級越高的密封場合，纏繞墊的外環寬度也越大。折曲的金屬帶使墊片獲得一定的彈性，在緊固時，鋼帶受壓，發生彈性變形，從而使墊片的鋼帶和夾裹的非金屬材料與法蘭密封面之間保持足夠的壓緊力，使介質通過密封面的阻力大于密封面兩側的壓差，即可達到密封效果。

1.2? 金屬包覆墊

金屬包覆墊是一種復合墊片，它兼有金屬和非金屬的特點，具有強度高、韌性好、耐高溫和抗腐蝕等特點。按墊片截面通常分為平面型包覆和波紋型包覆兩種，是一種傳統的使用較早的密封墊片，但回彈力有限，要求法蘭表面平坦及緊固力很高才能達到良好密封效果。

1.3? 波齒復合墊

波齒復合墊是以上、下表面加工成相互錯開的波齒狀同心圓溝槽的金屬環為骨架，并復合一定厚度和密度的膨脹石墨材料而制成的。金屬環即帶尖齒又呈波紋狀，因此它具有金屬線接觸密封和多道柔性石墨環的雙重功能，其特殊的結構特點，確保該墊片具有優異的抗蠕變性，不存在散架、壓扁和壓潰現象，而且便于安裝和定位。使用時，由于法蘭的壓緊力作用，復合在金屬骨架上的石墨材料被壓縮進入溝槽內，金屬骨架上、下表面的環形齒峰與法蘭面緊密接觸，并在法蘭的進一步壓緊下墊片波形產生彈性變形，使膨脹石墨被高度壓縮和封閉在金屬骨架與法蘭面之間所形成的環形密閉空間里。

2? 墊片的性能特點

2.1? 力學性能

壓縮回彈性是墊片最基本的力學性能。螺栓、法蘭、墊片連接結構的密封，本質上是通過墊片變形以增加流體阻力來實現的。因此，墊片的壓縮回彈特性部分的反映了墊片表面與法蘭密封面楔合形成的初始密封能力。在操作條件下，介質壓力和溫度的影響導致螺栓的伸長和法蘭的變形，使法蘭密封面與墊片間產生相對分離，墊片上的壓緊力減小，這時，連接系統的緊密與否，在很大程度上反映了墊片回彈能力的好壞。可見，墊片的壓縮回彈特性對密封連接系統的緊密性影響很大。從墊片材料補償密封狀態變化的能力來看，真正影響密封連接系統緊密性的是墊片的回彈量大小。

波齒復合墊的壓縮率和回彈率均高于其他兩類墊片，其回彈量也較大，力學性能要好于金屬包覆墊和纏繞墊。

2.2? 密封性能

密封性能是墊片的重要性能指標。螺栓、法蘭和墊片組成的密封系統的緊密性由預緊和工作過程中的變形協調來實現。所以墊片的密封性不僅與墊片的材質有關，且與結構尺寸、密封結構形式、介質特性、介質壓力和溫度等特性有關，并且與螺栓、法蘭和墊片在工作中的變形特性有關。

通常，剛性法蘭的泄漏量與墊片的殘余應力成線性關系，且隨墊片上的殘余應力的增大而減小，同時也隨著介質壓力的升高而增大。在同比壓力下，墊片的回彈量越大，其殘余應力也越大，相比而言波齒復合墊的殘余應力最大。而且，波齒復合墊的膨脹石墨層易填補法蘭面的缺陷部分，故其具有雙重的密封效果，由此可見，在密封性能上波齒復合墊也優于金屬包覆墊和纏繞墊。

3? 在裝置中的具體應用

3.1? 在真空預濃縮器上的應用

中國石油塔里木油田公司石化分公司化肥裝置真空預濃縮器與液位槽之間為凹凸面密封法蘭，內徑1300mm。在正常生產中，設備內部介質為濃度85.55%的尿液，壓力0.03MPa，溫度102℃。原使用的是帶內環的聚四氟乙烯纏繞墊，在使用過程中出現墊片壓潰的現象（見圖4），導致設備泄漏。在2013年的大檢修中將該墊片更換為波齒復合墊，金屬骨架為316L材料，覆蓋層為聚四氟乙烯材料（見圖5），使用后再未出現泄漏情況，設備運行良好。

3.2? 在真空濃縮器上的應用

化肥裝置真空濃縮器的內徑為1400mm，通過的介質是濃度96.03%的尿液，壓力0.03MPa，溫度134℃。該設備頂部連接的是一個內徑1400mm的大彎管（見圖6），彎管的另一端連接真空濃縮分離器，均采用凹凸面密封法蘭，原使用的是金屬包覆墊。由于彎管連接，需要照顧到兩個密封面，安裝后在密封契合度及螺栓連接的預緊力方面很難達到太高的標準，使金屬包覆墊很容易壓偏導致設備密封不良（見圖7），產生泄漏。此處的泄漏，將影響到蒸發系統的真空度，導致真空抽不起來，且泄漏時空氣進入設備內部，漏點不可見，不易查找，給裝置開車造成很大影響。在2013年的檢修中，也將該處的密封墊改為波齒復合墊，使用后效果很好，未出現泄漏問題。

4? 結論

保證法蘭連接密封的可靠性是確保化工裝置長周期安全運行的必要條件，選擇好的墊片是達到良好密封的重要環節。波齒復合墊以其雙重密封和骨架一體的優良結構在力學性能和密封性能方面均優于纏繞墊和金屬包覆墊，在化工生產中將得到更廣泛的應用。

參考文獻

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