压力容器密封垫片选用综述*

0 引 言

随着压力容器[1]向高温、高压、大型化等多个方向发展，垫片的新材料和新结构不断出现，垫片的选用也越来越受到人们的重视。垫片是压力容器上非常重要的密封元件，其种类和形式多种多样，按其材料构成进行分类，被分为3类：非金属垫片、金属+非金属组合垫片和金属垫片[2]。由于垫片的种类、材料、型式不同，垫片的密封性能和制造成本也是千差万别，如何根据设备的工况正确选用合适的密封垫片对压力容器的安全、经济、合理使用至关重要。垫片的选用不是一项简单的工作，需要考虑的因素诸多，还需要有一定的经验积累，广大技术人员在工程设计时一定要足够重视。

1 非金属密封垫片

非金属垫片具有较好的柔软性、压缩性和螺栓载荷低等优点，在普通设备上被大量采用，但具有强度不高、存在渗透泄漏风险、回弹性差等缺点，其不适合在高压、高温场合使用。

1.1 橡胶平垫片

橡胶平垫片常用的材料有天然橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、氟橡胶等，其使用温度也各不相同，最低使用温度为-50 ℃，最高使用温度200 ℃，若使用国外公司的全氟醚橡胶，其极限温度可以达到350 ℃。橡胶平垫片易采购易制作，可以匹配各种法兰密封面形式，对密封面粗糙度要求并不高，适用范围按相应垫片标准。橡胶平垫片常用在低压容器，选用时要充分利用其良好的压缩性能和柔软性，并考虑耐腐蚀性。

1.2 石棉橡胶板

石棉橡胶板是以温石棉为增强纤维、以橡胶为粘合剂，经辊压形成的耐热耐压密封垫片，常见的厚度为1.5 mm和3 mm，其使用温度比橡胶垫要高，最高使用温度为300 ℃，最低使用温度为-40 ℃，根据材料、制造工艺、用途及性能的不同被分为三个牌号：XB450-高压石棉橡胶板、XB350-中压石棉橡胶板和XB200-低压石棉橡胶板。各石棉橡胶板的适用范围并不相同，在设计标准中都有相应规定，如标准HG/T20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》[3]等，设计时必须遵循标准。

1.3 聚四氟乙烯板

聚四氟乙烯板是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，化学成分稳定，具有优良的耐腐蚀性、密封性，被广泛应用于各种需要抗酸碱和有机溶剂的环境中。聚四氟乙烯板分为SFB-1～3三种类型，其中SFB-2用于制作密封垫片，其使用温度一般为-50～+100 ℃，只能在Class150或PN≤16的压力等级下使用。ePTFE(膨胀聚四氟乙烯板)和RPTFE(填充改性聚四氟乙烯板)采用先进工艺，加入填充剂来改善垫片的蠕变性能，使其使用温度范围扩大到-200～200 ℃，ePTFE可以使用在压力等级为Class150或PN≤40的法兰上，RPTFE可以使用在压力等级≤Class300或PN≤40的法兰上，ePTFE和RPTFE在选用时应注明公认的厂商牌号，并根据设备操作工况来确定所选产品的使用压力和使用温度，尽量不要使垫片的使用条件处于垫片适用范围的极限。

1.4 增强型柔性石墨板

柔性石墨又称为膨胀石墨[4]，其原理是将原材料经过特殊的化工方法处理，使其形成层间化合物，这层化合物在高温下会变成气体并将石墨膨胀至原体积的二百倍左右。该结构具有松散有弹性、化学性质稳定、导热导电、无污染等特点，在真空或还原性气氛中能够用到很高的温度，是优良的密封材料。增强柔性石墨板是由不锈钢冲齿或冲孔芯板与柔性石墨粒子通过粘合剂复合而成，不锈钢材料起加强作用，又称为柔性石墨复合增强板。增强柔性石墨板可以选用在压力等级≤Class600或PN10～PN63的法兰上，在非氧化性介质时，其使用温度范围为-240～650 ℃，而处于氧化性介质时，使用温度为-240～450 ℃，适用于多种种类型的法兰密封面，如：突面、凹凸面和榫槽面等，随着石墨密封垫片技术上的成熟和各行业使用经验的增多，将来其适用范围会越来越广。

1.5 聚四氟乙烯包覆垫

聚四氟乙烯包覆垫片是一种组合型垫片，以聚四氟乙烯的薄片为包覆材料，嵌入层或芯材使用石棉橡胶、无石棉板、橡胶、增强石墨板等软材料。该垫片充分利用聚四氟乙烯优异的抗腐蚀性能以及嵌入层的良好的回弹能力，改善了普通聚四氟乙烯长期使用容易泄露的缺点，从而普遍应用在各种强酸、强碱、强氧化剂的环境中，但由于结构原因不适用在真空，或者芯材会被介质腐蚀的场合。聚四氟乙烯包覆垫片可以在公称直径≤DN600的法兰上使用，其公称压力等级为≤Class300或PN6～PN40，最高使用温度为150 ℃，并且只能使用在突面法兰上。

2 金属+非金属密封垫片

金属+非金属密封垫片是用金属和非金属材料制作而成的组合垫片，密封性能介于非金属垫片和金属垫片之间，具有强度高、回弹性好等优点，适用于压力和温度较严格的工况。

2.1 金属包覆垫片

金属包覆垫片是一种使用金属薄板内部包覆非金属材料的复合型垫片，技术成熟，密封性能良好，而且可以做成形状复杂的垫片，在换热器以及直径较大的压力容器上被广泛选用。外层的包覆金属材料可以使用纯铝板、纯铜板、镀锌钢板、08F、0Cr13、0Cr18Ni10Ti、00Cr17Ni14Mo2等金属，厚度为0.3～0.5 mm；填充材料采用柔性石墨板、石棉橡胶板、非石棉纤维橡胶板等。选用时，垫片的使用温度应该小于所使用的金属材料和填充材料的最高工作温度，可以在公称压力等级为≤Class900或PN25～PN100的工况下使用。由于回弹能力的限制，相匹配的法兰必须为突面的带颈对焊法兰、长高颈法兰、整体法兰及法兰盖，且对密封面加工要求较高，表面粗糙度范围Ra0.8～3.2 μm。

2.2 缠绕垫片

缠绕垫片是由不锈钢金属带或其他合金与柔性非金属材料在平面上缠绕多层后制成的垫片[5]，其具有半金属垫片中最好的回弹力，是压力容器、管道间法兰密封常用的垫片。如图1所示，根据是否有内环和对中环将缠绕垫片分为四种类型：A型-不带内环和对中环型，适用的密封面型式为榫槽面；B型-带内环型，适用的密封面型式为凹凸面；C型-带对中环型以及D型-带内环和带对中环型，适用的密封面型式为突面和全平面。

图1 缠绕垫片的类型

缠绕垫片可以在公称压力等级为≤Class2500或PN16～PN160的工况下使用，当压力等级在Class600、PN63以上(包含)或采用PTFE为填充材料时，垫片至少应带内环。缠绕垫的使用温度根据金属带和填充材料的许用温度确定，常用填充带材料的许用温度见表1。当柔性石墨带在氧化性环境中使用时，其最高使用温度为450 ℃。金属材料有很多种选择，在没有特殊要求的情况下，对中环一般使用经过喷涂、电镀等表面处理后的碳钢，金属带材料根据介质、操作工况、环境等因素选用，内环一般采用耐腐蚀性与金属带相同或更高的材料。

表1 常用填充带材料的许用温度

2.3 齿形垫片

压力容器上的齿形垫片通常是指具有覆盖层的齿形垫片，制作方法是在不锈钢平垫片的两个面上精加工出多条同心的齿槽，再在齿槽上粘贴柔性石墨、聚四氟乙烯等软材料，适用于需要回弹力高以及高温、高压、易腐蚀的场合。齿形垫片的使用温度由覆盖层的材料决定，柔性石墨的使用温度一般在-200～+650 ℃范围内，使用在氧化性环境中时，其使用温度上限为450 ℃，聚四氟乙烯的使用温度为-200～+200 ℃，也可以使用其他覆盖层材料，在选用时须注意覆层材料的使用条件。如图2所示，根据对中环的形式将齿形垫片分为三种类型：A型基本型，不带对中环，适用的密封面型式为榫槽面和凹凸面；B型，垫片带整体对中环型，垫片的金属部分为一个整体，适用的密封面型式为突面和全平面；C型，垫片带活动对中环型，垫片本身与对中环是分离的，对中环的材料可以使用经过喷涂、电镀等表面处理后的碳钢，适用的密封面型式为突面和全平面。齿形垫片通常用于带颈法兰、长高颈法兰、承插焊法兰、整体法兰及法兰盖间的密封，适用的压力等级为≤Class2500或PN16～PN160。

图2 齿形垫片的类型

3 金属密封垫片

金属环形垫片是压力容器中较常用的金属密封垫片，按不同的截面形状被分为八角垫和椭圆垫两种。金属环形垫片的加工精度要求严格，垫片比压力和垫片系数比较大，需要较大的螺栓预紧力，但该垫片的密封效果成熟可靠，垫片可以重复使用。金属环形垫片能够使用在高温高压、条件恶劣的环境下，随着内压的升高其径向自密封能力增强，因此被广泛采用。金属环形垫片适用的压力等级为≤Class2500或PN63～PN160，公称直径为≤DN900，使用温度根据金属材料而定，在超过540 ℃的场合需要与垫片厂家协商，目前最高可以用在700 ℃的工况中。金属环形垫片仅能用于带颈对焊法兰、长高颈法兰、整体法兰及法兰盖间的密封，并且对法兰密封面的粗糙度有较高要求，应控制在在Ra0.8～1.6 μm范围内，其成型后的硬度值应该比法兰的环连接面的硬度值低至少30 HBW，且最高硬度不超出相应垫片标准的规定。4 结 语

选用垫片时，在满足压力、温度、介质特性的前提下，还需要考虑诸多因素[6]，如法兰的形式、安装更换难易度、经济合理性、对人体和环境是否有危害等方面。在高温、高压工况可以选用金属环形垫片；中低压、温度不高的工况可选用非金属垫片；处于上述两者之间时可选用金属+非金属垫片。对于垫片的厚度，在压力不高的情况应选用薄垫片，压力较高时为确保垫片的回弹量应该选用较厚的垫片。垫片宽度应在不超过宽度下限的情况下尽量取小，这样可以避免产生较大的螺栓力。