静密封过程中垫片密封失效的模型与影响失效的因素探析

0 引言

静密封装置已被广泛应用于工业、农业、国防和人们的日常生活中，螺栓法兰垫片这种静密封连接，却是石油化工设备、容器和管道中最常用的连接形式。这种密封结构在操作状态下的失效一般来说极少是因为强度失效，而主要是由于螺栓法兰垫片系统的泄漏而导致密封失效，而垫片是影响其泄漏最主要的元件。所以，对垫片密封性能的研究一直是法兰连接研究中的重点。

1 垫片密封的失效模型

1.1 失效现象

在一定的工况条件下，一方面，垫片中的一些组成部分会发生高温分解和氧化，使得垫片的密度降低、孔隙率增大。有机组分的分解和氧化还会降低垫片中粘结材料的挤压性能，从而就降低了其填充垫片内部微孔的能力。这些因素将导致垫片的渗透泄漏增加。另一方面，垫片中一些大分子链之间会产生交联，使其从线型结构或支链型结构转化为体型结构，使得垫片变硬、变脆，丧失弹性，这就减弱了垫片填满法兰表面缺陷的能力，使得界面泄漏率大大增加。因此，在一定的工况条件下，随着时间的推移，垫片材料的内部结构就会发生变化，其原子或分子重新排列形成新的化学键，使得垫片的物理性质和材料形态发生变化，致使密封性能不断恶化，泄漏率不断增加，最终导致系统的泄漏率超过所规定的指标而发生失效。

1.2 反应论模型

一般说来，当对材料、元件有害的反应持续到一定限度，失效即随之发生，描述这种失效的模型称为反应论模型。这里的反应不仅包括狭义的化学反应，还包括像蒸发、凝聚、形变、裂纹传播之类具有一定速度的物理变化，以及热、电、质量之类的扩散、传导现象等，在广义上来说，也都属于反应速度论的范畴，故可统称为退化反应。

1.3 反应论模型在垫片密封失效中的应用

螺栓——法兰——垫片连接系统中，由于垫片密封性能的降低而导致系统泄漏率增大，超过所规定的指标泄漏率的失效过程相当复杂，这其中涉及到许多复杂的物理、化学变化。在研究垫片的密封性能时，可以绕开这些众多的复杂的物理、化学变化，而将垫片密封性能的降低这一变化本身看成是一简单的反应过程，反应速度亦即垫片密封性能下降的速度。有文献提出的橡胶性能老化公式，可认为垫片的长期高温密封性能可用公式来表示，其中L0为时间t=0时的泄漏率；T为试验温度；β、A、B、α是与T无关的常数，称为回归系数，可通过试验得到。

这样，密封系统的泄漏率就可用公式来表示。利用上式就可预测在一定的温度下，垫片密封系统在使用一定时间后的泄漏率。

2 影响垫片密封失效的因素

2.1 垫片的影响

2.1.1 垫片的力学性能

垫片是法兰接头中的关键元件。要使整个系统具有良好的密封性，垫片必须具有一定的抗压缩性和较好的回弹性，能在一定的压缩变形范围内，可以承受足够高的压紧应力，以满足垫片初始预紧的要求。

2.1.2 垫片密封面的硬度

垫片在一定的预紧应力下，其密封面产生弹塑性变形，用以填满法兰密封面上可能出现的间隙，以阻止介质泄漏。因此，必须保证垫片密封面的硬度要低于法兰密封面的硬度，一般要求两者相差HB8-HB40以上，否则在螺栓预紧时垫片会损伤法兰密封面。

2.1.3 垫片上的压紧应力

通过分析可知，在一定的范围内，垫片上的压紧应力与变形量的大小成正比。而垫片的变形量对垫片密封起到关键作用，其变形量一方面可以填充法兰密封面上凹凸不平的间隙，这可很大的降低界面泄漏；另一方面大的变形量可减小垫片内部组织纤维的微间隙，使泄漏阻力加大，大大减小了渗透泄漏。

2.1.4 垫片的几何尺寸

1）通过研究分析可知，垫片的厚度对密封的泄漏率有很大的影响。在同样的螺栓预紧载荷和介质压力作用下，在一定的范围内，泄漏率随垫片厚度的增加而减少。

2）通过分析垫片的位置，即垫片的宽度研究可得，在一定的范围内，随着垫片宽度的增加，垫片上存在的最大残余应力加大，也就是说泄漏率在减小。

2.2 法兰的影响

2.2.1 法兰刚度及密封面的型式

如果法兰的刚度不够，在对螺栓施加预紧时，会导致法兰密封面变形，使其产生轴向翘曲，会造成垫片内、外侧受力不均匀，进而导致密封失效。但如果过大的提高法兰刚度，一方面会使法兰变得笨重，给安装带来麻烦，另一方面也增加了制造成本。所以，当采用非标准法兰时，除了要进行法兰的强度校核，还需要进行刚度校核。另外，对使用于易燃易爆或有毒介质场合的法兰，为保证其密封的紧密性，必须保证法兰具有足够的刚度，故常升级选用法兰。法兰密封面的常用型式有全平面、突面、凹凸面、榫槽面、环连接面及锥面等六种。

2.2.2 法兰密封面的粗糙度

要想提高密封的可靠性，只能尽量减小密封面上存在的间隙，一方面可以通过提高密封面的加工精度，降低其表面粗糙度来减小密封的间隙，但这由于受到机器设备的限制，只能提高到一定的程度。这会随着先进加工技术和加工方法的出现有所改进，这会大大的降低垫片密封的泄漏率。

2.3 螺栓预紧力的影响

对于采用平垫片强制性密封的场合，要想提高密封的可靠性，可以通过加大螺栓预紧力的方法。当螺栓预紧力增大时，可以提高垫片的变形量，从而减小了垫片与法兰密封面之间的间隙，同时还可缩小垫片内部纤维之间的孔隙，从而增大了介质泄漏的阻力。当密封需要的螺栓预紧力为定值时，可通过减小螺栓直径，增加螺栓个数的方法来提高密封的紧密性。

2.4 外界因素的影响

2.4.1 被密封介质的物理性能

众所周知，在相同的实际操作条件下，气体的泄漏率大于液体的泄漏率。这是由被密封介质的物性性质不同所引起的。其中，介质的粘性度泄漏率的影响最大，介质的粘度越大，其对泄漏的阻力就越大，那么泄漏率就越小，否则其泄漏率就会越大。

2.4.2 工况的影响

影响法兰密封失效的工况条件主要有压力和温度两个因素。一般来说，压力越大，那么垫片两侧的压力差就越大，就会导致泄漏越严重。温度越高，其垫片的回弹性能越低，此时蠕变松弛量反而增大，此外，温度对介质的粘度也有很大的影响，液体的粘度随着温度的升高降低。

2.4.3 管法兰的安装

工艺管道以法兰连接形成静密封，在工程中应用较为普遍。法兰连接的同轴度、平行度是影响静密封效果的重要因素。其平行度的偏差不大于法兰外径的1.52/1000且不得大于2mm，不允许用强紧螺栓的方法消除法兰的歪斜，法兰连接的同轴度应保持其螺栓孔中心线偏差一般不超过孔径的5%，并保证螺栓能自由穿入，与转动设备相连接的法兰的平行度、同轴度的允许偏差应符合相应的规定。

3 结束语

综上所述，影响垫片密封的因素很多，为了保证密封可靠，无论在进行法兰密封设计，还是在解决现场出现的密封泄漏问题时，都应该从实际工况出发，全面考虑有关的影响因索，注意从结构、选材，以及各种辅助措施上解决问题。