法蘭密封墊片在燃氣系統(tǒng)的選用
墊片密封件是工業(yè)裝置zui為一般的靜密封形式，而泄漏是很多工業(yè)生產(chǎn)過程中生產(chǎn)裝置zui為常見的失效形式。據(jù)統(tǒng)計，在石油化工企業(yè)非計劃維修工作量有60-80%是用來維修密封裝置的。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，各工業(yè)部門，尤其是大型石油化工企業(yè)，火力發(fā)電廠，核電站和其它工業(yè)企業(yè)對密封墊片的性能提出愈來愈高的要求。燃氣系統(tǒng)也不例外，由于燃氣易燃、易爆和有毒等特性使得燃氣系統(tǒng)對在其中使用的墊片密封要求也提出更高的要求，本文針對目前在燃氣系統(tǒng)中常用石棉橡膠墊、聚四氟乙烯墊、纏繞墊、高強石墨墊、波齒復合墊等墊片，介紹其性能特點并結合燃氣系統(tǒng)的情況提出選用時值得注意的問題。
1 .燃氣系統(tǒng)中常用墊片及其特性
1.1石棉橡膠板墊片
這是應用zui早的傳統(tǒng)密封材料，包括普通型和耐油型二大類。其中又分高壓、中壓和低壓各種牌號。石棉橡膠板系由石棉纖維、膠料及其它填充材料經(jīng)混煉加熱和輥壓而成，其中耐油板還要加熱硫化處理。由于石棉纖維強度較高，又能耐較高的溫度(石棉耐溫性能通常在480℃以內，高于此溫度時石棉纖維內的結晶水會分解而失去強度)，材料來源廣泛，制造上便于工業(yè)化生產(chǎn)，能根據(jù)需要在現(xiàn)場做成各種形狀和規(guī)格的墊片，使用較為方便，價格便宜，因此，一直以來是應用較廣的傳統(tǒng)密封材料。但這種材料密封性能并不高(其密封性通常在1×10-2～1x10-3Cm3N/S左右)，特別是這種墊片的橡膠等組份容易受溫度和介質(如溶劑)的作用而損壞，而且在使用時很容易發(fā)生應力松弛現(xiàn)象，影響它的密封性能和壽命，此外由于石棉系人們*的致癌物，從七十年代起，世界上不少國家已陸續(xù)制訂法律將其列入禁用范圍，隨著人們對設備密封要求的提高以及密封技術的發(fā)展，石棉橡膠材料已逐步為其他新材料所代替，使用量正逐漸減少。一般只應用于溫度、壓力不高的非重要設備場合。
1.2聚四氟乙烯墊片
聚四氟乙烯材料具有非常的化學耐蝕性和寬廣的耐溫特性，它能耐包括酸，堿，溶劑等各種化學介質的腐蝕，其耐溫可以從-250℃～十250℃，而且具有潔凈不污染等特點，因此常用于化工、食品，醫(yī)藥等企業(yè)作為密封墊片，但這種材料zui大缺點是其冷流性能，即使在常溫下，也會隨著時間的推移其接觸應力會減少，即容易產(chǎn)生應力松弛，從而影響墊片的密封壽命。
1.3膨脹石墨纏繞式墊片
纏繞式墊片在30年代國外就已有采用，我國六十年代以后開始大量生產(chǎn)和推廣使用。早期纏繞式墊片系以石棉作為填充材料，由于石棉填充的纏繞式墊片密封性不如膨脹石墨，而且石棉系致癌物質，因此現(xiàn)在的纏繞式墊片多以膨脹石墨作為填充材料。膨脹石墨纏繞式墊片具有良好的密封性能，能適應高溫高壓參數(shù)的要求，其回彈性也較好，在溫度和壓力變化的場合仍能保持較好的密封性(其密封性能指標通?？蛇_1x10-4Cm3N/S)，系以往石油、化工、電力等系統(tǒng)使用較為普通的墊片。但是，由于結構和制造上的原因，纏繞式墊片的缺陷也是很明顯的。正如有的行家所指出的“這種墊片目前用得zui多，但問題也出得zui多”，這就是人們通常所說的“散架”和壓潰(或稱“失穩(wěn)”)問題。所謂“散架”包括兩種情況：一是在制造、運輸和安裝過程中墊片發(fā)生散開而損壞。這是由于纏繞式墊片結構上只是通過纏繞互相咬合形成，使墊片無法形成整體牢固的結構，因而很容易散開損壞，給墊片的運輸和安裝造成困難，這種情況尤以大規(guī)格墊片(如冷換設備上的墊片)為甚。二是纏繞式墊片在使用過程中受到很大的壓緊力，外層用以固定的焊點在周向力的作用下很容易發(fā)生拉脫損壞，使整個墊片“散架”zui終導致密封失效。由于周向應力的大小與直徑成正比，墊片的規(guī)格越大，拉脫損壞就越易。所謂“壓潰”(或“失穩(wěn)”)是墊片在使用時受很大的壓緊比壓，填充物(膨脹石墨)受壓產(chǎn)生的內應力向內徑方向作用于內層鋼帶，使鋼帶受到外壓力作用。當外壓力超過一定值時，由鋼帶圍成的鋼帶圈猶如薄壁容器受過分外壓力作用而失去穩(wěn)定性，局部地方向內凹陷，使墊片發(fā)生損壞，導致密封失效。壓緊力越高，墊片尺寸越大就越容易發(fā)生“壓潰”。從現(xiàn)場調查看，不少用于冷換設備的纏繞式墊片經(jīng)使用后拆開法蘭時發(fā)現(xiàn)墊片已被壓“散架”或“壓潰”，因而泄漏往往就從這些部位發(fā)生。因此為了克服其“散架”和“壓潰”的缺陷，可在纏繞墊的內外徑處加裝內、外加強環(huán)，做成帶內環(huán)、外環(huán)或內外環(huán)的纏繞墊。
纏繞式墊片屬于半金屬墊片，其壓縮剛性比較大，因此要求在足夠的螺栓力下才能達到其良好的密封性和壽命，通常適用于高溫、高壓等場合。
1.4高強石墨復合墊
高強石墨復合墊片是以經(jīng)沖刺的金屬薄板為骨架，在其表面復合膨脹石墨構成的：作為骨架的金屬薄板僅起增加強度和整體剛性的作用，以便制作和使用較為方便，但起密封作用的仍然是膨脹石墨材料本身。膨脹石墨材料(又稱柔性石墨)是60年代美國聯(lián)碳公司發(fā)明的新型密封材料、它有極其的耐溫性(從-260～+1500℃)、耐腐蝕性(能耐絕大部分化學介質)有很低的摩擦系數(shù)，能自潤滑、導熱性*，耐輻射，應力松弛率小，做成密封件有很好的密封性能。因此，它的出現(xiàn)被認為是密封材料領域的一次革命。膨脹石墨的缺點是其機械強度還不夠高，因而在單獨使用時受到限制。為此，在開發(fā)應用上更多的是與其它材料復合做成復合型密封件，前面所述的膨脹石墨纏繞墊就是以膨脹石墨作為填充材料，與金屬帶通過纏繞方式做成的復合型墊片。高強石墨墊片也是膨脹石墨與金屬骨架復合而成的墊片。因此，它具有膨脹石墨材料所具有的密封性能好，耐溫范圍廣，能耐大多數(shù)化學介質多種溶劑的侵蝕，是性能較好的密封墊片，但由于材料強度不高，在高壓情況下使用其安全性不夠，因此，國內外一般系作為非石棉密封材料用于取代傳統(tǒng)的石棉橡膠板。
1.5 波齒復合墊片
波齒復合墊片是九十年代以來才發(fā)展起來的新一代法蘭密封墊片，自九十年代推向市場以來已在石油、化工(包括燃氣)、電力等各工業(yè)部門獲得廣泛應用并取得很好的效益。目前波齒復合墊片的國家標準已正式頒布實施。
波齒復合墊片系由特殊構造的金屬骨架與膨脹石墨材料復合而成。金屬骨架的上、下表面開有相互錯開的特殊形狀的同心園溝槽，其上復合上一層適當厚度的膨脹石墨材料，zui終構成整體結構的墊片。由于復合墊片的金屬骨架既帶尖齒、又是波紋狀的，故名為波齒復合墊片。使用時由于法蘭的壓緊，復合在墊片上的石墨材料被壓縮進入溝槽，金屬骨架上、下表面的環(huán)形齒峰與法蘭面緊密接觸并在法蘭的進一步壓緊下產(chǎn)生彈性變性、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(huán)形密閉空間里。由此形成了波齒復合墊片的*性能，一道道金屬骨架的尖齒峰連同被高度壓縮的膨脹石墨材料構成一道道嚴密的密封，整個復合墊片實際上具有多道金屬密封與膨脹石墨材料密封的聯(lián)合作用。而特殊構造的金屬骨架就像彈性元件一樣使復合墊片具有良好的彈性。由于波齒復合墊片的特殊構造使之與其他墊片相比具有一系列更為優(yōu)異的性能特點。
(1)優(yōu)異的密封性。由于波齒復合墊片具有齒形金屬密封和非金屬膨脹石墨密封的雙重作用而且它的密封帶是*隔開的(這有別于纏繞式墊片的螺旋形帶)，因此使它具有特別優(yōu)良的密封性。氣密性試驗表明，波齒復合墊不僅在35MPa壓緊下能達到*的密封性(泄漏率可達10-5cm3/s級)，而且在低壓下仍有優(yōu)異的密封性。在15MPa比壓下氣密性仍達到10-3cm3/s級指標(石棉橡膠板標準規(guī)定僅為10-2Cm3/S)。
(2)回彈性能優(yōu)良，密封壽命長。由于波齒復合墊片具有特殊構造的波齒狀彈性骨架而且構成復合墊片的金屬和膨脹石墨材料具有*的耐高溫、耐流體侵蝕的性能、不會老化，墊片的彈性主要由特殊構造的金屬骨架產(chǎn)生、不必擔心使用時會產(chǎn)生應力松弛，因此能長期保持優(yōu)異的密封性能。
(3)安全可靠性高。波齒復合墊片使用時金屬骨架的環(huán)形齒峰與法蘭面緊密接觸，其膨脹石墨材料為堅固的金屬骨架和法蘭面所封閉，因此不必擔心膨脹石墨材料會被高壓流體沖走，也不必擔心會像纏繞墊片那樣被壓“散架”或“壓潰”(“失穩(wěn)”)。波齒復合墊片實際上具有與金屬墊片同樣的安全可靠性。
(4)使用安裝方便。波齒復合墊系帶金屬骨架的整體結構，在運輸和使用安裝中不必擔心像纏繞式墊片那樣會“散架”。此外，波齒復合墊厚度較薄(通常2～4mm)，在用于凸凹型或榫槽型法蘭時可以留出足夠深度作為凸型法蘭安裝時定位用，因而安裝方便，能確保安裝質量，避免纏繞式墊片通常因厚度較大、影響定位而容易產(chǎn)生壓偏的現(xiàn)象。
(5)適應性廣。波齒復合墊片幾乎可以適用于絕大多場合，包括高、低溫(-200℃～+700℃)和高、低壓(真空～25MPa)，由相應的金屬骨架材料制造的波齒復合墊片可用于包括大多數(shù)腐蝕性流體在內的各種場合。
(6)經(jīng)濟性。波齒復合墊片是一種經(jīng)濟型墊片。尤其是在石油化工和電廠中各種油品、蒸氣等非腐蝕性流體場合，采用由碳鋼構成的波齒復合墊代替纏繞式墊片或齒形墊等可為用戶節(jié)省費用。
2 燃氣系統(tǒng)密封墊片選用的一般建議
燃氣系統(tǒng)介質的工況比較特殊，雖然燃氣系統(tǒng)的實際操作參數(shù)如溫度、壓力等不高，但燃氣系統(tǒng)的不少介質本身屬于易燃、易爆甚至有毒的氣體，如果密封不良會引起嚴重的后果。因此必須從安全角度對密封墊片的選擇給予足夠的重視。
傳統(tǒng)的石棉橡膠板盡管有一定的密封性，材料來源廣泛，價格便宜，又便于現(xiàn)場制作。因而過去在各工業(yè)部門的很多場合，包括燃氣系統(tǒng)曾大量使用。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，各工業(yè)部門尤其是石油化工系統(tǒng)(包括燃氣系統(tǒng))對密封墊片的性能提出了更高要求。由于石棉橡膠板的材料容易受到石油化工系統(tǒng)介質的侵蝕而損壞zui終影響密封的使用壽命，因此在密封領域新材料不斷涌現(xiàn)的情況下，以往的石棉橡膠板在石油化工及燃氣系統(tǒng)中的應用已愈來愈少，所以在燃氣系統(tǒng)中使用石棉橡膠作為墊片應綜合考慮，謹慎選用。
聚四氟乙烯作為密封墊片，其對介質的穩(wěn)定性是它zui突出的優(yōu)點，而且在通常的情況下密封性也是很好。問題是因其固有的冷流性在很大程度上影響發(fā)它的使用。特別在溫度較高、壓力較高的場合或壓力、溫度波動或管道配置情況較為復雜的時候，因冷流性而導致應力松馳zui終會影響它的密封壽命。因此這種墊片通?？稍诔叵?、壓力不高或溫度、壓力穩(wěn)定的場合視其對密封的要求高低綜合考慮后使用。
理論上膨脹石墨纏繞式墊片在材料及性能上均能滿足燃氣系統(tǒng)的使用要求，尤其是在壓力、溫度較高的及參數(shù)波動情況下采用膨脹石墨纏繞墊片效果也比較好，但是正如前面所述由于纏繞式墊片存在容易“散架”和“壓潰”的缺陷，在選用時應根據(jù)法蘭的型式選擇相應的墊片型式，平面型和凸面型法蘭一定要選用帶內、外環(huán)型或外環(huán)型纏繞墊，凹凸面型法蘭應選用帶內環(huán)型纏繞墊?；拘屠p繞墊片只適用于榫槽法蘭，還要特別注意的是在低壓管道系統(tǒng)中選用纏繞式墊片必須考慮法蘭螺栓應力能否滿足墊片壓縮的要求，因為纏繞式墊片屬于半金屬型墊片，它要求較高的螺栓力，因此，纏繞式墊片一般只適用于中壓以上的法蘭，如在低壓法蘭上使用可能因螺栓力不足而無法獲得應有的密封效果。
高強石墨墊具有較好的密封性。因其膨脹石墨層較厚，對法蘭面的加工要求不高，適用于低壓場合使用，特別是可用來取代過去—般參數(shù)場合下使用的石棉橡膠板。
波齒復合墊片具有一系列與眾不同的特性使它具有廣泛的適應性，它既適用于高溫場合，也能適用于低溫甚至超低溫場合，既能在高壓達25.0MPa下使用，也可以在低壓和真空下使用，因為它的雙重密封機理中含有純石墨的非金屬材料密封層，這些石墨層使它在法蘭表面加工要求不高時也能達到良好的密封，而且它在壓縮應力很低的情況即能保持很高的密封性，因此在燃氣系統(tǒng)中使用時不論其參數(shù)如何均能獲得滿意的效果。波齒復合墊片自90年代初進入市場以來，已在石油、化工、電力、輕紡等各工業(yè)部門獲得廣泛的應用。實際應用的工況參數(shù)已從低壓至26MPa高壓，溫度從-96℃的空分系統(tǒng)至700℃的高溫裂解系統(tǒng)。墊片規(guī)格從DNl0的管道法蘭至DN2500的容器法蘭，波齒復合墊片在這些領域的應用均獲得用戶的高度評價。近幾年，波齒復合墊片亦已在燃氣系統(tǒng)獲得推廣應用，如佛山燃氣總公司從1999年開始來用波齒復合墊取得很好效果，目前已有省內包括廣州、佛山、韶關、東莞、中山、白云新機場等10多家燃氣系統(tǒng)的單位系用波齒復合墊片作為燃氣系統(tǒng)的法蘭墊片。
