浅谈金属缠绕垫片

宋新军 甄继夏

摘 要：本文介绍了金属缠绕垫片生产制造、密封原理、密封过程的变化。

关键词：金属缠绕垫;制造;密封;压散

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.033

1 引言

随着现代化工业不断发展，特别是近代化工行业、核能工业、电力工业等的飞速发展，这些行业所用的设备装置也不断的向更高温、更高压和大型化、对设备的密封不断提出新的要求。

金属缠绕垫片巧妙的利用了金属材料的耐热性、回弹性、强度和非金属材料的柔软性，具有良好的密封性能，广泛应用于压力和温度波动较大的场合。特种设备安全技术规范TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中3.2.5条中明确规定盛装液化石油气、毒性危害程度为极度和高度危害介质以及强渗透性中度危害介质的压力容器的管法兰垫片选用带加强环的金属缠绕垫。可见金属缠绕垫片的重要性。然而实际应用过程常出现泄漏、散架等失效问题。我们可以通过对金属缠绕垫片生产制造、密封原理、密封过程变化的了解，从而减少和避免垫片失效而引起的安全事故。

2 金属缠绕垫制造

金属缠绕垫是由厚度为0.15～0.2mm的金属薄带（08F、0Cr19Ni9、

蒙乃尔合金等）和填充带（柔性石墨、聚四氟乙烯等）交替缠绕而成螺旋状，将金属带的始末端点焊而成。国外亦称作螺旋垫。钢带剖面形状有W形和V形。W形加工困难，国内绝大部分使用V形。

3 影响金属缠绕垫密封性能因素

3.1 材料

许多金属材料可用于制造缠绕式垫片的金属绕带。金属材料的选用材料性质与使用工况。操作温度和介质的腐蚀性质是选择关键因素。填充带材料的选用取决于材料的耐化学腐蚀和温度的性能。过去用石棉纸板。鉴于石棉材料的限制和禁用，柔性石墨板成为缠绕式垫片现最常用的材料。陶瓷纤维纸具有抗高温氧化作用，所以用于超过柔性石墨最高使用温度场合。层片状蛭石纸具有在极其高温工况下仍保持良好密封特性，且具有优良的耐化学腐蚀性。缠绕式垫片的最大使用温度取决于金属绕带和填充带的最高使用温度。

3.2 型式

缠绕垫有四种类型如图2，A形为基本型;B形为带内环型;C形为带外环型;D形为带内、外环型。A型缠绕式垫片，主要用于榫槽面密封结构，槽面的内外环可以限缠绕式垫片在过分压缩情况地度变形。B型缠绕式垫片，主要用于凹凸面密封结构，内环可以阻止部分物料对垫片的腐蚀、冲损等影响。也可限制垫片在压缩过程中，由于变形不均而被压散。C型缠绕式垫片和D型缠绕式垫片，主要用于突面或全平面密封结构，外环具有对中定位的作用也称定位环或对中环。

3.3 缠绕密度

在制造缠绕式垫过程中，利用一定的压紧力将金属带和填充带缠绕在一起。由于缠绕过程中的压紧力的大小不同，垫片缠绕的松紧程不同，也就是缠绕密度，即单位垫片宽度具有不同的缠绕圈数。对于具有同一种缠绕垫片，由于不同缠绕密度，当受到相同的压缩载荷时，其压缩变形是不同的。这就要根据不同的设计工况，设计不同缠绕密度垫片。对于高压力工况下，需要密度高的缠绕垫片，以适应较高的螺栓载荷;反之，低压力工况下，只需密度稍低的缠绕垫片。据此，对于不同压力工况下，同样尺寸法兰应用具有不同的缠绕密度的垫片。

3.4 垫片宽度

在一定宽度范围内，垫片泄漏率与其宽度呈线性反函数关系;然而当垫片超过某一定宽度时，泄漏率变化不大，而与介质渗透性和设备压力有关。在有一定宽度内，介质泄漏阻力与介质泄漏流道长度成正比，也就是与垫片宽度成正比。故同种垫片一定宽度内，其泄漏率与垫片宽度的呈反函数关系，而宽度超过某一值时，泄漏率变化不大。图3为密封气体介质时垫片宽度与泄漏率对应图。

然而，垫片愈宽，密封所需的压紧力愈大，连接件的强度、刚度要求高，结构相对笨重。因此，在保证密封性能的前提下，只要垫片不被压坏，宽度窄些为好，垫片在预紧时承受最大压紧力的作用，此时为了避免垫片发生过度预紧而被压坏，需要一个最小的垫片宽度，通常需保证垫片单位有效密封面积上的压紧力不超多4倍的垫片比压力y。

垫片的压缩回弹性设备或管道投入运转后，由于介质压力作用和温度的变化，使垫片上压紧应力下降。为了保证密封，除了结构设计上给充分考虑之外，垫片本身的补偿是十分重要，依靠垫片的回弹能力进行补偿也是最经济、有效的途径。所以，回弹性能的好坏将直接影响密封效果。以垫片厚度的压缩变形量为横坐标，以垫片的压缩应力为纵坐标，如果垫片加载与卸载时，压缩量与压缩应力的关系曲线即压缩-回弹曲线发生重复，（如图4）则认为垫片是理想的，为完全弹性体。事实上，垫片不仅具有一定的弹性而且也具有塑性，垫片工作时如果受压超过一定的范围，将会产生部分的塑性变形。图5为基本型缠绕压缩-回弹曲线，图6为带内外环的柔性石墨缠绕垫压缩-回弹曲线。带内外环的柔性石墨缠绕垫回弹性能较好，二次压缩后回弹量衰减不大。

4 影响金属缠绕垫压散因素

金属缠绕式垫片在安装和操作条件下时常会出现压散现象，垫片报废不能使用。通过对金属缠绕式垫片的研究可发现这与该种垫片的多种因素特点有关。

主要因素可以分为安装因素、工作环境因素、缠绕垫材料因素。

（1）安装因素。垫片在安装时，拧紧螺栓时拧螺栓顺序不合理或紧固力矩不均匀，易将缠绕垫压偏，另一方面拧紧螺栓时过度紧固造成缠绕垫压缩过渡这两种情况均易造缠绕垫压散。

拧紧螺栓一般经多次回进行，第一轮是手动拧紧所有螺母，检查沿法兰圆周间隙是否均匀（如果间隙不合理，给予适当调整）。第二轮按对角交叉顺序拧紧，拧紧每一螺母至全部力矩值的20%～30%，检查沿法兰圆周间隙是否均匀（如果间隙不合理，给予适当调整）。第三轮按顺时针依次拧紧，拧紧每一螺母至全部力矩值的50%～70%，检查沿法兰圆周间隙是否均匀（如果间隙不合理，给予适当调整）。第四轮按顺时针依次拧紧，拧紧每一螺母至全部力矩值，检查沿法兰圆周间隙是否均匀（如果间隙不合理，给予适当调整）。第五轮按顺时针依次拧紧，直到螺母在全力矩值下不再转动。

防止缠绕垫压缩过度，需要通过测量两法兰间距，进行控制缠绕垫压缩量，对于4.5mm厚的垫片，推荐压缩到3.2～3.4mm厚度;对于3.2mm厚的垫片，推荐压缩到2.3～2.5mm厚度。

（2）工作环境因素。在较高的温度或（和）严重热瞬变工况下，由制成缠绕垫的金属材料和非金属材有不同的热膨胀系数，在较高的温度和较大的温度梯度下，金属材料和非金属材膨胀量不同，应力过大，缠绕式垫片的径向向内翘曲，导致垫片内径处金属绕带分离或爆，造成垫片压散。

（3）缠绕垫材料因素。由于缠绕垫中的非金属缠绕带多数为压缩量较小的材料，在法兰预紧时，由于金属缠绕带与非金属绕带变形不协调导致垫片压散。

在结构允许的情况下，除了保证螺栓预紧均匀，预紧力适中情况下，安装内环可以较可效的防止金属缠绕垫压散。

5 结语

金属缠绕垫具有良好的回弹性，适用于压力温度有波动、螺栓载荷有松弛、热冲击和振动的场合;金属缠绕垫有很好的普适性，在石油、化工、造纸、电力等工业获得广泛应用。通过对垫片的制造，密封原理、密封特性等方面的了解，在设计计算和实际使用过程中，会更好的利用、发挥金属缠绕垫的优点。

参考文献：

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