垫片密封的原理和结构简介

（1）垫片密封的原理 垫片必须能够密封结合面，使密封介质不渗透和不被密封介质腐蚀，并能经受温度和压力等的作用。就垫片密封而言，通常密封流体在垫片结合处的泄漏情况如图2-1所示。

图2-1 垫片泄漏形式

一是两连接表面（即密封面），从机械加工的微观纹理来看表面粗糙度和变形，它们与垫片之间总是存在泄漏通道，由此产生的流体泄漏称为界面泄漏，其泄漏量占总泄漏量的80%～90%。

二是对非金属材质而言，从材料的微观结构来看，本身存在微小缝隙或细微的毛细管，具有一定压力的流体自然容易通过它们渗漏出来，此称为渗透泄漏，它占到总泄漏量的10%～20%。

当夹紧垫片的总载荷因各种原因减少到几乎等于作用在连接件端部的流体静压力时，会导致密封面的分离。这时若增加密封面的压力，则对于机械完整性很差的垫片，如操作期间材料性能发生劣化，则沿垫片径向作用的流体压力会将其撕裂，引起密封流体的大量泄漏，此被称为吹出泄漏，它属于一种事故性泄漏。

对于渗透泄漏通常可采用不同材料的复合或机械组合形成不渗透性结构，或者使用较大的夹紧力使材料更加密实，减少或消除泄漏。而对于界面泄漏和事故性泄漏则与垫片材料的性质、接头的机械特征、密封面的性质与状态、密封流体的特性及紧固件夹紧程度有关。它们也是解决垫片密封设计、安装、使用及失效分析等问题的关键。

垫片密封是靠外力压紧密封垫片，使其本身发生弹性或塑性变形，以填满密封面上的微观凹凸不平来实现密封的，也就是利用密封面上的比压使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的介质压力差来实现密封。它包括初始密封和工作密封两部分。初始密封即垫片用于对两个连接件密封面产生初始装配密封和保持工作密封。理论上如果密封面完全光滑、平行，并有足够的刚度，它们可直接用紧固件夹持在一起，不用垫片即可达到密封的目的（即直接接触密封）。但实际上，连接件的两个密封面上存在表面粗糙度，也不是绝对平行的，刚度也是有限的，加上紧固件的韧性不同及分散排列，因此垫片接受的载荷是不均匀的。为弥补不均匀的载荷和相应变形，在两连接密封面间插入垫片，使之适应密封面的不规则性，以达到密封的目的。显然，产生初始密封的基本要求是使垫片压缩，在密封面间产生足够的压紧力，即垫片预紧应力（也称初始密封比压），以阻止介质通过垫片本身的渗漏；同时保证垫片对连接件有较大的适应性，即垫片压缩后产生弹性或塑性变形，能够填塞密封面的变形及因其表面粗糙而出现的微观凹凸不平，以堵塞介质泄漏的通道。当初始垫片应力加在垫片上之后，它必须在装置的设计寿命内保持足够的压紧应力，以维持允许的密封度。因为当接头受到流体压力作用时，密封面将被迫发生分离，此时要求垫片能释放出足够的弹性应变能，以弥补这一分离量，并且留下足以保持密封所需要的工作垫片应力，这就是工作密封的概念。此外，这一弹性应变能还要补偿装置在长期运行过程中任何可能发生的垫片应力的松弛，因为各种垫片材料在长期的应力作用下，都会发生不同程度的应力降低。此外，接头不均匀的热变形，例如连接件与紧固件材料的不同、热膨胀系数不同、引起各自的热膨胀量不同，也会导致垫片应力的降低或升高；或者紧固件因受热引起应力松弛而使作用在密封垫片上的应力减少等。

任何形式的垫片密封，首先要在连接件的密封面与垫片表面之间产生一种垫片预紧力，其大小与装配垫片时的“预紧压缩量”及垫片材料的弹性模量等有关，而其分布状况与垫片截面的几何形状有关。理论上垫片预紧应力愈大，垫片中贮存的弹性应变能也愈大，因而可用于补偿分离或松弛的余地也就愈大，当然要以密封材料本身最大弹性变形能力为极限。就实际使用而言，垫片预紧应力的合理取值取决于密封材料与结构、密封要求、环境因素、使用寿命及经济性等。

（2）垫片密封的结构 典型的垫片密封结构，一般由连接件、垫片和紧固件等组成。垫片工作正常或失效与否，除了取决于设计选用的垫片本身的性能，还取决于密封系统的刚度和变形、结合面的表面粗糙度和不平行度、紧固载荷的大小和均匀性等。

中、低压设备和管道的垫片密封主要是如图2-2所示的法兰连接密封，其连接件和紧固件主要是法兰和联接螺栓、螺母等。法兰密封面的形式、大小与垫片的形式、使用场合及工作条件有关。常用的法兰密封面形式有全平面、凸面、凹凸面、榫槽面和环连接面（或称梯形槽）等几种，如图2-3所示。其中以凸面、凹凸面、榫槽面最为常用。

图2-2 垫片-螺栓-法兰连接

1—法兰 2—垫片 3—螺栓螺母(www.xing528.com)

图2-3 法兰密封面形式

a）全平面 b）凸面 c）凹凸面 d）榫槽面 e）环连接面

对全平面的法兰，垫片覆盖了整个法兰密封面，由于垫片与法兰的接触面积较大，在给定的螺栓载荷下垫片上的压缩应力较低，因此全平面法兰适用于柔软材料垫片或铸铁、搪瓷、塑料等低压法兰的场合。

对于凸面法兰，尽管为了定位需要垫片的外径通常延伸到与螺栓接触，但起密封作用的仅是螺栓圆以内法兰凸面与垫片接触的部分，因此相对同样螺栓载荷下的全平面法兰而言，它能产生较高的垫片应力，适用于较硬垫片材料和较高压力的场合。凸面结构简单、加工方便、装拆容易，且便于实施防腐衬里工序。压紧面可做成平滑的，也可以在压紧面上开2～4条，宽×深为0.8mm×0.4mm，截面为三角形的周向沟槽。这种带沟槽的凸面能较为有效地防止非金属垫片被挤出压紧面，因而适用范围更广。一般完全平滑的凸面适用于公称压力PN≤2.5MPa场合，带沟槽后容器法兰可用至6.4MPa，管法兰甚至可用至25～42MPa，但随公称压力的提高，适用的公称直径相应减小。各种非金属垫片、包覆垫、金属包垫、缠绕式垫片等均可用于该密封面。

凹凸形密封面法兰由一凹和一凸两法兰相配而成，垫片放于凹面内。其优点是安装时易于对中，能有效地防止垫片被挤出，并使垫片免于遭受吹出。其密封性能好于凸面密封面，可适用于PN≤6.4MPa的容器法兰和管法兰。但对于操作温度高，密封口直径大的设备，使用该种密封面时，垫片仍有被挤出的可能，此时可采用榫槽面法兰或带有两道止口的凹凸面法兰等加以解决。各种非金属垫片、包覆垫、金属包垫、缠绕式垫片、金属波形垫、金属平垫、金属齿形垫等均适用于该密封面。

榫槽形密封面法兰比凹凸形密封面法兰的密封面更窄，它是由一榫面和一槽面相配合而成的，垫片置于槽内。由于垫片较窄，压紧面积小，且因受到槽面的阻挡，垫片不会挤出压紧面，受介质冲刷和腐蚀的倾向少，安装时也易于对中，垫片受力均匀，密封可靠。可用于高压、易燃、易爆和有毒介质等对密封要求严格的场合，当公称压力PN为20MPa时，可用于公称直径DN为800mm的场合。当压力更低时，则可用于直径范围更大的场合，但该种密封面的加工和更换垫片比较困难。金属或非金属平垫、金属包垫、缠绕式垫片都适用于该种密封结构。

环连接面法兰是与椭圆形或八角形的金属垫片配合使用的。它靠梯形槽的内外锥面和金属垫片形成线接触而达到密封，具有一定的自紧作用，密封可靠。适用于压力和温度存在波动、介质渗透性大的场合，允许使用的最大公称压力为70MPa。梯形槽材料的硬度值比垫圈材料硬度高30～40HBW。

除了上述的密封面形式外，还有配用O形环、透镜垫等特殊形式的密封面，如图2-4所示。它在单面法兰上开一环形凹槽，内装垫片，螺栓预紧后，两法兰直接接触。这种结构的主要特点是将垫片压缩到预定厚度后，继续追加螺栓载荷直至两法兰面直接接触。所以当存在介质压力和温度波动时，垫片上的密封载荷不发生变化，以保证接头保持在最佳的泄漏控制点，同时螺栓也不承受循环载荷，减少了发生疲劳或松脱的危险。显然，它还减少了法兰的转角。

图2-4 金属与金属接触

对于任何一种法兰密封面，其表面粗糙度是影响密封性能的重要因素之一。在各种法兰标准中虽然对其密封面的表面粗糙度有要求，但因垫片种类繁多，对表面粗糙度的要求不同，无法做出统一规定。因此应根据所用垫片的不同，提出不同的要求，具体可查相关标准。

法兰密封面在机械加工后，表面的切削纹路对密封也有一定的影响，通常有同心圆和螺旋形线两种。显然前者对密封是有利的，但不容易做到。另外，绝不允许有横跨内外的径向划痕，以免形成直接泄漏的通道。