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摘要：通过与金属包覆垫、缠绕垫的性能比较，阐述了波齿复合垫片的结构特点及优良的密封性能，并介绍该类垫片在装置中应用。
关键词：波齿复合垫 金属包覆垫 缠绕垫 密封 特殊结构
在化工生产过程中，密封失效导致法兰垫片泄漏，会给安全生产带来极大的危害。因此，法兰的密封是確保压力容器、管线法兰等设备安全的重要环节。目前，波齿复合垫以其特殊的结构特点和优良的密封性能，正逐渐代替缠绕垫、金属包覆垫，越来越多的被人们认可。
1 垫片的结构特点和分类
1.1 金属缠绕垫
金属缠绕垫是由薄金属波形带与柔性石墨、石棉带等非金属带交替叠绕，将金属带的始末点焊而成。金属缠绕垫片按结构型式分为四种：基本型、带内环型、带外环型、带内外环型。其中内、外环的作用在于增强钢带的承压性，避免基本型易压溃的情况。带内环型多用于凹凸面密封，压力等级越高的密封场合，缠绕垫的外环宽度也越大。折曲的金属带使垫片获得一定的弹性，在紧固时，钢带受压，发生弹性变形，从而使垫片的钢带和夹裹的非金属材料与法兰密封面之间保持足够的压紧力，使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的压差，即可达到密封效果。
1.2 金属包覆垫
金属包覆垫是一种复合垫片，它兼有金属和非金属的特点，具有强度高、韧性好、耐高温和抗腐蚀等特点。按垫片截面通常分为平面型包覆和波纹型包覆两种，是一种传统的使用较早的密封垫片，但回弹力有限，要求法兰表面平坦及紧固力很高才能达到良好密封效果。
1.3 波齿复合垫
波齿复合垫是以上、下表面加工成相互错开的波齿状同心圆沟槽的金属环为骨架，并复合一定厚度和密度的膨胀石墨材料而制成的。金属环即带尖齿又呈波纹状，因此它具有金属线接触密封和多道柔性石墨环的双重功能，其特殊的结构特点，确保该垫片具有优异的抗蠕变性，不存在散架、压扁和压溃现象，而且便于安装和定位。使用时，由于法兰的压紧力作用，复合在金属骨架上的石墨材料被压缩进入沟槽内，金属骨架上、下表面的环形齿峰与法兰面紧密接触，并在法兰的进一步压紧下垫片波形产生弹性变形，使膨胀石墨被高度压缩和封闭在金属骨架与法兰面之间所形成的环形密闭空间里。
2 垫片的性能特点
2.1 力学性能
压缩回弹性是垫片最基本的力学性能。螺栓、法兰、垫片连接结构的密封，本质上是通过垫片变形以增加流体阻力来实现的。因此，垫片的压缩回弹特性部分的反映了垫片表面与法兰密封面楔合形成的初始密封能力。在操作条件下，介质压力和温度的影响导致螺栓的伸长和法兰的变形，使法兰密封面与垫片间产生相对分离，垫片上的压紧力减小，这时，连接系统的紧密与否，在很大程度上反映了垫片回弹能力的好坏。可见，垫片的压缩回弹特性对密封连接系统的紧密性影响很大。从垫片材料补偿密封状态变化的能力来看，真正影响密封连接系统紧密性的是垫片的回弹量大小。
波齿复合垫的压缩率和回弹率均高于其他两类垫片，其回弹量也较大，力学性能要好于金属包覆垫和缠绕垫。
2.2 密封性能
密封性能是垫片的重要性能指标。螺栓、法兰和垫片组成的密封系统的紧密性由预紧和工作过程中的变形协调来实现。所以垫片的密封性不仅与垫片的材质有关，且与结构尺寸、密封结构形式、介质特性、介质压力和温度等特性有关，并且与螺栓、法兰和垫片在工作中的变形特性有关。
通常，刚性法兰的泄漏量与垫片的残余应力成线性关系，且随垫片上的残余应力的增大而减小，同时也随着介质压力的升高而增大。在同比压力下，垫片的回弹量越大，其残余应力也越大，相比而言波齿复合垫的残余应力最大。而且，波齿复合垫的膨胀石墨层易填补法兰面的缺陷部分，故其具有双重的密封效果，由此可见，在密封性能上波齿复合垫也优于金属包覆垫和缠绕垫。
3 在装置中的具体应用
3.1 在真空预浓缩器上的应用
中国石油塔里木油田公司石化分公司化肥装置真空预浓缩器与液位槽之间为凹凸面密封法兰，内径1300mm。在正常生产中，设备内部介质为浓度85.55%的尿液，压力0.03MPa，温度102℃。原使用的是带内环的聚四氟乙烯缠绕垫，在使用过程中出现垫片压溃的现象（见图4），导致设备泄漏。在2013年的大检修中将该垫片更换为波齿复合垫，金属骨架为316L材料，覆盖层为聚四氟乙烯材料（见图5），使用后再未出现泄漏情况，设备运行良好。
3.2 在真空浓缩器上的应用
化肥装置真空浓缩器的内径为1400mm，通过的介质是浓度96.03%的尿液，压力0.03MPa，温度134℃。该设备顶部连接的是一个内径1400mm的大弯管（见图6），弯管的另一端连接真空浓缩分离器，均采用凹凸面密封法兰，原使用的是金属包覆垫。由于弯管连接，需要照顾到两个密封面，安装后在密封契合度及螺栓连接的预紧力方面很难达到太高的标准，使金属包覆垫很容易压偏导致设备密封不良（见图7），产生泄漏。此处的泄漏，将影响到蒸发系统的真空度，导致真空抽不起来，且泄漏时空气进入设备内部，漏点不可见，不易查找，给装置开车造成很大影响。在2013年的检修中，也将该处的密封垫改为波齿复合垫，使用后效果很好，未出现泄漏问题。
4 结论
保证法兰连接密封的可靠性是确保化工装置长周期安全运行的必要条件，选择好的垫片是达到良好密封的重要环节。波齿复合垫以其双重密封和骨架一体的优良结构在力学性能和密封性能方面均优于缠绕垫和金属包覆垫，在化工生产中将得到更广泛的应用。
参考文献
[1] 胡尚铭，高金初.波齿复合垫的应用[J].炼油设计，1998，28（5）：35-36.
[2] 陈大秋，程绍武.波齿复合垫在我厂的应用[J]. 石油化工设备，1996，17（3）：10-12.
[3] 陈庆，陆晓峰，朱洪生. 金属缠绕垫片压缩回弹性能试验研究[J]. 石油化工设备，2000，29（5）：18-20.
关键词：波齿复合垫 金属包覆垫 缠绕垫 密封 特殊结构
在化工生产过程中，密封失效导致法兰垫片泄漏，会给安全生产带来极大的危害。因此，法兰的密封是確保压力容器、管线法兰等设备安全的重要环节。目前，波齿复合垫以其特殊的结构特点和优良的密封性能，正逐渐代替缠绕垫、金属包覆垫，越来越多的被人们认可。
1 垫片的结构特点和分类
1.1 金属缠绕垫
金属缠绕垫是由薄金属波形带与柔性石墨、石棉带等非金属带交替叠绕，将金属带的始末点焊而成。金属缠绕垫片按结构型式分为四种：基本型、带内环型、带外环型、带内外环型。其中内、外环的作用在于增强钢带的承压性，避免基本型易压溃的情况。带内环型多用于凹凸面密封，压力等级越高的密封场合，缠绕垫的外环宽度也越大。折曲的金属带使垫片获得一定的弹性，在紧固时，钢带受压，发生弹性变形，从而使垫片的钢带和夹裹的非金属材料与法兰密封面之间保持足够的压紧力，使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的压差，即可达到密封效果。
1.2 金属包覆垫
金属包覆垫是一种复合垫片，它兼有金属和非金属的特点，具有强度高、韧性好、耐高温和抗腐蚀等特点。按垫片截面通常分为平面型包覆和波纹型包覆两种，是一种传统的使用较早的密封垫片，但回弹力有限，要求法兰表面平坦及紧固力很高才能达到良好密封效果。
1.3 波齿复合垫
波齿复合垫是以上、下表面加工成相互错开的波齿状同心圆沟槽的金属环为骨架，并复合一定厚度和密度的膨胀石墨材料而制成的。金属环即带尖齿又呈波纹状，因此它具有金属线接触密封和多道柔性石墨环的双重功能，其特殊的结构特点，确保该垫片具有优异的抗蠕变性，不存在散架、压扁和压溃现象，而且便于安装和定位。使用时，由于法兰的压紧力作用，复合在金属骨架上的石墨材料被压缩进入沟槽内，金属骨架上、下表面的环形齿峰与法兰面紧密接触，并在法兰的进一步压紧下垫片波形产生弹性变形，使膨胀石墨被高度压缩和封闭在金属骨架与法兰面之间所形成的环形密闭空间里。
2 垫片的性能特点
2.1 力学性能
压缩回弹性是垫片最基本的力学性能。螺栓、法兰、垫片连接结构的密封，本质上是通过垫片变形以增加流体阻力来实现的。因此，垫片的压缩回弹特性部分的反映了垫片表面与法兰密封面楔合形成的初始密封能力。在操作条件下，介质压力和温度的影响导致螺栓的伸长和法兰的变形，使法兰密封面与垫片间产生相对分离，垫片上的压紧力减小，这时，连接系统的紧密与否，在很大程度上反映了垫片回弹能力的好坏。可见，垫片的压缩回弹特性对密封连接系统的紧密性影响很大。从垫片材料补偿密封状态变化的能力来看，真正影响密封连接系统紧密性的是垫片的回弹量大小。
波齿复合垫的压缩率和回弹率均高于其他两类垫片，其回弹量也较大，力学性能要好于金属包覆垫和缠绕垫。
2.2 密封性能
密封性能是垫片的重要性能指标。螺栓、法兰和垫片组成的密封系统的紧密性由预紧和工作过程中的变形协调来实现。所以垫片的密封性不仅与垫片的材质有关，且与结构尺寸、密封结构形式、介质特性、介质压力和温度等特性有关，并且与螺栓、法兰和垫片在工作中的变形特性有关。
通常，刚性法兰的泄漏量与垫片的残余应力成线性关系，且随垫片上的残余应力的增大而减小，同时也随着介质压力的升高而增大。在同比压力下，垫片的回弹量越大，其残余应力也越大，相比而言波齿复合垫的残余应力最大。而且，波齿复合垫的膨胀石墨层易填补法兰面的缺陷部分，故其具有双重的密封效果，由此可见，在密封性能上波齿复合垫也优于金属包覆垫和缠绕垫。
3 在装置中的具体应用
3.1 在真空预浓缩器上的应用
中国石油塔里木油田公司石化分公司化肥装置真空预浓缩器与液位槽之间为凹凸面密封法兰，内径1300mm。在正常生产中，设备内部介质为浓度85.55%的尿液，压力0.03MPa，温度102℃。原使用的是带内环的聚四氟乙烯缠绕垫，在使用过程中出现垫片压溃的现象（见图4），导致设备泄漏。在2013年的大检修中将该垫片更换为波齿复合垫，金属骨架为316L材料，覆盖层为聚四氟乙烯材料（见图5），使用后再未出现泄漏情况，设备运行良好。
3.2 在真空浓缩器上的应用
化肥装置真空浓缩器的内径为1400mm，通过的介质是浓度96.03%的尿液，压力0.03MPa，温度134℃。该设备顶部连接的是一个内径1400mm的大弯管（见图6），弯管的另一端连接真空浓缩分离器，均采用凹凸面密封法兰，原使用的是金属包覆垫。由于弯管连接，需要照顾到两个密封面，安装后在密封契合度及螺栓连接的预紧力方面很难达到太高的标准，使金属包覆垫很容易压偏导致设备密封不良（见图7），产生泄漏。此处的泄漏，将影响到蒸发系统的真空度，导致真空抽不起来，且泄漏时空气进入设备内部，漏点不可见，不易查找，给装置开车造成很大影响。在2013年的检修中，也将该处的密封垫改为波齿复合垫，使用后效果很好，未出现泄漏问题。
4 结论
保证法兰连接密封的可靠性是确保化工装置长周期安全运行的必要条件，选择好的垫片是达到良好密封的重要环节。波齿复合垫以其双重密封和骨架一体的优良结构在力学性能和密封性能方面均优于缠绕垫和金属包覆垫，在化工生产中将得到更广泛的应用。
参考文献
[1] 胡尚铭，高金初.波齿复合垫的应用[J].炼油设计，1998，28（5）：35-36.
[2] 陈大秋，程绍武.波齿复合垫在我厂的应用[J]. 石油化工设备，1996，17（3）：10-12.
[3] 陈庆，陆晓峰，朱洪生. 金属缠绕垫片压缩回弹性能试验研究[J]. 石油化工设备，2000，29（5）：18-20.