垫片的介绍与选择
一、垫片密封失效的原因分析
垫片密封失效主要表现在密封面间的泄漏。由垫片本身的毛细管作用而发生渗漏的可能性很小。垫片靠外力压紧后，垫片靠本身的回弹性填满密封面上微小的凸凹不平的间隙，当介质通过密封面的阻力大于密封2侧的压差时，即达到密封。但受到外界条件影响时，密封受到破坏，从而使垫片密封失效产生泄漏。垫片密封失效的原因主要有5个方面。
1、介质的操作参数问题
操作参数即介质的压力、温度及介质的理化性质。石油化工生产中的大多数介质操作条件都是中、低压，往往单纯的压力和介质因素对垫片泄漏的影响并不是很大，只有在操作压力、操作温度和介质理化特性联合作用时，才会导致垫片密封失效问题。
介质在高温下粘度小，渗透性强，易促成渗漏。常温下粘度大的蜡油、重油等，在高温时有很强的渗透性，对垫片的腐蚀作用也加剧。同时在高温时，法兰、 螺栓和垫片可能发生蠕变和应力松弛，致使密封松懈，密封比压下降。一些非金属垫片在高温下加速老化或变质，甚至被烧毁，回弹量将下降，这样势必影响密封。又由于密封组合件各部位的温度不同，热膨胀不均匀，增加了垫片密封失效的可能。若温度反复变化时，密封失效的可能性更大。
2、螺栓预紧力不当
螺栓预紧力与垫片的密封能力有很大的关系。预紧力过小，垫片没有压紧会造成泄漏，过大的螺栓预紧力，会使垫片失去弹性而发生塑性变形，甚至会将垫片压坏或挤出，导致密封失效。螺栓预紧力的大小在于垫片系数与预紧比压值的选择及其准确性，实际安装中，控制螺栓预紧力的大小很难，螺栓拧紧顺序不当，也可造成垫片弯曲变形或缠绕垫片解体。
另外，在装置开工升温过程中，由于螺栓热膨胀，如果不及时对法兰螺栓进行预紧，也会导致间隙过大而产生泄漏，一旦泄漏，高温热介质喷出，会造成垫片表面损坏，导致垫片失效。
垫片在使用一段时间后还应再紧1次螺栓，这对高温和有温度冷热循环变化的使用场合尤为重要。
3、垫片材料不匹配
垫片材料是影响垫片性能的主要因素，垫片材料应当致密，不易浸渍介质。适宜的垫片变形和回弹力是形成密封的必要条件，垫片变形包括弹性变形和塑性变形。同时可耐受温度、压力波动和介质腐蚀，如果垫片材料具有良好的弹性和柔软性，就能很好地与密封面吻合，不因低温而硬化，也不因高温而软化或塑流，自然密封效果好。
4、法兰刚度、 法兰与垫片的硬度差问题
法兰因刚度不足而产生过大的翘曲变形，往往是导致垫片密封失效的原因之一。刚度大的法兰变形小，并可使螺栓预紧力均匀地传递给垫片，提高垫片密封性能。但法兰刚度与很多因素有关，其中增加法兰厚度，减小螺栓中心圆径，都能提高法兰抗弯刚度及抗变形能力。
垫片的硬度应低于法兰硬度，在允许范围内，二者之间相差越大，实现密封就越容易。
5、密封面没有达到相应要求
法兰密封面的形状和粗糙度应与垫片相配合，一般与金属垫圈接触的密封面，要求尺寸精度很高，粗糙度在Ra6.3～3.2，而软质垫片的密封面精度可低些，粗糙度Ra25～12.5即可。但密封面必须避免径向机械刻痕、毛刺和其他机械损伤。
密封面的平直度和密封面与法兰轴线的垂直度是保证垫片均匀压紧的前提，因此在设计、安装时必须考虑管线热膨胀造成的推力或偏心力的影响。
密封面不洁净，有机械损伤和腐蚀损坏以及残留的旧垫片，也会导致垫片密封失效。
二、预防垫片密封失效的措施
由于垫片密封失效问题轻则引起静密封点的跑、冒、滴、漏，严重者可能造成装置停工，甚至造成重大的火灾、爆炸、中毒等安全事故。要防止垫片失效，必须注意3个方面的问题。
1、合理选用垫片
合理选用垫片，必要时将垫片升级使用，对于输送易燃、易爆、有毒及强腐蚀介质的设备、容器、管线上，不允许使用石棉橡胶垫片，应根据操作条件来提高垫片的耐温、耐压等级，即选用更高温度压力等级的垫片；对于有应力松弛，压力、温度波动的介质，即使中低压场合，也应选用具有良好的回弹性的耐高温高压的缠绕式垫片。使用金属垫片时，应在完全退火的状态下使用，尽可能选用较软的金属材料，金属垫片的硬度宜比法兰硬度低HB30～40。
2、正确的安装垫片
安装时垫片和法兰表面要保持洁净；应检查垫片表面是否有径向的划痕，法兰表面粗糙度是否合适，法兰面的凸台是否对准；密封平面的平行度是否满足使用垫片型式的要求；检查垫片的形式、材料、尺寸和螺栓是否符合规定的要求；安装时将垫片放人正确的位置，螺栓须对称逐渐拧紧，如需一定的螺栓应力，则应使用力矩扳手，以获得正确的螺栓预紧力。
3、垫片应合理储存
非金属垫片必须储存于干燥凉爽的地方，不要直接暴露于阳光下或有臭氧的地方，应该平放而不能挂在钩上，储存期超过一年须检查是否已经变质；储存垫片的箱盒必须标明垫片的材料、形式、尺寸、及温度、压力等级等技术数据，以免用错。
三、选择时的注意事项
正确选用密封垫片是保证设备无泄漏之关键。对于同一种工况，一般有若干种垫片可供选择。必须根据介质的物性、压力、温度和设备大小、操作条件、连续运转周期长短等情况，合理地选择垫片，扬长避短，充分发挥各种垫片的特点。
选择垫片时，应充分考虑下列因素：
(1)有良好的弹性和恢复性，能适应压力变化和温度波动;
(2)有适当的柔软性，能与接触面很好地贴合;
(3)不污染工艺介质;
(4)有足够的韧性而不因压力和紧固力造成破环;
(5)低温时不硬化，收缩量小;
(6)加工性能好，安装、压紧方便;
(7)不粘结密封面、拆卸容易;
(8)价格便宜，使用寿命长。
在垫片的使用中，压力和温度二者是相互制约的，随着温度的升高，在设备运转一段时间后，垫片材料发生软化、蠕变、应力松弛现象，机械强度也会下降，密封的压力降低。反之亦然。例如，手册上列举高压石棉橡胶板XB450在水、蒸汽介质中，使用温度450℃、压力<6MPa(该材料作密封性能试验时，在440℃~450℃、12MPa的蒸汽中保压30分钟)。但在长期实际使用中，温度若达到450℃，所能密封的压力仅0.3~0.4MPa。对于渗透性强的气体介质则仅有0.1~0.2MPa。
上述情况，在选用时应予以充分考虑。
四、 垫片种类介绍
1、工业橡胶板
（1）工业橡胶板简介
橡胶板材作为法兰垫片，多用于管道或经常拆卸的人孔、手孔，压力不超过1.568MPa。因在各类垫片中，橡胶垫片最软，贴合性能好，在较小的预紧力下就能发挥密封效果。正因如此，在承受内压时，因垫片偏厚或硬度偏低而容易被挤出。
橡胶板材在苯、酮、醚等有机溶剂中使用，易出现溶胀、增重、变软、发粘现象，导致密封失效。一般溶胀度超过30%就不能使用。
在低压(尤其是0.6MPa以下)、真空情况下，采用橡胶垫较为适宜。橡胶材料致密性好，透气率低。例如氟橡胶，最适宜作真空容器的密封垫片，真空度最高可达1.3×10-7Pa。橡胶垫在10-1~10-7Pa真空度范围使用时，需经烘焙和抽气处理。
（2）工业橡胶板材料和选用
天然橡胶适用于水、海水、空气、惰性气体、碱类、盐类水溶液等介质，但不耐矿物油和非极性溶剂，长期使用温度不超过90℃，低温性能优异，可在-60℃以上使用。
丁腈橡胶适用于石油类产品，如石油、润滑油、燃料油等，长期使用温度为120℃，如在热油中可耐150℃，低温为-10~-20℃。
氯丁橡胶适用于海水、弱酸、弱碱、盐溶液，耐氧和臭氧老化性能优异，耐油性次于丁腈橡胶而优于其他通用橡胶，长期使用温度低于90℃，最高使用温度不超过130℃，低温为-30~-50℃。
氟橡胶有多个品种，它们分别具有良好的耐酸、耐氧化性能以及耐油、耐溶剂性能。可以在几乎所有的酸类介质以及一些油和溶剂中使用，长期使用温度低于200℃。
2、石棉橡胶板
（1）石棉橡胶板简介
价格较其它垫片低，使用方便;最大问题是：垫片材料虽然加入了橡胶和一些填充剂，仍无法将那些串通的微小孔隙完全填满，存在微量渗透。故在污染性极强的介质中，即使压力、温度不高也不能使用。当用于一些高温油类介质时，通常在使用后期，由于橡胶和填充剂碳化，强度降低，材质变疏松，便在界面和垫片内部产生渗透，出现结焦和发烟现象。另外，石棉橡胶板在高温下易粘结在法兰密封面上，给更换垫片带来了许多麻烦。
石棉橡胶板含有氯离子和硫化物，吸水后容易与金属法兰形成腐蚀原电池，尤其是耐油石棉橡胶板中硫磺含量高出普通石棉橡胶板好几倍，故在非油性介质中不宜使用。垫片在油品和溶剂类介质中会发生溶胀现象，但在一定范围内，对密封性能基本没有什么影响。例如，400号耐油石棉橡胶板在常温航空燃油中作24小时浸泡试验，要求因吸油重量增加不得超过15%。
（2）石棉橡胶板的强度保持率分析
在受热状态下，垫片在各种介质中的使用压力取决于垫片材料的强度保持率。石棉纤维材料中存在着结晶水和吸附水。110℃时，纤维之间的吸附水已有2/3析出，纤维的抗拉强度约降低10%;368℃时，吸附水全部析出，纤维的抗拉强度约降低20%;超过500℃，结晶水开始析出，强度则更低。介质对石棉橡胶板的强度影响也很大。例如，在航空润滑油和航空燃油中，400号耐油石棉橡胶板横向抗拉强度相差80%，这是由于航空燃油对板材中橡胶的溶胀比航空润滑油严重之故。
（3）石棉橡胶板使用范围
考虑到上述因素，国产石棉橡胶板XB450的推荐安全使用范围：温度250℃~300℃，压力3~3.5MPa;400号耐油石棉橡胶板使用温度不宜超过350℃。
3、聚四氟乙烯
（1）在法兰上的使用
聚四氟乙烯的摩擦系数较小(压紧应力大于4MPa，摩擦系数为0.035~0.04)，预紧时垫片易向外滑移，所以最好采用凹凸式法兰面。当采用平面法兰时，可将垫片外径接触螺栓，利用螺栓阻止垫片外滑。由于搪玻璃设备是在金属表面喷涂了一层瓷釉后烧结而成的，釉层很脆，加之喷涂不均匀和釉层流动，法兰表面平面度较差。采用金属复合型垫片易损坏釉层，所以推荐使用芯材由石棉板加橡胶的聚四氟乙烯包垫。这种包垫既容易与法兰面贴合又耐腐蚀，使用效果良好。
有许多厂在温度、压力不高的强腐蚀介质中，采用石棉橡胶板外缠聚四氟乙烯生料带，用于经常拆卸的人孔、管道上。由于制作、使用方便，颇受欢迎。
（2）使用范围
聚四氟乙烯在受压及高温下易冷流及蠕变，故一般用于低压、中温、强腐蚀以及不允许污染的介质，如强酸、强碱、卤素、药品等。安全使用温度在150℃，压力1MPa以下。填充聚四氟乙烯虽然强度高些，但使用温度也不超过200℃，且耐腐蚀能力下降。聚四氟乙烯包垫最高使用压力一般不超过2MPa。
（3）注意事项
由于温度升高，材料发生蠕变，致使密封压力明显下降。即使不升温，随着时间的延长，密封面的压紧应力也会下降，产生“应力松弛现象。该现象在各种垫片中都会产生，只是聚四氟乙烯垫的应力松弛现象较为严重，应予注意。
4、石棉树脂板和浸渍石棉板垫片
（1）使用范围
多用于各种酸性介质的管道、泵、阀、进出口法兰，其使用温度在80℃、压力在0.6MPa以下。
石棉编制垫片适用于压力0.1MPa以下，温度不超过800℃的低压、高温工况。并可根据设备的具体要求，编织成不通宽度、厚度、直径的垫片。或将石棉带剪下后直接敷在法兰表面。它用于大型硫酸、硝酸氧化炉以及一些未经加工的设备接口处，效果远远超过原来的石棉绳。
5、金属包石棉垫
（1）优点
a) 金属包垫能制成各种形状，大量用于各种热交换器、反应器的大盖、装卸孔、人孔法兰等。
b) 由金属薄板包覆石棉板或石棉橡胶板，使其不与介质直接接触，避免了石棉纤维强度下降，客服了渗漏现象，从而扩大了石棉橡胶板的使用范围。
c) 在金属包垫的表面贴覆一层柔性石墨薄板，这种垫片与表面未包覆的同类金属包垫相比，预紧比压较小，密封性能更佳。
（2）使用范围
一般金属包石棉垫使用温度为450℃(个别也有达600~700℃，如在常压~0.16MPa的烟道气中)，使用压力为4MPa，最高可达6MPa。如压力再增高，垫片易产生横流现象，芯材从搭接处挤出。
由于金属包石棉垫需要较大的螺栓拧紧力，即使当使用压力低于2.45MPa，也不能采用pg25公斤级以下的法兰。否则，法兰、螺栓的刚度就显得不够，产生变形而导致密封失效。有人认为，若将芯材改为弹性较好的合成橡胶，其紧固力就会下降。其实不然，因为芯材改软后，紧固力被芯材吸收，不能提供金属板在法兰面上贴合所需的紧固力，包垫反容易被极坏。另外，在含氯离子较多的介质以及酸性介质中，不锈钢包垫及铁皮包垫的搭接处易产生缝隙腐蚀。
温度高于450℃，芯材可使用陶瓷纤维或碳纤维。某钢铁厂采用金属包陶瓷纤维垫片用于1100℃的高温，使用二年尚未损坏。柔性石墨作芯材是最合适的。目前，国内已批量生产金属包柔性石墨垫。其使用效果优于金属包石棉垫。
目前国内尚无此产品，故有的单位将现有的柔性石墨皱纹带贴在金属包垫以及金属平垫、齿形垫甚至石棉橡胶垫表面，解决了许多泄漏难题。例如某厂的热交换器，压力为5.88MPa、温度450℃，介质为氢/油气。曾用过金属平垫、齿形垫，均有泄漏。后在平垫上贴了柔性石墨皱纹带，解决了这一问题。应该指出，这种垫片形式是一种解决法兰垫片泄漏的简便措施，贴覆柔性石墨带的工作性质量直接影响设备能否正常运转。若在带材背面涂刷一层胶水，可提高贴覆质量。
6、金属缠绕垫
金属缠绕垫巧妙地利用金属的耐热性、回弹性和强度以及非金属材料的柔软性，所以密封性能较好，其中又以不锈钢带缠绕柔性石墨垫的性能为最佳。其预紧比压较石棉缠绕垫小，不存在石棉纤维毛细孔渗漏的缺点。
在油介质中，金属带材多使用0Cr13，而其它介质则推荐使用1Cr18Ni9Ti。
不锈钢带柔性石墨缠绕垫在气体介质中，使用压力为14.7MPa(国内有高达19.6MPa)，在液体中可用至30MPa。温度-190~+600℃(在无氧、低压情况下可用至1000℃)。
聚四氟乙烯的耐低温性能良好，它在低温下的屈服强度大大高于常温时的强度。所以聚四氟乙烯缠绕垫可用于低温介质，如液态烃等。同时，因加入金属带提高了导热性，聚四氟乙烯缠绕垫使用温度可达250℃，在酸性介质中可用至9MPa、200℃。
缠绕垫用于压力和温度波动较大的换热器、反应器、管道、阀门、泵进出口法兰较为合适。对于中等以上压力、温度超过300℃者，应考虑使用带内环、外环或内外环。若使用凹凸面法兰，配带内环的缠绕垫效果更好些。
在柔性石墨缠绕垫两面贴覆柔性石墨板也能取得好的密封效果。某大型化肥厂废热锅炉属高温高压关键设备，用带外环的柔性石墨缠绕垫，满负荷时不漏，减负荷时则漏。在垫片两面增加了0.5mm厚的柔性石墨板，剪成圆弧状，接头部分采用斜口搭接，使用情况良好。
7、金属平垫、波形垫和齿形垫
金属平垫和金属波形垫一般用于中、高压阀门、管道和直径较小的设备法兰上。使用压力则根据温度的不同，前者为1.568~31.36MPa，后者为1.568~3.92MPa。垫片材质根据介质和温度选取。
8、八角垫和椭圆垫
用于梯形槽面法兰的八角垫和椭圆垫(炼油行业俗称“土钢圈”)密封性能均好。在沟槽的锥面上，八角垫为面接触而椭圆垫是线接触。因此，椭圆垫在低紧固力下贴合性好，但需进行二次紧固;而八角垫一般一次紧固后，不易出现泄漏。它们的不足之处为要求较大的螺栓拧紧力，当用于低压高温情况时，法兰等级须在25公斤级以上。
五、总结，依据垫片材料特性及垫片选用准则有以下建议
1.高危场合必须达到密封性良好，安全无危险。高危场合有高温，高压，蒸汽，有毒介质，易燃，易爆。垫片应选用性能优异的金属环垫，齿形组合垫，缠绕式垫片，波齿复合垫等。缠绕式垫片保证附带内外加强环。波齿复合垫片可作为首选产品，因为其综合性能最好，价格适中。工况无变化的场合下选用齿形垫和金属平垫。金属环垫受制造成本等影响，应用后不理想需避免选用。
2.含石棉的密封材料应少用或不用，因为该类材料一般只能用于不重要场合的低参数工况如普通水，汽和油品。低参数场合可用高强石墨垫代替石棉橡胶板。虽然价格昂贵但性能好，是目前石棉橡胶板普通的代用材料。
3.压力，温度有变化，有振动，冲击的场合(例如泵和压缩机等动设备法兰连接)要用具备良好回弹性能的缠绕式垫片及波齿复合垫。
4.热媒加热系统选用高强石墨复合垫等，尽量不用石棉橡胶板类作密封件。应选用不会溶胀和膨胀，防介质渗透性强的石墨为主体缠绕式垫片，波齿复合垫等。
5.医药食品等工业中，与生产物料相接触的管道和工艺设备的密封件尽量不使用石棉橡胶板类材料密封件。主料是聚四氟乙烯的垫片比较理想，特别是包覆垫性能更好能克服聚四氟乙烯平垫易冷流，无弹性缺点，具备洁净不污染，较好弹性。
6.一般性腐蚀性介质的场合可选用不锈钢骨架的缠绕式垫片和波齿复合垫。强腐蚀工况用平垫和聚四氟包覆垫片。低压低温高强石墨复合垫。