墊片密封機理及泄漏形式

墊片密封的基本概念

墊片密封是工業(yè)裝置中壓力容器、工藝設備、動力機器和連接管道等可拆連接處最主要的密封結構形式，它通常由法蘭、墊片及連接螺栓、螺母組成，總稱法蘭密封接頭。法蘭密封接頭的結構形式見圖1。

圖1  法蘭密封接頭的結構形式

1.螺母；2.法蘭；3.墊片；4.螺栓

墊片密封機理

泄漏就是介質從有限空間內部流到外部，或從外部進入有限空間內部的人們不希望發(fā)生的現(xiàn)象。介質流動通過內外空間的交界面，即密封面發(fā)生泄漏。產(chǎn)生泄漏的根本原因是接觸面存在間隙，而接觸面兩側的壓力差、濃度差則是泄漏的推動力。由于密封面的形式及加工精度等因素的影響，導致密封面不完全吻合，即密封面上會出現(xiàn)間隙，從而發(fā)生泄漏。要減少泄漏，就必須使接觸面最大限度地嵌合，即減少泄漏通道的橫截面積、增加泄漏阻力，使之大于泄漏推動力。對密封面施加壓緊載荷可以產(chǎn)生壓緊應力，提高密封面的接觸程度，當應力增大到足以引起表面產(chǎn)生明顯的塑性變形時，就可以填補密封面的間隙，以堵塞泄漏通道。采用墊片的目的就是借助墊片材料在壓緊載荷的作用下較容易產(chǎn)生塑性變形的特性，使之填平法蘭密封面的微小凹凸不平，從而實現(xiàn)密封。

在法蘭密封接頭中，壓緊墊片的力使墊片材料產(chǎn)生變形，從而填滿法蘭密封面間的微間隙。

墊片密封連接的泄漏形式

在法蘭密封接頭中，墊片是主要的密封元件。對于非金屬墊片，連接的密封是通過擰緊螺栓，造成法蘭與墊片接觸表面及墊片內部較大的壓緊應力，一方面使墊片表面與法蘭表面緊密貼合，填滿法蘭表面的微間隙，另一方面減小墊片材料的孔隙率，即減小被密封流體的泄漏通道。由于任何加工方法都不可能形成絕對光滑的理想表面，也不可能實現(xiàn)密封面間的完全嵌合以及密封件本身孔隙的完全阻塞，所以在相互接觸的密封面間和密封件的內部總是存在著微小的間隙或通道。因而，對于墊片密封來說，泄漏總是不可避免的。當介質以一定的壓力通過螺栓-法蘭連接時，總會在密封點處出現(xiàn)泄漏。分析這種現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，泄漏是以兩種形式出現(xiàn)的，即“界面泄漏”和“滲透泄漏”，如圖2所示。

1.界面泄漏

墊片壓緊應力不足，法蘭密封面粗糙，管道的熱變形、機械變形以及振動等都會造成墊片與法蘭密封面之間貼合不嚴而發(fā)生泄漏。此外，法蘭接頭在操作工況下由于溫度、壓力的作用，螺栓變形伸長，墊片蠕變松弛、回彈能力下降，墊片材料老化、變質等也會造成法蘭與法蘭密封面之間的泄漏。這種發(fā)生在墊片與法蘭密封面之間的泄漏稱為“界面泄漏”。

2.滲透泄漏

非金屬墊片通常由植物纖維、動物纖維、礦物纖維或化學纖維與橡膠黏結壓制而成，或由柔性石墨等多孔材料制作而成。由于其組織疏松，致密性差，纖維與纖維之間存在無數(shù)微小間隙，因此很容易被介質浸透，特別是在壓力作用下，介質會通過材料內部的孔隙滲透出來。這種發(fā)生在墊片材料內部的泄漏稱為“滲透泄漏”。

圖2  “界面泄漏”與“滲透泄漏”

（來源：網(wǎng)絡）