机械设计必备知识点 —— 密封垫片如何选型

机械设计必备知识点——密封垫片如何选型在石油、石化、化工等行业的生产、加工、储运乃至销售环节，常常伴随着易燃、易爆、高温、高压、有毒有害和腐蚀等危险因素，机器及设备在使用中工作介质的“跑、冒、滴、漏”，给生产带来极大的危害。

设备中工作介质的泄漏，会造成浪费并污染环境。

垫片密封是过程工业装置中压力容器、过程设备、动力机器和连接管道等可拆连接处最主要的静密封型式。

它们所包含的流体介质范围相当广泛，防止液体或气体通过这些接头处泄漏出来是工厂面临的最重要，也是最困难的任务。

随着生产装置的大型化，生产工艺向高温、高压、高速的方向发展，出现泄漏的机会越来越多，发生事故的概率越来越大，造成的经济损失也越来越大。

往往一处法兰的泄漏就有可能导致一套装置乃至全厂停产，还极有可能会引起火灾、爆炸，造成人员伤亡等重大事故，发生泄漏带来环境污染、产品损失甚至事故，垫片密封的重要性也就不言而喻了。

因此，垫片的选用、设计、制造所存在的问题已逐步引起人们的高度重视。

那么，究竟应该如何选择合适的垫片呢？垫片与垫片密封垫片是一种夹持在两个独立的连接件（主要是指法兰）之间的材料或材料的组合，其作用是在预定的使用寿命内，保持两个连接件间的密封。

垫片必须能够密封结合面，并确保密封介质不渗透和不被腐蚀，能够承受得住温度和压力的作用。

垫片密封一般有连接件（如法兰）、垫片和紧固件（如螺栓、螺母）等组成（见图1），因此决定某个法兰密封性时，必须将整个法兰连接结构作为一个系统进行考虑。

垫片工作正常或失效与否，除了取决于设计选用垫片本身的性能外，还取决于系统的刚度和变形、结合面的粗糙度和平行度以及紧固载荷的大小和均匀性。

图1-垫片密封的法兰连接结构垫片选型五要素了解了垫片密封的结构，我们就可以从温度、应用、介质、压力和尺寸(TAMPS）五个方面来考虑选择一个合适的垫片。

∙温度∙所选用的垫片应该在最高或最低的工作温度下有合理的使用寿命，不同的垫片材料的最高工作温度差异很大。

垫片选型五要素范文垫片选型的五要素包括：材质选择、温度和压力要求、介质要求、尺寸和形状要求、安装条件及使用环境。

1.材质选择：垫片的材质选择非常重要，因为它直接影响到垫片的密封性能和使用寿命。

常见的垫片材料有橡胶、金属、塑料和纤维等。

在选择材料时，需要考虑到介质的特性和温度、压力等环境因素。

比如，对于高温环境可以选择耐温性能好的金属垫片，对于强腐蚀介质则可以选择化学稳定性好的塑料垫片。

2.温度和压力要求：垫片的温度和压力要求是选型时必须考虑的因素之一、不同垫片材料有不同的耐温和耐压范围，如果超过了其极限，垫片就会失去密封性能，甚至损坏。

因此，需要根据应用场景的实际温度和压力要求选择合适的垫片。

3.介质要求：垫片的介质要求指的是垫片需要密封的介质的类型和性质。

不同的介质可能具有不同的化学性质、粘度和腐蚀性等特点，对垫片的材料和结构有特殊要求。

例如，一些酸碱介质可能会腐蚀垫片，所以需要选择耐腐蚀性好的材料；一些高粘度介质会产生较大的摩擦力，需要选择较硬的垫片材料来保证密封性能。

4.尺寸和形状要求：垫片的尺寸和形状要求与垫片的安装条件和应用机器设备有直接关系。

一般来说，垫片的尺寸要与密封件的安装孔或密封面相适配，以确保密封效果。

此外，垫片的形状也需要根据密封面的特点来选择，如选择平垫片、锥面垫片或弯曲垫片等。

5.安装条件及使用环境：垫片的选择还要考虑安装条件和使用环境的影响。

比如，一些垫片需要在极端环境下使用，如高湿度、高真空或高辐射环境下，这就要求垫片具有良好的耐热、抗老化等特性。

此外，需要考虑到安装紧固力、垫片变形和寿命等方面的因素，以保证垫片的稳定性和可靠性。

以上即是垫片选型的五要素。

通过充分考虑材质选择、温度和压力要求、介质要求、尺寸和形状要求以及安装条件及使用环境等因素，可以选择出适合特定应用场景的垫片，确保其具有良好的密封性能、耐久性和可靠性，为工程设备的正常运行提供保障。

机械密封选型注意事项
在选购维修用密封件时，多数用户都会按样品的尺寸及颜色去购买，这只会增加采购的难度，而且不一定能选中合适产品。

一、建议采用下列程序去提高采购密封件的准确性
1、运动方向-先决定密封件所在位置的运动方向，例如往复、旋转、螺旋或固定。

2、密封重点-例如决定活动点是在内径的拉杆封或活动点是在外径的活塞封等。

3、温度等级-从原厂机械使用说明查阅或按实际工作环境评估工作温度，决定所需使用材料。

有关温度等级的说明可参考下面的生产用户注意事项。

4、尺寸大小-多数用户都会按使用过的旧样品选购，但密封件在使用一段时间后，会被温度、压力及磨损等因素大幅影响其原来的尺寸，按样选择只能作为一个参考，更好的方法是量度密封件所在位置的金属槽尺寸，准确性会较高。

5、压力等级-从原厂机械使用说明查阅有关数据，或通过观察原密封件的软硬度和结构推断工作压力等级。

二、机械密封选型原则：
1、根据密封腔体压力，确定密封结构采用平衡型或非平衡型，单端面或双端面等。

2、根据工作速度，确定采用旋转式或静止式，流体动压式或非接触型。

3、根据温度及流体性质，确定摩擦副和辅助密封材料，以及正确选择润滑、冲洗、保温、冷却等机械密封循环保护系统等。

4、根据安装密封的有效空间，确定采用多弹簧或单弹簧或波形弹簧，内装式或外装式。

机械密封设计中的选型机械密封结构型式的选择是设计环节中的重要步骤，必须先进行调查：①工作参数—介质压力、温度、轴径和转速。

②介质特性—浓度、粘度、腐蚀性、有无固体颗粒及纤维杂质，是否易汽化或结晶等。

③主机工作特点与环境条件—连续或间歇操作；主机安装在室内或露天；周围气氛性质及气温变化等。

④主机对密封的允许泄漏量、泄漏方向(内漏或外漏)要求；寿命及可靠性要求。

⑤主机对密封结构尺寸的限制。

⑥操作及生产工艺的稳定性。

1.根据工作参数p、v、t选型这里p是指密封腔处的介质压力，根据p值的大小可以初步确定是否选择平衡式的结构以及平衡程度。

对于介质粘度高、润滑性好的，p≤0.8MPa，或低粘度、润滑性较差的介质，p≤0.5MPa时，通常选用非平衡式结构。

p值超过上述范围时，应考虑选用平衡式结构。

当p＞15MPa时，一般单端面平衡式结构很难达到密封要求，此时可选用串联式多端面密封.υ是指密封面平均直径的圆周速度，根据υ值的大小确定弹性元件是否随轴旋转，即采用弹簧旋转式或弹簧静止式结构，一般υ＜20～30m/s的可采用弹簧旋转式，速度更高的条件下，由于旋转件的不平衡质量易引起强烈振动，最好采用弹簧静止式结构。

若p和υ的值都高时，可考虑选用流体动压式结构。

t是指密封腔内的介质温度，根据t的大小确定辅助密封圈的材质、密封面的冷却方法及其辅助系统。

温度t在0～80℃范围内，辅助密封圈通常选用丁腈橡胶O 形密封圈；-50℃≤t＜150℃，根据介质腐蚀性强弱，可选用氟橡胶、硅橡胶或聚四氟乙烯成型填料密封圈：温度＜-50或t≥150℃时，橡胶和聚四氟乙烯会产生低温脆裂或高温老化，此时可采用金属波纹管结构。

介质浊度高于80℃时，在密封领域中通常就要按高温来考虑，此时必须采取相应的冷却措施。

2.根据介质特性选型腐蚀性较弱的介质，通常选用内置式机械密封，其端面受力状态和介质泄漏方向都比外置式合理。

对于强腐蚀性介质，由于弹簧选材较困难，可选用外置式或聚四氟乙烯波纹管式机械密封，但一般只适用p≤0.2～0.3MPa的范围内。

浅谈工程机械用密封垫及其选用转自：中国路面机械网◇山东交通学院工程机械研究所姜武杰◇山东泰安市公路管理局程合乾摘要密封元件有十多种，数密封垫的结构较简单、应用也较普遍。

本文继简要介绍常用密封垫之后较详细地说明各种石棉橡胶垫的结构、材料和使用性能，并简明地阐述合理选用密封垫的原则及相关的影响因素，可供正确选用密封垫参考。

关键词密封垫石棉橡胶1 密封垫的功用及材料1.1 功用密封垫广泛用于工程机械及柴油机的管道、壳体的结合面的静密封中，以其弹性变形填补零件结合面的不平度，切断泄漏通道，增加泄漏阻力，或承受内外侧压力差等方式防止流动介质 (气体、冷却水、润滑油、齿轮油、液压油、制动液等)泄漏。

如柴油机的汽缸盖、正时齿轮室盖、油底壳、喷油泵侧盖、进排气管，工程机械底盘中的变速箱盖、方向机侧盖、桥壳后盖、终传动壳体等。

1.2 材料按材料密封垫有非金属密封垫、非金属与金属组合密封垫、金属密封垫三大类，其常用材料有橡胶、皮革、石棉、纸、软木、聚四氟乙烯、钢、铁、铝、铜和不锈钢等。

用棉、麻、石棉、纸、皮革等纤维素材质制成的密封垫，其组织疏松，致密性差，纤维间有细微缝隙，很容易被流动介质浸透，在压力作用下流动介质从高压侧通过这些细微缝隙渗透到低压侧，即形成渗透泄漏 (约占总泄漏量的10%~20%)1.3 密封垫泄漏形式及原因密封垫的泄漏有三种形式:界面泄漏、渗透泄漏和破坏性泄漏，其中以前两种为主要形式。

产生界面泄漏的原因是:结合面粗糙和变形;密封垫没有压紧;结合面紧固螺栓伸长变形或松动; 密封垫发生塑性变形等。

界面泄漏量约占总泄漏量的80%~90%; 材料老化、龟裂、变质等会促使密封垫破坏性泄漏，但安装、使用不当是主要原因;如上所述，流动介质浸透到细微缝隙中，造成纤维素材料制成的密封垫的渗透泄漏。

1.4 常用密封垫种类及适用范围现将常用密封垫的种类、结构、材料及适用范围列于表1中。

表1 常用密封垫片种类及其适用范围2 石棉橡胶密封垫石棉橡胶密封垫包括普通石棉橡胶密封垫、耐油石棉橡胶密封垫、增强石棉橡胶密封垫、石棉钢片密封垫、混合石棉橡胶密封垫和复合石棉橡胶密封垫等。

密封垫片选型
任何类型的垫片在使用之时，要想保证长期有效的密封，必须在垫片选择和使用时注意以下八个重要特性：
1.垫片的气密封
对于密封系统的介质，垫片在适合的温度和压力范围内使用一定时间不发生泄漏
2.垫片的可压缩性
垫片和法兰的接触面在连接螺栓紧固后，应该能很好的吻合，以确保密封
3.垫片的抗蠕变性
垫片在压力负荷和使用温度的影响下，应需要较好的抗蠕变性，否则会造成螺栓扭矩损失，导致垫片的表面应力减小，从而造成一定的泄露
4.垫片的化学性质
所选的垫片需要能耐受介质的腐蚀，同时也不能对密封的介质造成污染，现在的密封产品都需要符合环保标准，像sealpilot的BD系列就是采用绝对环保的无石棉密封材料，不会对密封和环境造成影响
5.垫片的回弹性
即使在系统稳定的状况下，相连接的两个法兰由于温度和压力的影响肯定会存在微小位移，垫片的弹性功能需弥补此位移，以保证系统的密封性
6.垫片的抗粘黏性
垫片在使用后更换时应能从法兰上便捷的拆除，不会粘黏
7.垫片的腐蚀性
垫片应对密封系统和法兰本身无腐蚀性
8.垫片的温度和压力
所选用的垫片应保证在密封系统最低温度压力和最高温度压力的状况下能正常使用。

法兰密封垫片选型参考一、垫片密封机理泄漏——即介质从有限空间内部流到外部,或从外部进入有限空间内部的人们不希望发生的现象.介质流动通过内外空间的交界面即密封面发生泄漏.造成泄漏的根本原因是由于接触面上存在间隙,而接触面两侧的压力差、浓度差则是泄漏的推动力.由于密封面的形式及加工精度等因素的影响,密封面上存在间隙在所难免,这就造成密封面不完全吻合,从而发生泄漏.要减少泄漏,就必须使接触面最大程度地嵌合,即减小泄漏通道的截面积、增加泄漏阻力,并使之大于泄漏推动力.对密封面施加压紧载荷,以产生压紧拉力,可提高密封面的接触程度,当应力增大到足以引起表面产生明显的塑性变形时,就可填补密封面的间隙,堵塞泄漏通道.使用垫片的目的就是利用垫片材料在压紧载荷的作用下较容易产生塑性变形的特性,使之填平法兰密封面的微小凹凸不平,从而实现密封.二、垫片密封的泄漏形式1、界面泄漏2、渗透泄漏“界面泄漏”与“渗透泄漏”三、影响垫片密封连接,导致泄漏的主要因素1、气体的泄漏率大于液体的泄漏率,黏度小,泄漏率大.2、工况的影响：介质的压力、温度等①介质两侧的压力差越大,介质就越易克服泄漏通道的阻力,泄漏就越容易；②垫片的弹、塑性变形量均随温度升高而增大,而回弹性能随温度升高而下降,蠕变量则随温度的升高而增大.且随着温度的升高,垫片的老化、失重、蠕变、松弛现象就会越来越严重.此外,随着温度的升高,液体的黏度降低,而气体的黏度增加.温度越高,泄漏越容易发生.3、法兰表面粗糙度的影响通常表面粗糙度越小,泄漏量越小.这主要是由于粗糙度小的密封表面,其凹凸不平易被填平,从而使得界面泄漏大为减少.4、垫片压紧应力的影响垫片上的压紧力越大,其变形量就越大.垫片的变性一方面有效地填补了法兰表面的不平度,使得界面泄漏大为减少；另一方面使得垫片本身内部毛细孔被压缩,泄漏通道的截面减小,泄漏阻力增加,从而泄漏率大大减小.但如果垫片的压紧应力过大,则易将垫片压溃,从而失去回弹能力,无法补偿由于温度、压力引起的法兰面的分离,导致泄漏率急剧增大.因此要维持良好的密封,必须使垫片的压紧应力保持在一定的范围内.5、垫片几何尺寸的影响①垫片厚度的影响在同样的压紧载荷、同样的介质压力作用下,泄漏率随垫片厚度的增加而减小.这是由于在同样的轴向载荷作用下,厚垫片具有较大的压缩回弹量,在初始密封条件已经达到的情况下,弹性储备较大的厚垫片比薄垫片更能补偿由于介质压力引起的密封面间的相对分离,并使垫片表面保留较大的残余压紧应力,从而使泄漏率减少.②垫片宽度的影响在一定的范围内,随着垫片宽度的增加,泄漏率呈线性递减.这是因为,在垫片有效宽度内介质泄漏阻力与泄漏通道的长度正比于垫片宽度成正比.但不能说垫片越宽越好,因为垫片越宽,垫片的表面积就越大,这样要在垫片上产生同样的压紧应力,宽垫片的螺栓力就要比窄垫片大得多.垫片的性能和参数一、垫片的常温性能1、垫片的压缩性——指压缩后垫片厚度的变化量,它表征垫片刚性的大小.垫片的回弹性——指压缩载荷卸除后垫片厚度的回复量.无论哪种结构形式的垫片都有一定的塑性,即在压缩过程中,当垫片的载荷超过一定限度,垫片除产生弹性变形外,还会产生部分塑性变形或永久变形.即使是弹性最好的橡胶垫片也会产生大于5%~10%的塑性变形.螺栓—法兰—垫片连接的密封,本质上是通过垫片变形,减小法兰与垫片之间及垫片本体的毛细孔截面积,增加流体泄漏阻力来实现密封的.2、应力松弛性能①应力松弛——对螺栓—法兰—垫片密封连接施加螺栓载荷时,作用在垫片上的压紧应力会使垫片变薄,经运转一段时间后,垫片厚度将继续减小,垫片上的应力也会逐渐减小,这种应力减小的现象称为应力松弛.②蠕变松弛——对螺栓—法兰—垫片连接这样的预应力静不定系统,垫片应力是由螺栓伸长转换成垫片应力的,因而垫片蠕变不发生在恒应力下,垫片厚度的任何改变都会引起螺栓伸长的变化,同时也改变了垫片应力,这种垫片与螺栓的相互作用被称为垫片的蠕变松弛.3、密封性能垫片密封性能是指在某一特定的操作条件下,垫片密封所能达到的泄漏率低于某一规定的指标泄漏率.而泄漏率指在标准实验条件下,介质流体每秒钟通过垫片的泄漏量.泄漏率和介质压力基本呈线性关系即介质压力越高,泄漏率越大；泄漏率和残余预紧应力成负指数关系即残余预紧应力越大,泄漏率越小.二、垫片的高温性能高温工况下,密封元件材料的物理性能和力学性能都将发生变化,如高温会降低垫片的回弹能力；高温下垫片发生蠕变松弛导致垫片应力下降；高温下垫片材质发生老化.因而,与常温密封相比,高温密封要困难得多.1、高温压缩及回弹性能高温下材料的屈服限降低、塑性变形量增大、蠕变加剧,回弹性能下降.实际工况下,如果垫片回弹量小到不足以补偿介质压力、温度和法兰附加载荷引起的密封面的分离时,可能导致泄漏率的增大,甚至不能保证连接系统的紧密性要求.2、高温密封性能试验表明,泄漏率和介质压力基本成线性关系,具有黏性流体层流的一般特性；泄漏率和垫片压紧应力成负指数关系,残余压紧应力越大,泄漏率越小；泄漏率随温度的升高而增大,两者成指数关系.垫片密封面结构形式一、垫片密封面结构形式代号FF——全平面密封面RF——突面密封面MF——凹凸密封面TG——榫槽密封面A.基本型垫片适用于榫槽面法兰B.内环型垫片适用于凹凸面法兰C.定位环型垫片适用于平面和突面法兰二、金属缠绕式垫片1、定义金属缠绕式垫片是由金属带和非金属带螺旋复合绕制而成的一种半金属平垫片.2、性能：①压缩、回弹性能好,具有多道密封和一定的自紧功能；②对于法兰压紧面的表面缺陷不太敏感,不粘结法兰密封表面,容易对中,因而拆装便捷；③可部分消除压力、温度变化和机械振动的影响；④能在高温、低温、高真空、冲击振动等循环交变的各种苛刻条件下,保持其优良的密封性能.3、使用注意事项：①缠绕式垫片的密封元件即垫片本体或基本型垫片宽度应比非金属软垫片的宽度小.在制作用于凹凸面、平面和突面法兰的缠绕垫片时,不能随便用非金属软垫片的宽度尺寸来代替缠绕式垫片密封元件的宽度尺寸.因为缠绕式垫片是半金属垫片,标准规格垫片的压紧应力在70MPa左右时才达到合理的压缩变形,从而产生良好的密封效果；如果随意加大垫片本体密封面宽度,势必造成压紧力降低,垫片肯定不能达到标准的压缩变形量,因而不能产生良好的密封；如果超范围地加大压紧力,又必然会产生法兰和螺栓的大量变形,结果会导致泄漏.②基本型垫片最好不要用于凹凸面法兰上.这是因为基本型垫片在法兰轴向压紧力作用下,垫片内圈焊点容易开焊,这样不但会引起泄漏,而且垫片软填料散落会污染物料和堵塞管道.③在高温、深冷或冷热频繁交变、振动较大、强腐蚀介质等恶劣工况条件下,用于平面和突面法兰的垫片最好加装合理材料的内环.④决不能用低材质垫片取代高材质垫片.4、使用方法：①拧紧螺栓时,要使垫片均匀受力,对称把紧.②选择合理的垫片压缩量,一般为0.6~1.2mm为宜.过大压缩量,会降低垫片的回弹率,因而失去垫片像弹簧似的容易吸收振动的特性.选用垫片的基本原则一、选用或订购垫片时应了解的数据1、相配法兰的密封面型式和尺寸.2、法兰及垫片公称通径.3、法兰及垫片公称压力.4、流体介质的温度.5、流体介质的性质.二、选用垫片时还应考虑以下因素1、有良好的压缩及回弹性能,能适应温度和压力的波动.2、有良好的可塑性,能与法兰密封面很好的贴合.3、对有应力腐蚀开裂倾向的某些金属如奥氏体不锈耐酸钢法兰,应保证垫片材料不含会引起各种腐蚀的超量杂质,如控制垫片氯离子含量以防对法兰腐蚀.4、不污染介质指密封介质是饮用水、血浆、药品、食品、啤酒等.5、对密封高度毒性的化学品,要求垫片应具有更大的安全性；对于输送易燃液体的管道系统,要求垫片用于法兰上的最高使用压力和最高使用温度在限制范围内.6、低温时不易硬化,收缩量小,高温时不易软化,抗蠕变性能好.7、加工性能好,安装及压紧方便.8、不粘结法兰密封面,拆卸容易.。

机械密封选型指南每一种机械密封，只有用于规定的范围内才能有效地发挥作用。

选型不当，则会使密封性能显著降低，寿命缩短，甚至失效。

机械密封选型应注意的以下主要参数：1. 密封腔介质压力P（1）介质润滑性好，粘度较高时，P≤0.8MPa选用非平衡型。

（2）介质润滑性差，粘度低时，P≥0.5Mpa2. 线速度V≤25m/s选用旋转型。

V≥25m/s时选用静止型。

3.PV值PV值涉及到密封面之间流体膜的稳定性（汽化）和磨擦副的耐磨性。

PV极限值举例4. 密封介质温度在没有外冷条件下，机械密封的最高温度一般取决于辅助密封材料的安全使用温度。

见下表：5. 介质的特殊性。

（1）粘度：低粘度介质易干磨擦宜选用平衡型。

高粘度介质，宜采用强制传动结构。

（2）腐蚀和化学溶剂：a、强腐蚀宜用外装式的四氟波纹管密封。

b、辅助密封在不同化学介质中的适用表如下：（3）含悬浮固体颗粒：动静环材料宜采用碳化钨/碳化钨，或碳化硅/碳化硅，当颗粒易于阻塞密封腔时，须采用辅助装置经过过滤或分离后的冲冼液，冲洗端面。

（4）剧毒或气体介质：宜采用双端面机械密封。

6. 机械密封的安装和技术要求机械密封是精密的部件，制造精度及安装精度要求都很严格，如果装配不当就会影响密封性能，要正确安装必须注意以下几点：（1）泵用机械密封的安装对机、泵以及机械密封的配合部分技术要求：a.轴弯曲度最大不得超过0.05mm。

b.轴在安装机械密封处的振摆量不得大于0.1mm。

c.轴的轴向窜动量不允许大于0.5mm。

d.安装机械密封部位轴制造公差为h8，光洁度1.6。

e.安装动环密封圈的轴（轴套）端部以及安静环密封圈的密封压盖（或壳体）的端部应做成倒角并修光。

（2）泵用机械密封的安装要求：a.部件内各零件均符合图纸要求。

b.上紧压盖时应在联轴器找正后进行，压紧螺丝应均上紧，防止法兰面偏斜。

c.弹簧的压缩量按图纸规定进行允许误差±2mm。

d.动环安装后必须保证动环能在轴上灵活移动。