4.2 密封
流体密封系统中起密封作用的零部件称之为密封件，放置密封件的部位是密封箱或密封室。较复杂的密封特别是带有辅助系统的称之为密封装置。流体密封包括流体静密封和动密封，没有相对运动或相对静止的接合面间的密封为静密封，如各种容器，设备和管道法兰接合面间的密封，阀门的阀座，阀体以及各种机器的机壳接合面间的密封等；而彼此有相对运动的接合面间的密封称之为动密封，常用的动密封是旋转轴和往复杆的密封，简称轴封和杆封。此外，还有螺旋运动件和摆动件的密封。密封装置是机器，设备的重要组成部分，是流体动力机械、过程设备、工艺设备（包括压力容器）、静压设备、管道和阀体等部件中不可缺少的零部件。
流体密封问题的理论基础是根据流体力学中的缝隙流动，孔口与夹缝出流，转盘侧隙旋流和喷管气流等简单的流动模型，来确定流体密封中流体的压力，流体，流量或泄漏量，间隙及其变化。 4.2.1 泄漏与密封 1.泄漏
所谓泄漏，就是高能流体经隔离物缺陷通道向低能区侵入的负面传质现象。泄漏的形式包括界面泄漏、渗漏和扩散。 （1） 界面泄漏
通常将通过密封面间隙的泄漏称之为界面泄漏。此时被密封流体在密封件两侧压力差作用下通过宏观或微观的缝隙h泄漏，因此界面泄漏是单向泄漏。
（2） 渗漏
在密封件两侧压力作用下，被密封流体通过密封件材料的毛细管泄漏称为渗漏。因此，渗漏也是单向分子泄漏流动。 （3） 扩散
在浓度差的作用下，被密封介质通过密封间隙或密封材料的毛细管产生的物质传递叫做扩散。介质通过密封件的扩散泄漏可分为三个阶段：密封件吸收液（气）体;介质通过密封件扩散；介质从密封件的另一侧析出。扩散过程是双向进行的，扩散作用的介质泄漏量要比其他两类泄漏小得多。
综上所述，造成泄漏的原因，一是密封连接处有间隙（包括宏观间隙或微观间隙），二是密封连接处两侧存在压力差或浓度差。消除或减少任一因素都可以阻止或减少泄漏。就一般设备而言，减少或消除间隙是阻止泄漏的主要途径。 2. 密封
隔离高能流体向低能区进行负面传质的有效措施称为密封吗。起密封作用的零部件称为密封件。密封装置可以由几个零部件组成，也可以附带各种辅助系统．这里统称为密封装罱。 防止或减少泄漏方法一般有 (1) 尽量减少设置密封的部位
这一点对处理那些易燃、有毒、强腐蚀介质尤为重要。例如，当可以同时选择单级单吸 和单级双吸离心泵输送上述物料时，则宜用前者，因为单吸离心泵比双吸离心泵少一处密封。 (2)堵塞或隔离
静密封采用的各种密封垫、密封胶、胶黏剂就属于这一类。对于动密封，泄漏主要发生 在高低压相连通且具有相对运动的部位，由于有相对运动．则必然俘存在间隙。设法把间隙堵塞住，即可做到防止或减少泄漏，软填料密封属于这一类。隔离泄漏通道。就是在泄，通道中设置障碍。使通道切断(泄漏亦被切断)．机械密封、油封等接触式密封都属于这一类。 (3)引出或注入
将泄漏流体引回吸入室或通常为低压的吸入侧(例如抽气密封、抽射器密封等)或将对被 密封流体无害的流体注入密封室，阻止被封流体的泄漏(例如缓冲气密封、氮气密封等)。 (4)增加泄漏通道中的阻力
流体在通道中做泄露流动时，会遇到阻力。阻力的大小与通道两端的压差、通道的长 短、壁面的粗糙度以及通道中是否开槽(突然扩人、突然缩小)等有关。因此，在同样的压 差下，可把通道加设很多齿，或开各式沟槽，以增加泄漏时流体的阻力，从而阻止或减少泄 漏，如迷宫密封、间隙密封等。 (5)在通道中增设做功元件 ．
因加设做功元件，工作时做功元件对泄漏液造成反压力，与引起泄漏的压差部分抵消或 完全平衡（大小相等，方向相反），以阻止介质泄漏。离心密封、螺旋密封即属于这一类。 (6)几种密封方法的组合
把两种或两种以上密封组合在一起来达到密封。例如填料一迷宫、螺旋一填料、迷宫一浮环密封等。 4.2.2 垫片密封 1，基本结构
如图4—14所示，一般由连接件（法兰），紧固件（螺栓，螺母），垫片组成。 2.泄漏形式 如图4—15所示
（1）界面泄漏，两连接表面由于存在机械加工的微观纹理所产生的粗糙度和变形而产生的泄漏通道。
（2）渗透泄漏，对非金属材质的垫片，从材料微观结构看其本身存在微小缝隙或细微的毛细管，当在一定压力下产生泄漏 3. 密封原理
垫片密封的基本原理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。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。如图4—16所示
（1） 初始密封
预紧工况下，把法兰螺栓的螺母拧紧，螺栓力通过法兰压紧面作用在垫片上，由于垫片的强度和硬度壁钢制的法兰低很多，因而当垫片表面单位面积上所受的压紧力达到一定值时，垫片产生的弹性或屈服变形能填塞密封面的变形及由于表面粗糙度而出现的微观凹凸不平，以阻止介质通过垫片本身泄漏，堵塞了流体泄漏的通道，使法兰压紧面的凹凸不平出基本吻合。形成了阻止介质泄漏的初始密封条件。形成初始密封条件时垫片单位面积上所受的最小压紧力称为预紧密封比压（又称为垫片比压力）用y表示，单位为MPa。预紧密封比压主要决定与垫片的材质、形状和几何尺寸，而与介质压力无关。 （2） 工作密封
操作工况下，由于介质压力作用，一方面介质内压引起的轴向力将促使上、下法兰的压紧面分离，垫片在预紧工况所形成的压缩量随之减少，压紧面上的密封比压力下降；另一方面，垫片预紧时的弹性压缩变形部分产生回弹，使其压缩变形的回弹量补偿因螺栓伸长所引起的压紧面分离，进而使作用在压紧面上的米封比压仍能维持一定值以保持密封性能。保证在操作状态时法兰密封性能而必须施加在垫片上的压应力，称为工作密封比压，单位MPa。工作密封比压（mp）往往用介质设计压力P的m倍表示，m称为垫片系数，为无因次量，是由实验测定的。
垫片系数m不仅与垫片的类型和材质有关，而且与介质性质、温度、压力及压紧面状
况有关，如加以限制，基本上可视为常数，垫片系数m和比压y值均以1943年Rossheim和Markl所发表的数据为依据，但这些数据并未得到实验的证实，大多仍为经验数据（各种垫片的y和m推荐值参见表4—2）.
表4—2 垫片性能参数
类别 橡胶 垫片材料 低于肖氏硬度75 高于肖氏硬度75 厚3mm 厚1.5mm 厚0.75mm 碳钢 不锈钢或蒙乃尔 软铝 软铜或黄铜 铁或软钢 蒙乃尔 4%6%铬钢 不锈钢 软铝 软铜或黄铜 铁或软钢 3.25 3.50 3.75 3.75 蒙乃尔（或4%6%铬钢） 1.25 不锈钢 软铝 软铜或黄铜 铁或软钢 4.00 4.75 1.50 6.00 蒙乃尔（或4%6%铬钢） 不锈钢 6.50 铁或软钢 椭圆或八角形金属垫片 1.50 蒙乃尔（或4%6%铬钢） 6.00 不锈钢 6.50 38 44.8 52.4 62.1 65.6 60.7 85.6 124.1 150.3 175.3 124.1 150.3 175.3 垫片系数m 0.50 1.00 2.00 2.75 3.50 2.50 3.00 3.25 3.50 3.75 3.50 3.75 3.75 预紧面比压y 0 1.4 11 21.5 44.8 69 69 38 44.8 52.4 51.2 62.1 62.1 简图 石棉橡胶板 缠绕式垫片内填石棉 平形金属包石棉垫片 齿形金属垫片 金属平垫
4.影响垫片密封性能的主要因素
（1）螺栓预紧力是影响密封的一个重要因素。预紧力必须使垫片压紧以实现初始密封。适当提高螺栓的预紧力可以增加垫片的密封能力，因为加大预紧力可使垫片在正常工况下保留较大的接触面比压力。但预紧力不宜过大，否则会使垫片整体屈服而丧失回弹能力，甚至将垫片挤出或压坏。另外预紧力应尽可能均匀地作用到垫片上。通常采取减小螺栓直径、增加螺栓数量、采取适当的预紧方法等措施来提高密封性能。
（2）垫片性能
垫片的作用：在理论上，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）。但在实际生产中，连接件的两个密封面上存在粗糙度，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一垫片，使之适应密封面的不规则性，补偿密封面的变形和粗糙度引起的凹凸不平，以达到密封的目的。 ①非金属垫片：
在中低压设备和管道法兰上通常用橡胶、石棉橡胶、聚四氟乙烯等非金属垫片，它们的耐蚀性和柔软性较好，但强度和耐温性能较差。它们通常从整张垫片板材上裁剪下来的，整个垫片的外形是个圆环，截面为矩形。 ②残饶式垫片 是用
等钢带与石棉或聚四氟乙烯或柔性石墨等填充带相间缠卷而
成，具有多道密封作用，且回弹性好，提高了垫片的强度和耐热性用与较高温度和压力的场合，并能在压力，温度波动条件下保持良好的密封。 ③金属包垫片
是由石棉胶板作为内芯，外包厚度为0.20.5mm厚的薄金属板构成的，金属板的材料可以是铝，钢及其合金也可以采用不锈钢或优质碳钢，金属包垫片只用于乙型平焊法兰和长颈对焊法兰上 ④金属垫片
金属垫片的材质常采用软铝，铜，软钢和不锈钢等，用在压力大，泄漏要求很严，温度高或腐蚀性极强的高压设备和官道上。 （3） 法兰密封面 如图4-17所示
①平面密封面：密封面并非一个光滑的平面，在平面上往往开有2～4条同心圆分布的三角形截面的沟槽(即法兰水线)。 ．
平面密封面结构简单，制造方便，便于进行防腐衬里。其次这种结构密封面的宽度较 大，故使用中常采用非金属或金属软质垫片。但螺栓上紧后，垫圈材料容易往两侧伸展。用 于所需压力不高，且介质无毒的场合。 ②凹凸密封面：它相当于在一对平面密封面的法兰上，其中一个制成带有凸起平台的压紧面，并把这个法兰叫做凸面法兰，另一个相应做成凹面的叫做凹面法兰，与凹面尺寸恰好相同的垫片嵌人其中，垫片便于对中。凸起平面的高度略大于凹面的深度，用螺栓压紧起密封作用。
这种结构能限制垫片的径向变形，可防止垫片被挤出，在一定程度上会提高密封性能。 适用于压力较高的场合。
③榫槽密封面：在一对平面密封面宽度方向的中间，其一做成截面如榫，另一截面如图 槽的压紧面配对使用前者称为榫面法兰，后者称为槽面法兰。 槽型压紧面可限制嵌入垫片的径向变形，密封性能良好，同时垫片可少受介质的冲帅和腐蚀。但榫面部分容易破坏。常用于易燃，易爆，有毒的介质以及较高压了的场合。 （4）法兰刚度 因法兰刚度不足而产生过大的翘曲变形，往往是实际生产中造成螺栓法兰连接密封失效的主要原因之一。刚度大的法兰变形小，可将螺栓预紧力均匀的传递给垫片，从而提高法兰的密封性能。 (5)操作条件
压力、温度及介质的物理化学性质对密封性能有影响 5.常见密封结构见表4—3
表4—3 常见密封结构 名称 平垫密封 简图 原理 通过螺栓预紧力的作用，使垫片发生变形而填满密封面的不平处 预紧时，依靠螺栓预紧力，使软垫片双锥面与端盖筒体端部压紧，工作时，介质进入双锥环与顶盖的环形间隙，双锥环受压外胀，补偿螺栓伸长的变形。 预紧时“C”形环轴向压缩，工作时“C”形环回弹张开，同时介质在内腔，向外压力张开。 用途 用于温度不高，压力不大，直径较小的高压容器。 适用于压力与温度波动的场合，用与高压容器上。 双锥环密封 C型环密封 用于内径小于1000mm压力小于32，温度350°一下场合。 O型环密封 O形环由无缝金属圆用于高压容器，用于管弯制而成，主要靠小于280MPa 回弹力密封，充气式的内充惰性气体或易汽化的固体材料（如干冰），充气汽体受热膨胀产生压力；自紧装置在环上开有小孔，介质压力在其内腔向外膨胀形成密封 三角垫用20钢或1材质，在介适用，t350℃ Di＜1000mm Pi＜10MPa。 三角垫密封 质压力作用下，三角垫片想外弯曲，与上下V形槽形成密封 B形环是依靠工作介质的压力是密封垫径向压紧。 预紧力作用下透镜垫在接触处产生塑形变形 适用于中、低压到高压以至高温下场合。 用于高压管道连接中 B型环密封 透镜垫密封
密封
