垫片

垫片是用纸、橡皮片或铜片制成，放在两平面之间以加强密封的材料，为防止流体泄漏设置在静密封面之间的密封元件。^[4]它由内环、密封元件本体、外环、表面层、增强层、抗黏结处理层六个部分组成。^[6]

垫片在压紧后发生变形，增加比压使变形加剧，表面层被压入密封面波谷，阻止介质渗透。中间部分在压紧力作用下产生塑性和弹性变形，密封面间距变化时，垫片借回弹力调整厚度，防止介质泄漏。^[7]垫片按其材料和结构特征可分为非金属垫片、金属垫片、金属-非金属组合垫片三类，各类又可细分成若干种。^[3][2][5]

垫片的发展可追溯至古代，垫片的使用是中国古代青铜器铸造中的一项重要技术发明，周晚期的散氏盘、春秋时期的蔡侯申缶曾有滥用垫片的迹象。^[8][9]现代垫片发展经历了初创期，成长期，成熟期，衰退期四个发展阶段。^[10]随着工业的发展，开发新型环保材料成为垫片行业的一个研究方向，高性能垫片的需求将持续增长。^[11]

垫片是放在两平面之间以加强密封的材料，为防止流体泄漏设置在静密封面之间的密封元件，是两个物体之间的机械密封，通常以防止两个物体之间受到压力泄漏。垫片通常由片状材料制成，如垫纸、橡胶、硅橡胶、金属、软木、毛毡、氯丁橡胶、丁腈橡胶、玻璃纤维或塑料聚合物（如聚四氟乙烯）。特定应用的垫片可能含有石棉。由于机械加工表面不可能完美，使用垫片即可填补不规则性。^[4]

中国古代青铜器约有四千年的历史，是技术和艺术的集合体。在铸造技术上，垫片的使用是中国古代青铜器铸造中的一项重要技术发明。垫片用以支撑芯保证铸型尺寸，铸造出厚度不足一毫米的大尺寸铸件，同时减少了大铸造缺陷。随着时间的推移，垫片的使用逐渐被工匠所依赖，甚至滥用。例如，西周晚期的散氏盘、春秋时期的蔡侯申缶等都有滥用垫片的迹象。^[8]

春秋时期，铸鼎技术有了显著的进步，大量使用垫片，器壁厚度控制得更加熟练，造出很多壁薄而均匀的铜器。这种现象不仅在鼎上，在很多容器上均可见到垫片使用的痕迹，显示了垫片在青铜器铸造中的广泛应用。^[9]

中国现代垫片行业发展主要包括四个发展阶段：初创期，成长期，成熟期，衰退期。初创期的市场增长率较高，需求增长较快，技术变动较大，产业中的企业主要致力于开辟新用户占领市场，但此时技术上有很大的不确定性，在产品、市场、服务等策略上有很大的余地，对产业特点、产业竞争状况、用户特点等方面的信息掌握不多,企业进入壁垒较低。^[10]

成长期的市场增长率很高需求高速增长，技术渐趋定型，产业特点、产业竞争状况及用户特点已比较明朗，企业进入壁垒提高,产品品种及竞争者数量增多。到了成熟期，其市场增长率不高，需求增长率不高，技术上已经成熟，产业特点、产业竞争状况及用户特点非常清楚和稳定，买方市场形成，产业盈利能力下降，新产品和产品的新用途开发更为困难，产业进入壁垒很高。进入衰败期，其市场增长率下降，需求下降，产品品种及竞争者数目减少。^[10]

随着工业生产的不断发展，对于垫片的耐温性、耐压性、耐腐蚀性等性能要求越来越高。目前市场上，垫片材料主要包括金属、非金属以及复合材料等多种类型，每种材料都有其适用范围和特点。例如，石墨垫片适用于高温高压环境，而橡胶垫片则更适用于低压低温场合。此外，随着环保要求的提高，开发新型环保材料也成为垫片行业的一个研究方向。未来，随着工业生产向更高效、更清洁的方向发展，对于高性能垫片的需求将持续增长。^[11]

静密封是两个连接件中间夹上垫片来实现密封的，其结构形式有平面垫、透镜垫、锥面垫等。垫片是解决静密封处“跑、冒、滴、漏”的重要零件。当垫片被压紧后，垫片开始变形，随着压紧力增加，垫片比压增大，垫片变形越大。由于垫片表面层变形，垫片被挤压进密封面的波谷中去，填满整个波谷，阻止介质从界面渗透出来。垫片中间部分在压紧力的作用下，除有一定的塑性变形外，还有一定的弹性变形，两密封面在某些因素的作用下，间距变大时，垫片具有回弹力，随之变厚，填补密封面间距的变大，阻止介质从界面泄漏。^[7]

垫片由内环、密封元件本体、外环、表面层、增强层、抗黏结处理层六个部分组成。^[6]

密封元件本体是阻止泄漏的关键部分。常用的材料为非金属材料，如柔性石墨、 聚四氟乙烯、 纤维增强橡胶基复合板等。密封元件本体材料也可以是刚性或柔性的金属，通常用于压力和温度较高的场合。对于非金属材料常通过金属材料予以增强，同时也方便了如石墨等易破碎材料的密封元件的制造加工。增强材料也可以是金属薄板或丝网，金属薄板常采用冲刺孔的方式以提高增强效果和增加弹性，并通过黏结剂和（或）辊压将它们贴合在一起。^[6]

密封元件也可以设表面层或抗黏结处理层来增加密封效果，并防止与法兰密封面黏结。表面层材料可以是聚四氟乙烯或屈服强度低的金属材料（如金、黄铜、软钢、镍、蒙乃尔合金等），也可以采用表面镀层、如铅、锡、聚四氟乙烯、金、银等。 密封元件还可以用聚四氟乙烯或金属保护套包覆，其作用是使内芯材料免受被密封流体的化学侵蚀， 同时又保持了内芯材料的弹性， 如各种包覆结构形式的垫片。^[6]

外环的作用是帮助密封元件安装时对中，从而防止密封元件过分压缩而被破坏，加固垫片本体，防止垫片吹出和减少法兰转动等。 外环材料为实心金属，因其不与流体介质接触，不要求耐介质腐蚀，故常常采用碳钢制成。外环也可以与密封元件制成一体，例如金属齿形垫片、波齿复合垫片等。^[6]

内环是用来防止密封元件本体因刚性不足发生向内屈曲；填补密封件与容器或管道法兰密封面之间的空隙，以避免此空隙干扰流体的流动，以及由此引起的流体对垫片的冲蚀。因为内环与流体接触， 所以其材料要能抵御被密封流体介质的腐蚀。^[6]

非金属垫片，能在流体压力不超过5MPa、温度低于300℃的条件下有效防止流体泄漏，而且由于其质地柔软和良好的弹性，只需较小的预紧力即可实现密封。^[2]

橡胶垫片因其价格低廉、安装简便，以及硬度低、不易损伤法兰面而受到青睐。它具备柔软性好、压缩回弹率高和出色的密封效果。然而，橡胶垫片的耐热性有限，其化学稳定性、耐热性、耐寒性和耐放射性一般，且在高压环境下容易变形。因此，橡胶垫片主要适用于一般管道法兰和机械设备的密封。^[2]

有机纤维垫片以其低廉的价格、简便的装配和易于操作的特点而受到青睐。它们不仅柔软且富有弹性，还具备较高的强度。尽管如此，这类垫片在耐热性和密封性能方面表现不佳，适用的流体类型有限，并且容易吸湿。因此，有机纤维垫片主要被应用于汽车、机械和液压机械的密封领域。^[2]

PTFE垫片和PTFE包裹式垫片都具有良好的化学稳定性、耐寒性和电绝缘性能，不污染流体。但前者在高温中蠕变性和高压下冷流热胀系数大，弹性较小。后者压缩回弹性大，形状多变，用途广泛，但高温中软化，高压部位不易采用，制造尺寸有误差。其主要用于法兰密封，电绝缘法兰，怕污染的流体。^[2]

石棉橡胶垫片具有优良的化学稳定性，能够在宽广的温度和压力范围内使用，便于装配且操作简便，同时成本低廉且稳定。然而，它们在加热后会变得较硬，致密度较低，容易发生渗透泄漏，且材料组成可能存在不均匀性。它主要用于管道法兰和机械法兰的密封。^[2]

金属环垫是将截面形状加工成八角形或椭圆形的实体金属垫，具有径向自紧密封作用，靠垫片与法兰梯形槽的内外侧面（主要是外侧面）接触，并通过压紧而实现密封。金属环垫适用于高温、高压及载荷变化频繁等工况条件，保证密封的必需密封比压比较大，硬度应低于法兰密封面的硬度，以保证密封过程中金属垫片在压紧力作用下有良好的变形，能够更好地填补泄漏通道，同时又不损坏法兰密封面。其适用于公称压力PN2.5～PN400和150BL～2500BL的管法兰密封面。^[5]

金属齿形垫片是一种实体金属垫片，垫片的剖截面呈锯齿形。垫片的密封面上车削若干同心圆。由于金属齿形垫片密封表面接触的V形筋形成许多具有压差的空间线接触，所以密封可靠，使用周期长。和一般金属垫片相比，这种垫片所需的压紧力较小。^[12]其适用于公称压力PN16～PN200的管法兰密封面。^[13]

金属透镜垫的密封面均为球面，与管道的锥形密封面相接触，初始状态为一环线。在预紧力作用下，透镜垫在接触处产生塑性变形，环线状变成环带状，密封性能较好。由于接触面是由球面和斜面自然形成的，垫片易对中。透镜垫片密封属于强制密封，密封面为球面与锥面相接触，易出现压痕，零件的互换性较差。此外，垫片制造成本较高，加工也较困难。其适用公称压力为16.0～32.0MPa，公称通径为3～200mm，使用温度为-30～200℃。^[14]

缠绕式垫片是由V形或W形断面的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。其压缩、回弹性能好；具有多道密封和一定的自紧功能；对法兰压紧密封表面的缺陷不太敏感，不黏接法兰密封表面；容易对中，拆装便捷；可部分消除压力、温度变化和机械振动的影响；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，保持优良的密封性能。其可用于石油、化工、石油化工、热电、燃气、核能、航天、纺织、制药等诸多行业的管道装置、工艺管路或管道静密封部位。^[3]

金属包覆垫片是以非金属材料为芯材，切成所需的形状，外面包以厚度为0.25～0.5mm的金属薄板组成的一种复合垫片。根据包覆状态，一般分为平面型包覆和波纹型包覆两种。其具有与包覆金属相同的耐蚀性和相近的耐热性，非金属柔性填充材料使垫片能在较低的压紧力下达到较好的密封效果。此外， 这种垫片还能制成各种形式的异形垫片，例如椭圆形、方形、带筋形等。与非金属软垫片相比，这种垫片在经常拆卸的条件下不易损坏，不污染、腐蚀法兰密封面，而且具有较高的强度。^[15]

这种垫片是由冲齿的金属齿板或冲孔金属芯板与柔性石墨粒子复合压制而成的密封垫片，它通常由金属冲齿板与柔性石墨板材复合成的柔性石墨复合增强板裁制成所需的形状。这种垫片可制成带不锈钢或碳钢内包边或外包边的形式。 其有良好的耐高、低温，耐腐蚀，耐辐射等性能，强度高，能在高压工况下使用，安装时所需的预紧力比使用金属垫片或金属缠绕垫片的小。其主要用于各种管道、阀门、泵、压力容器、热交换器等法兰连接处的密封部位。这种垫片的使用温度范围为-200～800℃，最高使压力为11.0MPa，最小预紧比压y=30MPa。^[16]

这种垫片是在加工成波齿形状的金属板两端面覆上柔性石墨的一种金属复合垫片，垫片既有金属的强度，又有波纹弹性的特点，适用最高温度 650℃、最高压力26.0MPa以下的突面、凹凸面及榫槽面带颈对焊钢制管法兰、压力容器法兰、阀门及换热器管道和法兰的密封。^[17]

垫片安装前要确定垫片的尺寸，制作平行垫，对螺栓、螺母，以及螺纹连接或法兰连接处进行检查或修整，把密封面上的橡胶、石棉垫片的残片用铲刀铲除干净。^[18]

上垫片前，密封面、垫片，螺纹及螺栓螺母旋转部位涂上一层石墨粉或石墨粉用机油（水）调和的润滑剂。垫片、石墨应保持干净（即垫片袋装，不沾灰；石墨盒装，不见天），随用随取，不得随地丢放。^[19]垫片安装在密封面上要适中、正确,不能偏斜，不能伸入阀腔内或搁置在台肩上。垫片内径应比密封面内孔大些，垫片外径应比密封面外径稍小，这样才能保证垫片受压均匀。^[19]安装垫片只允许垫一片，不允许在密封间垫两片或多片垫片来消除两密封面之间的间隙。^[19]垫片上盖前，阀杆应处于开启状态，以免影响安装损坏阀件。上盖时要对准位置，不得用推拉的方法与垫片接触，以免垫片发生位移和擦伤。调整垫片的位置时，应将盖慢慢提起，对准后轻轻地放下。^[19]上螺栓时，打钢号一端应装在上边与检查的一端，螺栓拧紧应采用对称、轮流、均匀操作方法，分2～4次旋转，螺栓应满牙、齐整无松动。螺纹连接的垫片盖，有扳手位置的，不得用管钳。螺栓连接或螺纹连接的垫片安装,应使垫片处在水平位置上。^[19]垫片上紧后，两连接件之间应有适当间隙，以备垫片泄漏时再次上紧的余地。^[19]

垫片拆卸顺序是：卸除垫片上的预紧力，继而打开静密封面，取出垫片，清除垫片残渣。垫片拆卸方法有除锈法、匀卸法、撬动法等。^[19]

垫片广泛应用于管道连接、阀门、法兰等部位，^[11]不同材质的垫片应用的领域不同，例如非金属垫片主要用于汽车、机械密封，液压机械等密封领域，金属复合垫片可用于石油、化工、石油化工、热电、燃气、核能、航天、纺织、制药等诸多行业的管道装置、工艺管路或管道静密封部位等领域。^[2][3]