在工业设计中密封件往往是最后一个要考虑的元件。虽然在法兰设计时已经考虑了垫片密封的一些特性，但对于密封材料重要性的了解还是不够的。本文从设计的角度讨论工程师们应该了解的有关垫片的一些信息，包括垫片材料的短期性能和长期性能两个方面。

工业密封件范围很广，包括各种不同的材料和形状。本文主要讨论非金属和半金属的密封产品，因为他们是当前工业密封上使用得最为广泛的产品。

非金属密封

当前，非金属密封有多种形态。工业上最为常见的非金属密封材料是各种人造橡胶、无石棉压缩材料、石棉压缩材料、纯PTFE、填充PTFE以及柔性石墨等。

无石棉压缩垫片的开发

石棉垫片由于其纤维具有极好的抗负载能力，且具有非常好的抗老化性（耐化学腐蚀性）、抗压性和耐高温性，多年来，一度成为垫片材料的首选。但并非所有的石棉垫片都具有同等的优良性能。对于高档的石棉垫片，80%或以上的纤维质量直接影响着垫片的质量，纤维的长度和强度与垫片成本和要求的性能比必须最佳化，因此常常采取混合使用不同质量纤维的做法使成本降低。普通等级的石棉垫片在采用较低档次的纤维的同时，其纤维含量也较低。虽然在有些情况下不同质量的石棉垫片表现出相同的物理性能，但纤维质量较高的可以在制造厂家指定的较高温度下连续工作。在过去10~15年的时间里，压缩石棉垫片在美国的使用量急剧下降，主要原因是审理律师提出石棉有致癌作用。但在全球范围内，很多重要的密封问题仍然把压缩石棉垫片作为确保可靠工作的惟一可选材料。但由于需求的下降，很多制造商不愿再承担生产高档压缩石棉垫片的风险。

在全球禁止使用石棉的环保行动的背景下，无石棉压缩垫片被开发了出来。本文在讨论无石棉压缩垫片时，只限于以橡胶为主的、纤维加强的压缩垫片。无石棉垫片的使用和被广泛接受是从上世纪80年代早期开始的。由于转向生产无石棉的垫片意味着增加最终用户的成本，故那时制造商面临很大的困难。从石棉垫片转向无石棉垫片经过了一段很长的时期，因为一种款式的无石棉垫片不可能代替一种款式的石棉垫片，通常的情况是，如要投入工厂化生产，需要有2种，甚至多种款式才行。主要原因是，用人造纤维或以对生命没有威胁的天然纤维作为代替品时，往往达不到石棉纤维所具备的性能。目前几种最常用的纤维一是芳纶（芳香族聚酰胺纤维），二是碳纤维。与石棉垫片相比，无石棉垫片中的纤维含量非常少，这一事实说明在设计无石棉垫片时需要考虑的设计要素要复杂得多。在石棉垫片中一种材料（例如：石棉纤维）能做很多工作，现在做相同的工作需要10种或更多的材料（例如：芳纶纤维，各种不同的填充材料等），这使得制造商在设计具有最佳性能、同时又具有最广泛应用范围的垫片材料时，要承受巨大的压力。

聚四氟乙烯垫片

聚四氟乙烯（PTFE）垫片在无石棉垫片中是非常新颖的。由于石棉垫片已经逐渐淡出垫片市场，而无石棉垫片在极具腐蚀性和危险性化学环境中又无法达到与石棉垫片同等的性能，从而使PTEF垫片备受青睐。低档的PTFE垫片是由纯PTFE树脂材料制成，这种垫片的缺点是它对冷流动非常敏感，因此它的工业应用只能限制在低压和低温的场合。要克服纯PTFE材料冷流动或蠕变的缺点有两种方法：一是在树脂里加入填充剂，另一个方法是令PTFE膨化。加填充剂的PTFE可能成为工业密封领域较为普遍采用的产品。PTFE本身具有非常强的耐腐蚀性，因此，如在PTFE中加进填充剂，必须考虑填充剂的抗老化性，后者常常成为垫片新的制约因素。

柔性石墨垫片

柔性石墨垫片已经成为代替坚韧石墨垫片极为普遍的选择。柔性石墨垫片一般用于温度较高、化学腐蚀性较强、不能以传统压缩无石棉垫片或PTFE垫片解决的场合。当前，中国柔性石墨材料的制造成本比过去只能由美国和欧洲生产这种材料时的成本还要低。对于大多数工业应用，柔性石墨中的碳含量不得少于98%，因为对于一般工况而言，当杂质含量大于2%时，就会很快发生问题。柔性石墨材料一般有均匀的柔性纯石墨板或嵌入不锈钢薄板（不锈钢复合增强板和冲刺不锈钢复合增强板）。嵌入的材料能改善石墨板的性能，包括嵌入的材料能防止垫片被吹出，并改善压缩性能和回复性能。实际上，为了满足使用需求，几乎任何材料都可以嵌入柔性石墨板之间。由于石墨材料本身的耐化学性很强，因此，在核查耐化学性能时，嵌入的材料就成为柔性石墨垫片中最薄弱的环节。

压缩垫片材料的制造

制造压缩垫片的一般过程几乎没有什么变化，惟一的变化就是制造工艺和原材料。制造压缩垫片的工艺基本上有两种：一是逐层压合法，二是抄取工艺制作法。由于绝大多数工业用压缩垫片是采用逐层压合法制造的，本文将重点介绍这种方法。

逐层压合法的制造过程的第一步是把橡胶、纤维、各种填料和溶剂进行混合，制成一种叫做“面团”的混合物，然后把这个“面团”放进两个以相反方向转动的大辊子之间的夹缝中。其中一个辊子是热的（温度在105~115℃ 之间），另一个辊子是冷的（温度在15~38℃之间）。当辊子转过去时，处于夹缝中的“面团”就薄薄地粘在热辊子上面，这样一层一层地往上粘，“面团”不断地被送进夹缝中，辊子不断地转动，直到达到所需要的厚度为止。在混合阶段加入一些化学品，目的是保证“面团”被均匀地揉熟和防止在压合的材料中形成分层。最后压合成的一张板，其尺寸取决于热辊子的宽度和它的周长。大多数采用这种方法制造的压合板，其宽度为60″，因为这种宽度比较容易制造，但世界上也有少数几家企业可以制造3m2或更大一些的压缩板。

无石棉板的制造工艺与石棉纤维板的制造工艺略有不同。无石棉板的任何一种配方里面都有多达30种组分，而石棉板的配方可能只有10种组分，故无石棉板的制造比较复杂。众多加料的相互作用要求使用液压、气动、精密监控的复杂设备，而并非那些老式的、以齿轮和杠杆传动的设备。

采用压缩垫片材料的工程设计

工程师在设计法兰连接的管道系统时，必须考虑压缩垫片材料的一些主要性能，如耐温性、耐化学性和垫片系数。对于压缩性无石棉材料，此三项性能都必须直接从制造商那里获得，其原因是材料强度等特性是直接由每家制造厂商所用的具体配方决定的。制造厂家也非常乐于根据具体信息进行分析，并提出他们的建议。有时，制造厂家得不到该项目的所有信息，其结果只能是制造出一个“万能型”的混合材料垫片，这种材料的垫片虽然在各种场合都能勉强使用，但对于特殊用途如何选择垫片材料却“束手无策”。  
         
垫片系数的计算

垫片系数是工程师们要知道的最普通的设计准则，可能也是被理解得最少的。多年前ASTM曾制订了一个确定垫片系数的程序，对于不同的材料组，通过这个程序可得到ASTM推荐的M值和Y值。在创建这个程序时，几乎所有的垫片都是由压缩石棉材料制造。由于高质量的压缩石棉垫片所含石棉纤维至少达到80%，故不同的垫片产品归纳为几种垫片系数，对法兰设计而言，是可以接受的。当世界上开发成功无石棉垫片材料时，由于不同厂家生产的相同类型垫片的系数值可能存在极大差异，故上述确定垫片系数的程序就不再准确。多数厂家为使M值和Y值能被工程设计所接受，将各自的程序进行了修改。尽管修改了程序，但M和Y值仍存在差异，从设计的观点考虑，要做的工作还很多。目前M和Y值的问题是，在不同的实验室里得出的值不易再现。约20年前，ASME着手开发出了一套更便捷的垫片系数计算程序。由于对大多数工程师的培训是根据M和Y计算垫片系数来进行的，故新的垫片系数被工程师接受还需要一段时间。新的ASME垫片系数计算程序的推广使得所有制造商将采用的只有一个程序，这意味着如果没有别的问题的话，即使这种系数不被用于设计，也可在竞争性产品之间进行更为精确的比较。

抗拉强度的考虑

读者可能注意到以上我并未提到抗拉强度这个工程设计中的重要性能，这是因为对于压缩性无石棉材料而言，抗拉强度对于材料的密封性能不是一个重要指标。反之，当比较压缩性石棉垫片材料时，抗拉强度却不容忽视，因为压缩石棉垫片的质量与石棉纤维的质量和强度是成正比的。在无石棉领域里，如把抗拉强度看成是一个质量控制指标，则更加恰当，制造厂家可利用这个指标迅速判断出制造过程是否按照设计进行。对于压缩性无石棉制品而言，除非操作条件接近制品的上限，否则1500psi和2000psi之间的真实差距是多少并不十分重要。再者，倘若真正重要的话，聪明的选择应当是考虑更换另一种能够提供更高安全系数的产品。

现场安装课题

所有的制造商都拥有装备精良、采用能模拟每个细节程序的实验室。但是大家都知道，我们所处的世界并不完美，实验室的条件在现场很难找到。因此，必须尽可能地在作业预算范围内、遵照制造商推荐的安装程序。使用垫片的条件越关键，越要不计成本地、严格遵守安装程序。每个制造商都有针对其产品的独特安装程序，他们也都愿意提供这些程序，甚至愿意为最终用户的特殊情况专门设计一种安装程序。同样，垫片制造商也能培训现场人员如何分析螺栓连接接头的失效，确定失效的根本原因。虽然制造商看起来总不会有什么过错，垫片接头最为常见的失效很少是由于垫片的物理质量引起的，而多是由于安装程序不当，或使用了别的质量不好的材料、损坏了螺栓连接接头而引起的。在现场能对失效进行分析意味着每年能节省数千美元。

结语

目前市场上出售的密封产品比过去要多很多，因此，最终用户对于如何选择一种最适合他们用途的密封产品，往往感到无从下手。越来越常见的情况是，在对工厂进行全面分析之前，只是严格地按照价格购买垫片，而采购部门与工程设计部门之间缺乏联系，因此，买来的垫片不可能很合适。由于长期以来从不考虑从订购单上设法节省成本，结果是要花很多额外的费用用于维修、库存，甚至保证安全方面的问题。故极为重要的一点是，必须在最终设计确定之前，做好项目的长远成本分析。

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加拿大杜拉巴尔（DURABLA）公司位于加拿大安大略省的贝尔维尔（BELLEVILLE），是一家中等规模的工业垫片材料生产厂家。从1911年开始杜拉巴尔就致力于生产高级质量的垫片材料，1973年开始，杜拉巴尔开始生产压缩垫片材料。杜拉巴尔的生产能力包括石棉和无石棉板材、缠绕垫片、嵌入波纹金属的柔性石墨垫片，以及PTFE垫片（纯PTFE和有填充剂的PTFE）。杜拉巴尔的产品得到国际市场的认可，其所有的无石棉产品商标均为DURLON，所有的石棉产品商标均为“三角形”。

杜拉巴尔通过战略部署，从贝尔维尔工厂向全球所有的客户提供服务。目前杜拉巴尔为了更好的开拓国际市场，在新加坡建立了杜拉巴尔亚洲有限公司以服务亚洲市场，另外在位于中国的上虞成立了杜拉巴尔流体装置（上虞）有限公司以服务中国市场。