密封件失效将会给流程设备的使用者带来巨大的经济损失，而由于密封件失效给流程工业企业的产品带来巨大质量损失的事情也屡见不鲜。本文通过实例介绍了碳纤维材料密封件的耐热性能。

在化工生产企业、石化生产企业和火力发电生产企业中，对流程设备密封材料的最大要求是具有持久的耐热性能。这不仅关系到密封件自身的密封性能，而且从流程设备的使用安全可靠性以及不断提高的流程工艺温度方面来讲，都是非常重要的问题。平面密封垫和管道连接件用密封件属于与安全有关的零部件，它们应归属到必须适当的予以注意的零件类别中。因此，有些欧洲的流程工业企业为了节省费用不经流程设备生产厂同意就自行选择使用另外一种密封件材料，是一种非常不理智的决定。

荷兰的流程设备生产厂也遇到了密封件材料的问题，并积累了一些经验。同样他们也因密封件材料选择不妥，导致流程设备密封出现问题，甚至发生意外事故，产品质量不合格。因此，荷兰的许多流程工业企业，如Shell、DSM、Dow、Huntsman和Akzo Nobel等公司组成了一个“CAPI集团”，对所使用的密封件材料的最低要求做出了规定。

对于碳纤维密封材料除了提出纯净度和机械性能要求之外，还规定了耐热性能的检测方法，即所谓的“氧化测试（Oxidationstest）”。这一方法被记入了CAPI技术规范之中，在各个企业中贯彻落实。

图1、2中可看到由于氧化而失效的碳纤维密封件。

耐热性能

柔性的碳纤维的机械性能很少受到温度的影响，因此在与弹性纤维材料有关的、或与PTFE材料有关的碳纤维密封件材料中，碳纤维材料的压力-温度曲线意义不大，通常也不要求有这样的曲线。

然而粘结剂或填充材料耐热性能的不足在碳纤维材料密封件的整个工作温度范围内和整个使用寿命周期内都具有重要的影响和作用。在实践中，材料没有明显材料蠕变或者材料流动。因此，柔性碳纤维材料的密封连接几乎不会出现问题。碳纤维材料的低温脆性并不明显。

在空气温度范围300~650℃之间的密封件实际使用寿命是不能随便估计的。它与碳纤维的质量以及生产厂有着密切关系，并在很大程度上受到使用情况、工作条件以及密封系统设计的影响。除了密封件的温度通常远远低于流程介质的实际工作温度以外，氧气与碳纤维的接触对碳纤维材料密封件的使用寿命也有着重要的影响。碳纤维材料密封件随温度的提高而氧化的情况可通过密封件重量的减少准确的检测出来（C+O2→CO/CO2）。

沿着这一思路，碳纤维材料的纯度对耐热性能的影响如何还没有明确的答案。尤其是碳纤维薄膜，一般情况下在温度大约300℃时就开始在局部出现微小的氧化源。这主要是由天然石墨原材料的材料学特性、晶格结构的缺陷和不同的生产制造工艺技术所决定的。

图3 受温度影响的碳纤维材料重量损失曲线。

图1所示的是一个利用碳纤维材料压制而成的碳纤维层压密封垫氧化后的情况。还可以看到层压增强的迹象。碳残留物已经风化。图2所示的是一个铁板增强的碳纤维密封垫失效的情况，从照片中可以清楚的看到，碳纤维密封垫的氧化失效是由外向内进行的。由于这种不断进行的表面压力减小，最终导致碳纤维密封垫失效。

碳纤维密封件的耐热性能和抗氧化性能对于流程设备的安全、可靠的长期使用有着重要的作用。由于各个领域中对密封件要求的不断提高，例如在火力发电企业中效率的提高，或是出台了有关流程设备制造的新规定等，对密封件使用寿命和可靠性的要求也在不断的提高。

因此，流程工业生产企业应致力于提高碳纤维薄膜材料的抗氧化保护。碳纤维材料抗氧化保护技术最初是为汽车生产企业而研发的，以满足现代化发动机排气系统高排温的要求。

但在碳纤维薄膜抗氧化保护技术的研发过程中化工、石化和火力发电生产领域中也都采用了这一技术。采用这一技术后的碳纤维材料质量与市场上常见的碳纤维材料在耐热性能方面有了明显的提高和改进，用碳纤维技术领域中的一句行话来解释就是：质量损失曲线中的温度提高了大约150℃。图3所示就是在空气中的重量损失曲线，表示的是温度在这方面的影响。在流程设备的连接法兰和管道连接件中，碳纤维密封件的重量损失较低，但是图中几种材料的对比情况保持不变。

氧化测试：摘自CAPI Spec和Shell Spec的试验报告

氧化测试

很高的耐热性能以及很好的抗氧化性能对于密封件在其整个使用寿命周期内可靠的密封功能和持久的密封特性都有着决定性的作用。基于这一原因，荷兰CAIP集团中的流程工业生产企业在其使用的专项技术规范中规定了氧化测试。这一氧化测试方法借鉴了EN 14772标准规定的氧化测试方法。EN 14772标准中规定的氧化测试方法非常适合不同材料间的直接对比试验。但在可重复性方面、在不同试验釜中进行的对比试验方面则有些不足。由于不同试验釜的类型不同、燃烧室的大小不同，输入的空气量不同，往往会得到完全不同的试验结果。

为了得到统一的试验结果、简单的进行跨企业的试验对比，CAPI集团规定采用TGA试验方法。因为与试验釜的选择一样，被检测碳纤维薄膜的尺寸规格、密度、氧化接触面积和碳纤维微孔都对氧化状况具有重要影响。试验温度为670℃，试验过程和最大允许的氧化率为每小时4%，都采用了EN 14772标准的规定。

对EN 14772标准进行了补充的氧化测试检验方法表明：抗氧化的碳纤维品种的质量损失在2%~4%之间。标准型碳纤维材料种类的质量损失在10%~15%之间，而市场上常见的普通类别的碳纤维材料的质量损失则高达20%~30%（一般为来自远东地区的产品）。CAPI集团的这一规定和实施，例如在Shell公司中的贯彻落实，无疑是在碳纤维密封材料性能方面，尤其是在碳纤维材料的耐热性能研究和试验方面向着正确的方向迈出了一步。