| 详细介绍： 垫片密封连接的泄漏现象
一、垫片密封机理
泄漏即介质从有限空间内部流动到外部，或者从外部进入有限空间内部。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。由于泄漏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，这就会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，以产生压紧应力，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，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
螺栓法兰垫片连接中，垫片是最主要的密封元件。对于非金属垫片来说，连接的密封是通过拧紧螺栓，造成法兰与垫片接触表面及其垫片内部较大的压紧应力，从而一方面使垫片表面与法兰表面紧密贴合、填满法兰表面的微间隙，另一方面减小垫片材料的孔隙率、亦即减小被密封流体的泄漏通道。由于任何制造或加工方法都不可能形成绝对光滑的理想表面，也不可能实现密封面间的完全嵌合以及密封件本身孔隙的完全阻塞，所以在相互接触的密封面间和密封件的内部总是存在着微小的间隙或通道。因而，对垫片密封来说，泄漏总是不可避免的。当介质以一定的压力通过螺栓法兰连接时，总会在密封点处出现泄漏，分析这种现象，可以发现它是以两种形式出现的，即所谓的“界面泄漏”和“渗透泄漏”[1],如图3-2
1.界面泄漏
垫片压紧应力不足、法兰密封面粗糙、管道的热变形、机械变形以及振动等都会造成垫片与法兰密封面之间的贴合不严而发生泄漏。此外，螺栓法兰连接在操作工况下由于温度、压力的作用，螺栓变形伸长，垫片蠕变松弛、回弹能力下降，垫片材料的老化、变质等亦会造成垫片与法兰密封面之间的泄漏。这种发生在垫片与法兰密封面之间的泄漏称为“界面泄漏”。
2.渗透泄漏
非金属垫片通常由植物纤维、动物纤维、矿物纤维或化学纤维与橡胶粘结压制而成，或有柔性石墨等多孔材料制作而成。由于其组织疏松，致密性差，纤维与纤维之间存在无数微小间隙，很容易被介质浸透，特别是在压力作用下，介质会通过材料内部的孔隙渗透出来。这种发生在垫片材料内部的泄漏现象称为“渗透泄漏”。
三、 垫片密封过程
在加载过程中，泄漏率随垫片的压缩变形量而变化。当轴向压紧载荷小于一定的值时，尽管垫片已产生了一定的压缩变形量，但泄漏仍然很严重，基本上没有密封能力；继续增加压紧载荷，垫片的压缩变形量随之增大，泄漏率逐渐减小；但当轴向压紧载荷大到一定程度时，泄漏率几乎不变。在卸载过程中，垫片的压缩变形量随压紧载荷的减小而减小，相应的泄漏率随之而增大，但在同一轴向载荷下，卸载时的泄漏率远较加载时所对应垫片的应力下的泄漏率小。当轴向载荷减小到一定程度时，尽管垫片的弹性变形尚未完全消失，仍具有一定的回弹能力，但泄漏率已急剧增大。
加载和卸载时泄漏率的变化情况可通过分析密封面的微观结构来解释。密封面微观结构如图3-3所示，初始表面由以下几部分组成[2],其中：A——法兰面的最大不平度；
B——法兰面的缺陷（裂纹、划伤等）;
a——垫片表面的最大不平度；
b——垫片表面缺陷
c——密封面间的杂质、毛刺等。
在加载过程中，泄漏率随垫片的压缩变形而变化。配合面间首先接触的是表面最突出部分如毛刺、颗粒状杂质等，如图3-3（a）所示。在加载过程的初期，因局部载荷很大，这些凸出部分很快被压平或嵌入凹陷部分直至图3-3（b）状态，此时尽管垫片已产生了一定的压缩变形，但泄漏仍很严重。在此阶段中，配合表面大部分呈自由状态，间隙很大，基本上没有密封能力，尚不能形成初始密封。由3-3（b）状态继续加载，配合面间的波峰、波谷相互穿插、嵌合，微间隙逐渐减小直至配合面吻合，如图3-3（c）所示。在该阶段中，流道截面随压紧力增加而减小，流道阻力随之增大，泄漏率相应减小，即增加压紧载荷可以有效地控制泄漏，故通常称该阶段为正常密封阶段。从图3-3（c）可以看出，当配合面基本吻合后，若继续增加压紧载荷，垫片的压缩变形增加甚微，泄漏率则几乎不变。此时由初始表面的不平度所形成的微间隙基本上已被堵死，配合面大部分嵌合，泄漏通道主要由表面缺陷如裂纹、划伤等组成，而要进一步消除这部分间隙则十分困难。卸载过程中，密封面上由于相互嵌合而产生的塑性变形不因卸载而恢复，此时，只要垫片为被完全压实，垫片的回弹量足以补偿由于介质压力所引起的密封面间的互相分离，连接总是具有一定的密封能力。这就是在同一压紧载荷下，卸载时的泄漏率远小于加载时的泄漏率的原因。但是，由于初始表面的不平度，密封面上应力分布是很不均匀的，嵌合过程中并非垫片的整个表面都形成了与法兰面相吻合的塑性变形，其中一部分受力较小的波谷处仍处于弹性状态。这部分弹性变形将随压紧载荷的减小而恢复，于是卸载过程中一部分微间隙又重新出现，泄漏率又随压紧载荷的减小而渐渐增大。
四、 影响泄漏的主要因素
对垫片密封来说，其泄漏状况与被密封介质的物性、工况条件、法兰密封面的粗糙程度、压紧应力以及垫片的基本特性、尺寸、加载卸载历程等诸多因素有关。
1. 被密封介质物性的影响
采用同样的密封连接形式，在同样的工况条件下，气体的泄漏
率大于液体的泄漏率，氢气的泄漏率大于氮气的泄漏率。这主要是由于被密封介质的物性参数不同造成的。在被密封介质的物理性质中，黏性的影响最大。黏度是流体摩擦力的量度，对于黏度大的介质，其泄漏阻力大，泄漏率就小；对于黏度小的介质，其泄漏阻力小，泄漏率就大。
2. 工况的影响
垫片密封的工况条件包括戒指的压力、温度等。不同的压力、温度下其泄漏率的大小不同。密封面两侧的压力差是泄漏的主要动力，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。温度对连接结构的密封性能有很大的影响。研究表明，垫片的弹、塑性变形量均随温度增大而增大，而回弹性能随温度增高而下降，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，温度对介质的黏度也有很大的影响，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
相同的垫片预紧比压下，法兰表面粗糙度不同，泄漏率亦不一样。通常，表面粗糙度越小，泄漏量越小。研磨过的法兰密封面其密封效果要比未研磨的法兰密封面的密封效果好。这主要是由于粗糙成俗小的密封表面其凹凸不平易被填平，从而使得界面泄漏大小为减少。
4. 垫片压紧应力的影响
垫片上的压紧应力越大，其变形量就越大。垫片的变形一方面有效地填补了法兰表面上的不平度，使得界面泄漏大为减小；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。但是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. 垫片性能和几何尺寸的影响
（1）垫片基本性能的影响
垫片基本性主要包括两部分，一是垫片的力学能力，它包括垫片的压缩回弹特性、蠕变和应力松弛特性等；而是垫片的基本密封性能。垫片的基本性能对连接的密封性能影响很大。
螺栓法兰垫片连接的密封本质上是通过垫片变形，以增加流体流动阻力来实现的。垫片的压缩特性部分的反应了其表面与法兰面嵌合，形成初始密封的能力。在操作条件下，由于螺栓的伸长和法兰的变形，使法兰面和垫片产生相对分离（垫片所受压缩应力减少）的倾向，这时连接的紧密与否很大程度上取决于垫片的回弹能力。蠕变和应力松弛是相联系的，它反映了垫片材料在一定温度和载荷作用下其变形随时间的增加而增加、其应力随时间的增加而减小的变化规律。蠕变和松弛是导致高温密封连接泄漏率增大的重要原因。垫片密封性能表征了泄漏率与介质压力、垫片残余压紧力和温度的关系，是垫片密封能力的一项综合指标。
（2）垫片尺寸的影响
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少[3]。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，从而使得泄漏率减少。但不能说垫片越厚，其密封性能越好。这是因为，垫片的厚度不同，建立初始密封的条件也不同，由于端面上摩擦力的影响，垫片表面呈三向受压的应力状态，材料的变形抗力较大；而垫片中部，受端部的影响较小，其变形抗力也较小。在同样的预紧载荷下，垫片中部较垫片表面更容易产生塑性变形，此时，建立初始密封面也越困难，故当垫片厚度达到一定数值以后，密封性能并无改变甚至恶化。此外，垫片越厚，渗透泄漏的截面积越大。渗透泄漏率也就越大。
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[3]。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。但也不能说，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。
一、垫片密封机理
泄漏即介质从有限空间内部流动到外部，或者从外部进入有限空间内部。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。由于泄漏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，这就会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，以产生压紧应力，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，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
螺栓法兰垫片连接中，垫片是最主要的密封元件。对于非金属垫片来说，连接的密封是通过拧紧螺栓，造成法兰与垫片接触表面及其垫片内部较大的压紧应力，从而一方面使垫片表面与法兰表面紧密贴合、填满法兰表面的微间隙，另一方面减小垫片材料的孔隙率、亦即减小被密封流体的泄漏通道。由于任何制造或加工方法都不可能形成绝对光滑的理想表面，也不可能实现密封面间的完全嵌合以及密封件本身孔隙的完全阻塞，所以在相互接触的密封面间和密封件的内部总是存在着微小的间隙或通道。因而，对垫片密封来说，泄漏总是不可避免的。当介质以一定的压力通过螺栓法兰连接时，总会在密封点处出现泄漏，分析这种现象，可以发现它是以两种形式出现的，即所谓的“界面泄漏”和“渗透泄漏”[1],如图3-2
1.界面泄漏
垫片压紧应力不足、法兰密封面粗糙、管道的热变形、机械变形以及振动等都会造成垫片与法兰密封面之间的贴合不严而发生泄漏。此外，螺栓法兰连接在操作工况下由于温度、压力的作用，螺栓变形伸长，垫片蠕变松弛、回弹能力下降，垫片材料的老化、变质等亦会造成垫片与法兰密封面之间的泄漏。这种发生在垫片与法兰密封面之间的泄漏称为“界面泄漏”。
2.渗透泄漏
非金属垫片通常由植物纤维、动物纤维、矿物纤维或化学纤维与橡胶粘结压制而成，或有柔性石墨等多孔材料制作而成。由于其组织疏松，致密性差，纤维与纤维之间存在无数微小间隙，很容易被介质浸透，特别是在压力作用下，介质会通过材料内部的孔隙渗透出来。这种发生在垫片材料内部的泄漏现象称为“渗透泄漏”。
三、 垫片密封过程
在加载过程中，泄漏率随垫片的压缩变形量而变化。当轴向压紧载荷小于一定的值时，尽管垫片已产生了一定的压缩变形量，但泄漏仍然很严重，基本上没有密封能力；继续增加压紧载荷，垫片的压缩变形量随之增大，泄漏率逐渐减小；但当轴向压紧载荷大到一定程度时，泄漏率几乎不变。在卸载过程中，垫片的压缩变形量随压紧载荷的减小而减小，相应的泄漏率随之而增大，但在同一轴向载荷下，卸载时的泄漏率远较加载时所对应垫片的应力下的泄漏率小。当轴向载荷减小到一定程度时，尽管垫片的弹性变形尚未完全消失，仍具有一定的回弹能力，但泄漏率已急剧增大。
加载和卸载时泄漏率的变化情况可通过分析密封面的微观结构来解释。密封面微观结构如图3-3所示，初始表面由以下几部分组成[2],其中：A——法兰面的最大不平度；
B——法兰面的缺陷（裂纹、划伤等）;
a——垫片表面的最大不平度；
b——垫片表面缺陷
c——密封面间的杂质、毛刺等。
在加载过程中，泄漏率随垫片的压缩变形而变化。配合面间首先接触的是表面最突出部分如毛刺、颗粒状杂质等，如图3-3（a）所示。在加载过程的初期，因局部载荷很大，这些凸出部分很快被压平或嵌入凹陷部分直至图3-3（b）状态，此时尽管垫片已产生了一定的压缩变形，但泄漏仍很严重。在此阶段中，配合表面大部分呈自由状态，间隙很大，基本上没有密封能力，尚不能形成初始密封。由3-3（b）状态继续加载，配合面间的波峰、波谷相互穿插、嵌合，微间隙逐渐减小直至配合面吻合，如图3-3（c）所示。在该阶段中，流道截面随压紧力增加而减小，流道阻力随之增大，泄漏率相应减小，即增加压紧载荷可以有效地控制泄漏，故通常称该阶段为正常密封阶段。从图3-3（c）可以看出，当配合面基本吻合后，若继续增加压紧载荷，垫片的压缩变形增加甚微，泄漏率则几乎不变。此时由初始表面的不平度所形成的微间隙基本上已被堵死，配合面大部分嵌合，泄漏通道主要由表面缺陷如裂纹、划伤等组成，而要进一步消除这部分间隙则十分困难。卸载过程中，密封面上由于相互嵌合而产生的塑性变形不因卸载而恢复，此时，只要垫片为被完全压实，垫片的回弹量足以补偿由于介质压力所引起的密封面间的互相分离，连接总是具有一定的密封能力。这就是在同一压紧载荷下，卸载时的泄漏率远小于加载时的泄漏率的原因。但是，由于初始表面的不平度，密封面上应力分布是很不均匀的，嵌合过程中并非垫片的整个表面都形成了与法兰面相吻合的塑性变形，其中一部分受力较小的波谷处仍处于弹性状态。这部分弹性变形将随压紧载荷的减小而恢复，于是卸载过程中一部分微间隙又重新出现，泄漏率又随压紧载荷的减小而渐渐增大。
四、 影响泄漏的主要因素
对垫片密封来说，其泄漏状况与被密封介质的物性、工况条件、法兰密封面的粗糙程度、压紧应力以及垫片的基本特性、尺寸、加载卸载历程等诸多因素有关。
1. 被密封介质物性的影响
采用同样的密封连接形式，在同样的工况条件下，气体的泄漏
率大于液体的泄漏率，氢气的泄漏率大于氮气的泄漏率。这主要是由于被密封介质的物性参数不同造成的。在被密封介质的物理性质中，黏性的影响最大。黏度是流体摩擦力的量度，对于黏度大的介质，其泄漏阻力大，泄漏率就小；对于黏度小的介质，其泄漏阻力小，泄漏率就大。
2. 工况的影响
垫片密封的工况条件包括戒指的压力、温度等。不同的压力、温度下其泄漏率的大小不同。密封面两侧的压力差是泄漏的主要动力，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。温度对连接结构的密封性能有很大的影响。研究表明，垫片的弹、塑性变形量均随温度增大而增大，而回弹性能随温度增高而下降，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，温度对介质的黏度也有很大的影响，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
相同的垫片预紧比压下，法兰表面粗糙度不同，泄漏率亦不一样。通常，表面粗糙度越小，泄漏量越小。研磨过的法兰密封面其密封效果要比未研磨的法兰密封面的密封效果好。这主要是由于粗糙成俗小的密封表面其凹凸不平易被填平，从而使得界面泄漏大小为减少。
4. 垫片压紧应力的影响
垫片上的压紧应力越大，其变形量就越大。垫片的变形一方面有效地填补了法兰表面上的不平度，使得界面泄漏大为减小；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。但是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. 垫片性能和几何尺寸的影响
（1）垫片基本性能的影响
垫片基本性主要包括两部分，一是垫片的力学能力，它包括垫片的压缩回弹特性、蠕变和应力松弛特性等；而是垫片的基本密封性能。垫片的基本性能对连接的密封性能影响很大。
螺栓法兰垫片连接的密封本质上是通过垫片变形，以增加流体流动阻力来实现的。垫片的压缩特性部分的反应了其表面与法兰面嵌合，形成初始密封的能力。在操作条件下，由于螺栓的伸长和法兰的变形，使法兰面和垫片产生相对分离（垫片所受压缩应力减少）的倾向，这时连接的紧密与否很大程度上取决于垫片的回弹能力。蠕变和应力松弛是相联系的，它反映了垫片材料在一定温度和载荷作用下其变形随时间的增加而增加、其应力随时间的增加而减小的变化规律。蠕变和松弛是导致高温密封连接泄漏率增大的重要原因。垫片密封性能表征了泄漏率与介质压力、垫片残余压紧力和温度的关系，是垫片密封能力的一项综合指标。
（2）垫片尺寸的影响
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少[3]。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，从而使得泄漏率减少。但不能说垫片越厚，其密封性能越好。这是因为，垫片的厚度不同，建立初始密封的条件也不同，由于端面上摩擦力的影响，垫片表面呈三向受压的应力状态，材料的变形抗力较大；而垫片中部，受端部的影响较小，其变形抗力也较小。在同样的预紧载荷下，垫片中部较垫片表面更容易产生塑性变形，此时，建立初始密封面也越困难，故当垫片厚度达到一定数值以后，密封性能并无改变甚至恶化。此外，垫片越厚，渗透泄漏的截面积越大。渗透泄漏率也就越大。
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[3]。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。但也不能说，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。
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