摘 要：石棉对人体和环境所造成的危害越来越被关注，无石棉垫片正在成为密封材料发展的趋势，探讨了该类垫片的密封理论以及未来研究的方向。
关键词：无石棉;垫片;密封理论
众所周知，石棉材料会对人体和环境带来危害，随着科技的进步，越来越多的新材料引入到了无石棉密封材料当中，如芳纶浆粕纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维和碳纤维等。利用更多电控技术进一步优化垫片制备工艺，提高了密封垫片的整体性能和致密性能。但是，对于无石棉垫片密封理论的研究较少，本文主要的任务是探讨国内外关于无石棉垫片密封理论的研究进展。
1 垫片的密封原理
考虑无石棉纤维性能好坏主要看它的密封能力。通常泄漏的通道主要有两部分：(1)无石棉垫片本体的渗透;(2)垫片与法兰表面的微孔间隙的界面泄漏。垫片本体的致密性越好，抵御垫片本体的渗漏能力也就越强;垫片的压缩回弹性能越好、蠕变松弛衰减越小，垫片与法兰更能完全结合在一起，界面密封能力越高。具体的泄漏通道见图1。影响密封能力的因素有材料本身的致密性(影响渗透性)、压缩回弹性和蠕变松弛性等。
2 垫片的密封性能的评价
无石棉密封材料的性能评价标准主要沿用过去石棉材料的评价和测试方法。密封性能检测方法主要有美国的ASTM F37 (对应国标 GB/T20671.4)、德国标准DIN3535 和英国的BS7531[2].其中 GB/T20671.4标准中的测试方法B 能够较为准确的测量垫片的整体泄漏率，评价垫片的密封性能。
ASTM F37 测试方法的垫片压强仅为 20.7 MPa、介质压力 0.2 MPa，与目前发动机的实际工况有一定的差距。在实际测试时应该进一步提高垫片压力和介质内压，使测试环境与实际更加贴近。DIN3535 标准规定测试的密封介质为氮气，垫片压强为 32 MPa，测试的介质压强为 4 MPa.利用 DIN3535 测试方法可以获得不同垫片厚度、垫片压强和介质压力等条件下的垫片密封规律，为垫片的实际选用提供依据。
3 密封机理的研究现状
过去无石棉密封材料的密封机理研究大多是将密封介质看成粘性流体。现阶段密封机理研究重点是选择一种什么样的理论模型来表征垫片的泄漏通道[3-4]。
更多的学者[2-3]将泄漏通道看成多孔的毛细血管，如 Masi 和 Vincent 将垫片的泄漏通道表征为由许多条直径相同、 没有拐弯的平行管道所组成，通过研究得到了不同介质压力和不同等级垫片压强的泄漏规律。此外，试验表明利用该模型对其他条件下的密封性能进行预测，获得了较为准确的垫片泄漏率。
L. Marchand[4]在 Masi 理论的基础上更进一步提出了LMF ( laminar-molecular flow model)分子模型，该模型根据环境条件，可以将泄漏模式分为三种：分子流形式、层流形式及混合流形式。界定泄漏方式的过程中重点考虑了密封介质的稀薄效应，该模型的提出不但能够准确地预测不同条件下的垫片泄漏方式，并且对泄漏率的预测也更加准确可靠。
国内的顾伯勤在 Marchand 模型的基础上[5]，将密封系统看成是螺栓、法兰和垫片三者之间的整体配合，该系统属于一个静不定问题。根据可靠性理论提出了评价密封垫片系统可靠性的方法——密封过程中的紧密型设计方法。该理论通过一系列的密封试性验作，依据不同垫片压强条件下的泄漏率数据库，建立泄漏率预测模型，推算出安全的垫片应力大小，为密封系统的前期开发提供参考。但该模型也有明显的短板，利用该模型获得的密封试验数据均在常温下获得，没有考虑垫片-法兰-系统在高温条件下的密封能力，在预测发动机使用环境中的垫片材料时，实际的密封能力受发动机的工况的影响较大，预测效果一般。
国外的 Pascal Jolly 将密封系统中的介质看成是满足一阶边界条件下的达西定律，提出了新的模型和模型参数。同时提出表征渗透性的参数 kv 和克努森数 Kn，这两个参数均是通过大量的试验数据积累所得。利用该密封性模型进行预测，准确率不但超过了LMF 模型，并且能够快速有效地预测和确认不同工况条件下的泄漏模式和泄漏率。
周先军[6]在分析泄漏模型时将密封垫片的尺寸、所受载荷、介质、介质压力和载荷的衰减等因素考虑进去并结合渗流力学相关方面的理论，创造性的提出了密封渗漏模型。利用该模型预测的泄漏率与实际试验结果更加接近。
综上，对垫片可靠性和密封性理论的研究已经取得了不少成果，但是泄漏模型对高温、高压因素的考虑还比较欠缺。比如用于发动机中的垫片，随着发动机功率和扭矩的不断提升，对密封垫片泄漏率和可靠性要求越来越高，相应的预测难度也越来越大。因此，下一步要将研究重点放到探索一种更加贴近实际工况的泄漏理论探索当中。
4 结束语
无石棉垫片的密封理论研究已经取得了一定的成果，利用模型可以得到密封垫片的泄漏规律。但现有试验和理论成果大多还集中在常温静态条件下，没有考虑振动和高温的影响。因此下一步的研究重点应将振动和温度因素考虑进去，研究对无石棉垫片的密封性能的影响，建立更加贴近实际工况的泄漏率预测模型。
参考文献：
[1] B. Porodnov， V. Akin’ shin. Flow of Low-Density Gases in a Capillary Grid[J]. Sov. Phys. Tech.Phys.1974，( 19)：515-518.
[2] ASTM F37 -06. Standard Test Methods for Sealability of Gasket Materials[S].
[3] P. Jolly， L. Marchand. Leakage predictions for static gasket based on the porous media theory [N]. Proceedings of the 11th ASME pressure vessels and piping division conference，2006.
[4] L. Marchand. Predicting gasket leak rates using a laminar-molecular flow model [N]. Proceedings of the 10th ASME Pressure vessels and piping division conference. 2005.
[5] B.Gu，Y.Chen，D. Zhu. Prediction of Leakage Rates Through Sealing Connections With Nonmetallic Gaskets [J]. Chin.J. Chem. Eng. 2007，( 15)：37-841.
[6] 周先军. 非金属多孔介质泄漏模型再研究[J]. 润滑与密封，2008，33 ( 12)：65-67
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