无石棉垫片材料基本性能的研究进展-奥赛罗密封材料有限公司

　　摘要：本文综述了压缩非石棉纤维橡胶垫片(即无石棉垫片)密封材料( CFS)的基本性能研究、发展和应用现状，对 CFS 的基本性能的研究和发展情况作了较系统的介绍。

　　1 前言

　　研究和应用表明，垫片的选择、评定、安装和操作特别是垫片的选择和评定是确保“垫片- 螺栓-法兰连接”系统密封质量的最关键所在。

　　近百年来，依赖长期经验累积形成的适合压缩石棉纤维增强橡胶板 (compressedasbestos fiber,CAF) 的性能表征方法和试验标准，对指导 CAF 的生产和应用具有一定的现实作用。然而，ASTM F104、BS 7531及一些生产厂家以此对压缩非石棉纤维橡胶板(compressed no-asbestos fiber sheet，CFS)进行表征和试验, 则难以正确评定实际 CFS 的质量,更难以正确指导其生产和应用。为此，PVRC、MTI 和其他一些国家和组织在过去二十年里，以CAF 为参比，对无石棉垫片、聚四氟乙烯垫片、柔性石墨垫片、金属包覆垫片和缠绕垫片等多种商业垫片的室温和高温性能进行了系列化的研究，以了解其行为规律并制定新的垫片试验方法和评定标准，并期望成为有关标准组织(如 ASTM 和 API ) 的标准垫片性能试验方法，并作为建立统一的高温垫片评定方法的重要步骤。本文对国内外无石棉垫片材料基本性能的研究情况进行了综述。

　　2 CFS的一般性能表征和试验方法

　　传统密封材料最重要的性能包括：抗拉强度、压缩回弹性能、蠕变松弛性能、密封性和抗化学介质能力，它们是表征和评定密封材料品质的主要指标。

　　2.1 抗拉强度

　　抗拉强度反映了材料抵抗拉伸和断裂的能力，石棉纤维的增强效果十分明显，CAF一般具有较高的抗拉强度， ASTM F152 要求高品质 CAF 的横向抗拉强度在35MPa以上。但实际垫片主要受压而不受拉伸作用，抗拉强度并不是其最关键的技术性能，因此，CFS一般仅要求具有7.0MPa 以上的横向抗拉强度，而大部分 CFS 的横向抗拉强度基本在 10MPa 左右。

　　尽管抗拉强度已不如以往标准规定的那样重要，但作为评定材料性能稳定性和可重复性的一个快速、简便的方法以及鉴于它可以在一定程度上反映垫片耐介质压力和抗时效损伤的能力，因此在材料研制和应用中仍是一个重要的评定指标，尤其是在高温时效研究中，残余抗拉强度仍是一个主要技术指标。

　　2.2 压缩回弹性能

　　压缩回弹性能反映了密封材料发生弹性或塑性变形，填补密封表面缺陷，并进行弹性补偿维持密封的能力，它与密封材料的组成及配比有密切的关系。

　　按ASTM F36通过对垫片进行常温压缩试验，可获得垫片材料的压缩率和回弹率。通常 CFS 要求压缩率为 7%～ 17%，回弹率大于 50%，这与 CAF 基本相同。

　　ASTM F36 是在室温下进行的，反映的是短期行为，而且不能代表材料的高温性能。为此，BS 7531把试验温度提高为300℃，垫片应力也规定为40MPa，而 DIN 52913 也把试验条件定为300℃、50 MPa，以反映CFS在高温下的压缩回弹能力，但也仅是某一垫片应力和温度下的单一值。为此，有的厂商通过热压缩试验 ( hot compression test)研究了不同垫片应力和温度下的垫片变形情况，由此可以确定无石棉垫片在不同情况下的最大承压能力，见图1、图2。

图1 高品质CFS的热压缩试验

图2 高品质CFS最大许可垫片应力

　　2.3 蠕变松弛性能

　　蠕变松弛是表征密封材料最重要的性能之一，反映了垫片材料抵抗应力松弛和变形的能力，是一种瞬时应力-应变关系，与温度、时间、初应力、热片厚度等多种因素有关。通常，蠕变松弛越慢，则残余压缩载荷越大，长期密封效果越好。对于无石棉垫片，蠕变松弛是法兰接头在工作寿命内发生泄漏的主要原因，它对结合面的密封能力及垫片工作寿命起着决定作用。

　　ASTM F38(B)根据承受初始应力 20.68MPa 的垫片材料在22h× 100℃热空气处理后螺栓伸长的松弛百分率来反映材料的蠕变松弛性能; BS2815 和DIN52913则通过测试螺栓的残余应力来反映密封材料的抗蠕变松弛能力，而且试验时间和温度都较ASTM F38 延长和提高，以便更真实地反映无石棉垫片的抗蠕变松弛能力。

　　Peter Childs等按BS 2815和ASTM F38(B)研究了 CFS 的蠕变松弛性能(见表 1和图3)，结果表明CFS 的抗蠕变松弛能力介于高品质 CAF 和普通 CAF之间，并随材料厚度增加、初始应力下降和温度增加而降低，且随组分不同其变化速率也不同。

表1 CFS的应力松弛

图3 CFS在不同初始应力下的蠕变松弛试验曲线 ( 22h× 100℃)

　　PVRC 的 HROT 试验计划(热松弛热紧密性试验) 研究了温度1200°F时间4天在模拟刚性条件下进行超载和温度循环时垫片的抗松弛能力，结果表明无石棉垫片由于含有 70%～ 80% 的石棉纤维，在胶黏剂分解后仍具有有效的抗松弛性和适当的密封性，而CFS 垫片由于纤维含量少，耐热差，在长时间的高温作用下，纤维与胶黏剂同时分解，因此它们的抗蠕变松弛性能较无石棉垫片差。

　　2.4 耐介质性能

　　耐介质性能包括：耐油性能、耐化学介质性能和耐溶剂性能，反映了材料对介质的抵抗性，通常用材料的厚度增加率和质量增加率表示，直接决定材料的适用环境。耐介质性能取决于材料的组成成分(如基体材料、增强材料、填料和加工助剂等)，对于与非惰性介质接触的垫片，耐介质性能是一个十分重要的技术指标，在其他性能保证的情况下，介质浸渍后垫片材料保持适度的厚度增加率有利于密封性能的提高。

　　目前，国内外对密封材料耐介质性能的研究相当少，可使用的评价标准主要是 ASTM F146 耐油性能的试验方法，虽然 DIN 28090-3 已颁布了化学品对垫片材料压缩、回弹和密封性能的试验方法，但尚待应用考证。

　　2.5 密封性能

　　密封性能是垫片品质好坏的综合表现，泄漏率是最直观的指标。ASTM F37 提供了室温评价垫片材料气体和液体泄漏率的方法，DIN 3536/6提供了垫片抗渗透性的测试方法，BS 7531 对 CFS 的气体渗透性试验也作了明确的规定(一般要求 CFS 的泄漏率不大于 1mL/min)。

　　早期密封试验大多是在室温下进行， ErnstSauter 研究了一定垫片应力下介质压力与泄漏率的关系; John Brown 研究了CFS 在不同垫片应力下泄漏率与介质压力的关系，结果表明泄漏率的对数和介质压力的对数呈线性关系。对几种无石棉垫片的密封压力、温度及垫片厚度的研究，发现对于气体介质，垫片越薄越好，它可使密封所需螺栓载荷降低，抗蠕变松弛能力提高; 但垫片也不能太薄，必须具有一定的厚度以填补法兰面上的加工缺陷和机械划痕。而对于液体介质，垫片厚度基本不起作用。由于传统试验方法不能完全反映垫片的实际使用性能，所以目前正把 ASTM F37 的密封性试验与ASTM F38B的蠕变松弛试验方法联合起来，即将试件在预定的载荷、温度和时间下发生蠕变松弛后，再用密封介质进行密封性试验，故称为蠕变密封试验，其结果如表 2 所示。20 世纪70 年代后期，随着对 CFS 为主的垫片性能的深入研究，密封试验已经从早期的常温试验向高温时效方向发展，并取得了一系列成果。

表2 蠕变松弛-密封性试验结果

　　除上述几个基本性能外，直接或间接地用以表征垫片性能的技术指标还包括耐热性能、抗粘着能力、密度以及对法兰面的腐蚀性等，它们对于合理选用和评定无石棉垫片，确保其安全可靠和耐久性能具有重要作用。

　　3 结语

　　目前对 CFS 基本性能的表征和试验大多沿用CAF 的标准试验方法，然而这些方法对 CFS 的适用性尚需研究和探讨。虽然 PVRC、 MTI 等也建立了一套试验方法，但主要目的是对产品进行筛选与评价研究，缺乏对新产品开发和性能提高的指导作用，因此仍有必要对 CFS 进行系统的性能表征和研究。

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