法兰垫片基础知识

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一、基础概念

1. 法兰垫片
   又称法兰盘或突缘，是管道、设备等连接中用于密封的元件，填充于两法兰密封面之间。
   
   
2. 核心作用
   阻止介质泄漏（液体、气体、粉尘等），补偿法兰表面缺陷及安装误差。
   
   
3. 密封原理
   通过螺栓预紧力使垫片产生弹性或塑性变形，填充密封面微观间隙，形成密封屏障。
   
   
4. 应用场景
   广泛用于化工、石油、电力、冶金、制药、食品等行业的管道、阀门、压力容器连接。

二、分类方式

①：按材料分类

1.非金属垫片

橡胶、石棉、石墨、聚四氟乙烯（PTFE）、非石棉纤维板等。

橡胶垫片

材质分类及特性：

丁腈橡胶（NBR）：耐油性**，常用于燃油管道、润滑油系统，但耐温范围较窄（-20℃ - 120℃），长期接触臭氧会加速老化。

三元乙丙橡胶（EPDM）：突出的耐候性和耐水性，可在 -50℃ - 150℃ 环境下使用，广泛应用于饮用水管道、空调冷凝水管道等。

氟橡胶（FKM）：耐高温、耐化学腐蚀性能卓越，耐温可达 200℃ 以上，能抵抗大多数化学介质，常用于汽车发动机密封、化工高温管道，但成本较高。

性能影响因素：橡胶垫片的硬度（邵氏硬度）对密封性能影响显著，硬度低弹性好但承压能力弱，硬度高则相反。例如，在低压水管道中，可选用邵氏硬度 60 - 70 的橡胶垫片，以保证良好的弹性密封 。

聚四氟乙烯（PTFE）垫片

**性能：PTFE 具有 “塑料王” 之称，除熔融碱金属和高温高压下的氟元素外，几乎能耐所有化学介质腐蚀。其摩擦系数极低（0.04），自润滑性优异，在需要频繁拆卸的法兰连接中，可减少垫片与法兰的粘连。

应用限制：PTFE 的冷流特性（蠕变）是其主要缺点，在持续压力下会缓慢变形。因此，使用时需控制工作压力，或采用改性 PTFE 材料（如填充玻璃纤维、石墨等）增强其机械性能。

2.半金属垫片

金属缠绕垫片、金属包覆垫片、波形垫片（金属 + 非金属组合）。

 金属缠绕垫片

• 结构设计优化：金属带厚度一般在 0.15 - 0.25mm，非金属填充带厚度 0.3 - 0.5mm，这种薄带缠绕结构使其具备良好的柔韧性和回弹性。
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• 不同金属带材质对应不同工况，304 不锈钢带适用于一般腐蚀环境，316L 不锈钢带耐腐蚀性更强，用于海水、有机酸等苛刻介质；蒙乃尔合金带则在氢氟酸等强腐蚀性介质中表现出色。
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• 标准规格与应用：根据 GB/T 4622.2 - 2003 标准，金属缠绕垫片分为基本型、带内环型、带外环型、带内外环型。带内环可防止垫片嵌入管道，带外环便于安装定位，适用于大口径管道。在火力发电厂的蒸汽管道（压力 4 - 6MPa，温度 450℃ 左右）中，常选用带内外环的 304 不锈钢 - 石墨缠绕垫片。
  
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金属包覆垫片

• 包覆结构优势：金属外壳通常采用不锈钢、马口铁等，包覆的非金属芯材可为石棉、无石棉纤维、橡胶等。这种结构结合了金属的强度和非金属的密封性能，在高温、高压且有颗粒介质冲刷的场合表现良好，如水泥厂的窑尾烟气管道。
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• 制造工艺要点：包覆层的焊接质量至关重要，焊接不牢可能导致包覆层脱落，影响密封效果。一般采用氩弧焊或激光焊，确保焊缝均匀、无气孔。

3.金属垫片

不锈钢平垫、齿形垫、环形垫（八角垫、椭圆垫）、波形垫等。

齿形垫片

密封机理：齿形垫片表面的同心圆锯齿在螺栓预紧力作用下，与法兰密封面形成多个线接触，增大了密封比压。每个锯齿的高度和间距经过精确设计，常见齿高 0.4 - 0.5mm，齿距 1 - 1.2mm，可有效提高密封性能。

应用案例：在加氢反应器等高压设备中，常使用不锈钢齿形垫片（材质 321、347 等），配合凹凸面法兰，能承受 10 - 25MPa 的压力。

环形垫片

八角垫与椭圆垫对比：八角垫和椭圆垫均为金属环形垫，与环连接面法兰（RTJ）配合使用。八角垫为平面接触，安装方便，但密封性能略逊；椭圆垫为线接触，密封比压更高，适用于更高压力工况（如 25MPa 以上），但对法兰密封面加工精度要求极高。

材料选择：常用材质有碳钢、304 不锈钢、316 不锈钢、合金钢（12CrMo、15CrMo 等），在高压天然气输送管道中，多采用 316 不锈钢椭圆垫，以抵抗硫化氢等介质的腐蚀。

②：按结构形式分类

1. 平垫片
   ：最常见，平面或带定位环，适用于低压工况。
2. 缠绕垫片
   ：金属带（不锈钢、碳钢等）+ 非金属填充带（石墨、四氟等）螺旋缠绕而成。
3. 金属包覆垫片
   ：金属外壳包裹非金属芯材（如石棉、橡胶），用于腐蚀性或高温环境。
4. 齿形垫片
   ：金属表面加工出同心圆锯齿，增加密封比压，适用于中高压工况。
5. 环形垫片
   ：八角垫、椭圆垫，与榫槽面法兰配合，用于高压密封（如石油管道）。
6. 波形垫片
   ：金属薄片压制成波浪形，弹性好，适用于有轻微振动的场景。

③：按使用工况分类

1. 耐高温垫片
   ：石墨、金属缠绕、陶瓷纤维等，耐温可达 600℃以上。
2. 耐高压垫片
   ：金属环形垫、齿形垫，耐压可达 10MPa 以上。
3. 耐腐蚀垫片
   ：聚四氟乙烯、橡胶（如丁腈橡胶、氟橡胶）、不锈钢包覆垫片。
4. 食品级垫片
   ：硅橡胶、三元乙丙橡胶（EPDM），符合卫生标准，用于食品、医药行业。

三、常用材料特性

1.橡胶垫片

• 优点：弹性好、成本低、安装方便；
• 缺点：耐温性差（通常＜150℃），易老化，不耐油（需选丁腈橡胶等耐油材质）。

2.石棉垫片

• 优点：耐温性较好（300-500℃），耐腐蚀性一般；
• 缺点：石棉致癌，多数国家已限制使用，逐步被非石棉替代。

3.聚四氟乙烯（PTFE）垫片

• 优点：耐腐蚀性能极强（耐强酸、强碱），耐温 -200~260℃；
• 缺点：刚性大、弹性差，需配合高精度法兰使用。

4.石墨垫片

• 优点：耐高温（可达 650℃）、耐腐蚀、自润滑性好；
• 缺点：易被冲刷，高压下需金属加强（如金属缠绕石墨垫片）。

5.金属缠绕垫片

• 金属带材质：不锈钢（304、316）、碳钢、蒙乃尔合金等；
• 填充带材质：石墨、四氟、石棉、无石棉纤维等。

6.金属环形垫

• 材质：不锈钢、合金钢，与梯形槽法兰配合，通过塑性变形实现密封。

四、选型要点

1.介质特性

• 腐蚀性：选 PTFE、氟橡胶、不锈钢包覆等；
• 毒性 / 易燃易爆：选高气密性垫片（如金属缠绕、齿形垫）；
• 高温：选石墨、金属垫片；
• 低温：选橡胶（如硅橡胶）、PTFE。

2.压力等级

低压（≤1.6MPa）：橡胶、石棉、非石棉纤维垫；

平面法兰（FF）常搭配橡胶平垫片或非石棉纤维垫片，成本低且安装简便。例如，在民用建筑的给排水管道中，DN100 的平面法兰使用丁腈橡胶平垫片即可满足密封要求。

中压（2.5-10MPa）：金属缠绕垫、齿形垫；

凹凸面法兰（MFM）或榫槽面法兰（TG）配合金属缠绕垫片或齿形垫片使用。如在化工装置的中压蒸汽管道（压力 4MPa）中，采用榫槽面法兰 + 316 不锈钢 - 石墨缠绕垫片，可有效防止蒸汽泄漏。

高压（≥10MPa）：金属环形垫、透镜垫。

环连接面法兰（RTJ）与金属环形垫（八角垫、椭圆垫）组合是高压工况的标准配置。在高压加氢装置中，压力可达 15 - 20MPa，使用 316L 不锈钢椭圆垫与 RTJ 法兰连接，通过精确控制螺栓预紧力，实现可靠密封。

四、选型要点

1. 法兰类型

• 平面法兰：适配平垫片、缠绕垫；
• 凹凸面法兰：垫片嵌入凹面，密封性更好；
• 榫槽面法兰：适配榫槽型垫片（如环形垫），防介质吹出。

2.安装空间：大口径管道需考虑垫片重量和安装便利性（如分瓣式垫片）。

3.经济性：优先选满足工况的低成本垫片（如橡胶垫替代金属垫），但需平衡寿命和维护成本。

五、安装与维护

1.安装前检查

法兰表面：平整、无划痕、锈蚀，粗糙度 Ra≤6.3μm；

使用砂纸、钢丝刷等工具去除法兰表面的铁锈、油污，对于轻微划痕，可用研磨膏进行抛光处理，使表面粗糙度达到 Ra≤6.3μm。若法兰表面存在深度大于 0.5mm 的凹坑或裂纹，则需进行补焊、机加工修复或更换法兰。

垫片：无裂纹、褶皱、破损，尺寸与法兰匹配（内径、外径、厚度）。

垫片检查标准

检查垫片外观，金属垫片表面应无裂纹、折叠，非金属垫片无破损、分层、气泡等缺陷。测量垫片尺寸，内径应比管道内径大 2 - 3mm，外径应小于法兰密封面外径 2 - 3mm，厚度偏差控制在 ±0.1mm 以内。对于金属缠绕垫片，还需检查缠绕带是否松动、焊点是否牢固。

2.垫片安装要求

• 中心对齐：避免偏移导致受力不均；
• 单垫原则：同一密封面仅用一个垫片，多层叠加易泄漏。

3.螺栓拧紧顺序

对称交叉拧紧（如 “十字形”“星形” 顺序），分 2-3 次逐步达到额定扭矩。

 螺栓拧紧工艺

以 DN200、PN16 的法兰连接为例，螺栓数量通常为 8 个。拧紧时，采用 “十字形” 对称拧紧顺序，分三次逐步拧紧。**次拧紧至额定扭矩的 30%，第二次拧紧至 60%，第三次达到 ** 额定扭矩。

额定扭矩可根据螺栓规格（如 M20）和材料（8.8 级），参考相关标准（如 HG/T 20634 - 2009）计算得出，一般 M20 - 8.8 级螺栓的额定扭矩约为 260N・m。

4.螺栓扭矩控制

使用扭矩扳手，按设计要求或标准（如 ASME、GB）执行，避免过紧压溃垫片。

特殊垫片安装要点

• 金属缠绕垫片：安装时确保内环与管道同心，外环与法兰密封面贴合，避免垫片倾斜。对于高温管道，可在垫片表面涂抹高温密封胶，增强密封效果。
• 聚四氟乙烯垫片：由于其冷流特性，安装时螺栓预紧力不宜过大，且避免反复拆卸，防止垫片变形失效。

5.安装禁忌

• 禁止用工具强行撬动垫片；
• 避免垫片接触油脂（如橡胶垫遇油膨胀）；
• 高温工况需预留热膨胀间隙。

6.运行维护

• 定期检查泄漏点，重点关注振动、高温部位；
• 高温介质管道，首次运行后需热紧（降温后再冷紧）；
• 腐蚀性介质需检查垫片腐蚀情况，及时更换。

7.更换周期

无固定标准，需根据介质、工况判断，一般橡胶垫 1-2 年，金属垫 5 年以上。

六、标准与规范

1.国内标准

GB/T 9126-2020《管法兰用非金属平垫片》；

GB/T 13403-2013《大直径碳钢管法兰用垫片》；

HG/T 20610-2009（化工部标准）、SH/T 3407-2018（石油标准）。

 

国内外标准对比

尺寸标准差异

美标（ASME B16.20）与国标（GB/T 9126）在法兰垫片尺寸上存在一定差异。以 DN100 法兰垫片为例，美标垫片外径可能为 152mm，而国标为 155mm。在国际贸易或涉外项目中，需严格核对标准，避免因尺寸不符导致安装问题。

性能指标要求

欧标（EN 1514 - 3）对非金属垫片的压缩率和回弹率测试方法有明确规定，要求压缩率在 10% - 30%，回弹率 ≥40%。而国标在部分指标上的要求与之类似，但测试细节略有不同。在选择垫片时，需根据项目所在地区或客户要求，遵循相应标准进行质量把控。

标准应用案例

在某跨国石油化工项目中，管道法兰垫片选型需同时满足 ASME B16.20（美标）和 HG/T 20610 - 2009（化工部标准）。对于高温氢气管道，最终选用 316L 不锈钢 - 柔性石墨缠绕垫片，其尺寸、性能参数均严格按照双标准进行设计、制造和检验，确保项目顺利实施。

2.国际标准

• ASME B16.20（美标金属垫片）；
• EN 1514-3（欧标非金属垫片）；
• JIS B2404（日标垫片）。

3.标记示例

：DN100-PN16 - 缠绕垫 - 304 / 石墨，表示公称直径 100mm、压力 1.6MPa、不锈钢 304 带 + 石墨填充的缠绕垫片。

七、常见问题与解决方案

1.泄漏原因

• 垫片选型不当（如低温选橡胶垫硬化）；
• 螺栓预紧力不足或不均匀；
• 法兰变形（温差大或安装应力）；
• 垫片老化、腐蚀、磨损。
  
  

 泄漏检测方法

• 目视检测：定期检查法兰连接处是否有介质泄漏痕迹，如液体泄漏会在法兰表面形成液滴或流痕，气体泄漏可能伴有白雾（水蒸气冷凝）。
• 超声波检测：使用超声波检漏仪，检测泄漏产生的高频声波，可在不接触法兰的情况下快速定位泄漏点，尤其适用于高压、有毒气体管道。
• 压力降检测：对于密闭系统，通过监测系统压力变化判断是否存在泄漏，若压力在一定时间内下降超过规定值，则可能存在泄漏。

临时堵漏方法

• 轻微泄漏：带压注胶（需专业工具）；
• 紧急情况：临时更换更高规格垫片（如用金属缠绕垫替代橡胶垫）。

带压堵漏技术

原理：通过专用夹具将密封注剂注入法兰间隙，形成新的密封结构。密封注剂一般为高分子材料，具有良好的可塑性和密封性。

应用场景：适用于压力不高于 2.5MPa、温度不超过 200℃ 的介质泄漏临时处理，如管道轻微泄漏但无法停机检修时。

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垫片修复与再利用

对于轻微损伤的金属垫片（如表面划痕），可通过研磨、抛光进行修复；非金属垫片若局部破损，在不影响整体密封性能的情况下，可进行裁剪、拼接处理，但修复后的垫片需经过严格的密封性能测试后方可使用。

垫片更换时机判断

• 外观检查：当垫片出现明显的腐蚀、裂纹、变形，或密封面有严重磨损时，需立即更换。
• 性能衰减：通过泄漏检测发现垫片密封性能下降，且无法通过热紧等方式改善时，应更换垫片。例如，橡胶垫片在使用 1 - 2 年后，由于老化变硬，密封性能显著降低，需及时更换。

2.垫片选型不当

• 案例：某化工厂将普通橡胶垫片用于输送苯的管道，苯会溶解橡胶，导致垫片快速失效泄漏。正确选型应为耐油的丁腈橡胶垫片或聚四氟乙烯垫片。
• 预防措施：建立介质 - 垫片材料数据库，选型时严格对照介质特性筛选垫片，必要时进行模拟试验。

3.螺栓预紧力问题

• 案例：某管道安装时，螺栓预紧力不均匀，部分螺栓扭矩过大导致垫片局部压溃，部分螺栓扭矩不足无法密封，最终发生泄漏。
• 解决方案：采用扭矩扳手精确控制预紧力，严格按照对称拧紧顺序操作，并在安装后进行扭矩复检。

4.垫片压缩率

安装后垫片厚度减少量与原始厚度的比值，通常 10%-30%，过大易失效，过小密封不严。

5.回弹率

垫片卸载后恢复厚度的能力，回弹率高则密封持久（金属缠绕垫回弹率＞70%）。

八、行业应用特点

1.化工行业

强腐蚀、高温高压，多用 PTFE 包覆垫、金属缠绕垫（316L 带 + 石墨）。

在乙烯裂解装置中，急冷油管道温度 200 - 300℃，压力 1.0 - 1.5MPa，介质具有腐蚀性和结焦倾向。选用 316L 不锈钢 - 柔性石墨缠绕垫片，并在垫片表面喷涂防结焦涂层，有效延长了垫片使用寿命，减少了因泄漏导致的停车检修次数。

2.电力行业特殊需求

在核电站常规岛的主蒸汽管道中，压力 6 - 7MPa，温度 300 - 350℃，对密封性和安全性要求极高。采用金属齿形垫片与凹凸面法兰配合，同时配备在线泄漏监测系统，实时监测垫片密封状态，确保核电站安全稳定运行。

总结：

1. 石油天然气
   ：高压、易燃易爆，优先选金属环形垫（如八角垫）、齿形垫。
2. 食品医药
   ：卫生级要求，用 EPDM、硅橡胶垫，表面光滑无孔隙。
3. 电力行业
   ：高温蒸汽管道，选石墨缠绕垫、金属波形垫。
4. 制冷系统
   ：低温工况，选丁腈橡胶或氟橡胶垫（耐制冷剂腐蚀）。

九、材料替代趋势

1.无石棉化

非石棉纤维垫（芳纶、陶瓷纤维等）替代传统石棉垫，环保安全。

纳米复合材料垫片：将纳米颗粒（如纳米二氧化硅、纳米碳纤维）添加到垫片材料中，可显著提高垫片的机械性能、耐温性和耐腐蚀性。例如，纳米改性橡胶垫片的拉伸强度可提高 30% - 50%，耐老化性能大幅提升。

智能材料垫片：嵌入形状记忆合金丝或传感器的智能垫片，可根据温度、压力变化自动调整密封状态，或实时反馈垫片的工作参数，实现预知性维护。

2.高性能材料

：柔性石墨、膨胀 PTFE（ePTFE）、金属复合垫片（如不锈钢 + 陶瓷涂层）应用增多。

3.定制化设计

根据特殊工况开发专用垫片（如抗氢氟酸腐蚀垫片、耐辐射垫片）。

十、其他知识点

1. 垫片厚度
   通常 1.5-6mm，低压选薄垫（易压缩），高压选厚垫（增加强度）。
   
   
2. 法兰密封面形式
   平面（FF）、凸面（RF）、凹凸面（MFM）、榫槽面（TG）、环连接面（RTJ）。
   
   
3. 垫片系数（m）
   计算密封比压的参数，非金属垫 m=1-2，金属垫 m=3-5（数值越大，密封要求越高）。
   
   
4. 比压（y）
   垫片初始密封所需**压强，单位 MPa，与材料强度相关。
   
   
5. 应力松弛
   垫片在长期载荷下应力逐渐减小，导致泄漏，高温环境更明显。
   
   
6. 蠕变
   垫片在持续压力下缓慢变形，影响密封性能，金属材料优于非金属。
   
   
7. 垫片分瓣
   大口径法兰使用分瓣式垫片，便于安装，但需注意拼接处密封。
   
   
8. 防粘处理
   PTFE 垫片表面易粘法兰，可涂覆二硫化钼或使用带脱模层设计。
   
   
9. 标识要求
   垫片需标注材料、规格、适用标准，重要工况需附带材质证明书。
   
   
10. 储存要求
    干燥通风，避免阳光直射，橡胶垫远离热源和油污。

十三、安全与环保

1. 职业健康
   安装石棉类垫片需佩戴防护用具，避免吸入纤维；
2. 环保要求
   废弃垫片需分类处理，金属垫片可回收，非金属垫片需按化学废物处置。

十四、发展趋势

1.智能化

开发带传感器的垫片，实时监测温度、压力、泄漏情况；

可降解垫片：开发基于生物基材料（如聚乳酸、天然橡胶）的可降解垫片，用于食品、医药等对环保要求高的行业，减少环境污染。

2.绿色制造

推广可降解材料（如生物基橡胶）和循环利用技术。

循环利用技术：研究金属垫片的回收再加工技术，以及非金属垫片的热解、再生利用方法，提高资源利用率，降低生产成本。