无石棉垫片材料

Durabla Canada Ltd. Mike Shorts
杜拉巴尔加拿大公司 麦克硕
(CACI  陈登丰译)

引言
    在工业设计中密封件往往是最后一个要考虑的元件。虽然在法兰设计时已经考虑了垫片密封的一些特性，但对于密封材料的重要性还是了解不够的。本文是从设计角度上讨论工程 师们应知道的有关垫片的一些信息，包括垫片材料的短期性能和长期性能两个方面。由于出版篇幅的限制，本文写得比较简明。
    公司背景加拿大杜拉巴尔（DURABLA）公司位于加拿大安大略省的贝尔维尔（BELLEVILLE），
离多伦多东面约200公里，是一家中等规模的工业垫片材料生产厂家。从 1911 年开始杜拉巴尔就致力于生产高级质量的垫片材料，从1973年开始，就在加拿大现在的工厂生产压缩 垫片材料。杜拉巴尔的生产能力包括石棉和无石棉板材、缠绕垫片、嵌入波纹金属的柔性石墨垫片、以及 PTFE 垫片（纯 PTFE 和有填充剂的 PTFE）。杜拉巴尔的产品是国际承认的，其所有的无石棉产品商标均为 DURLON，所有的石棉产品商标均为“三角形”。
    杜拉巴尔通过战略部署，从贝尔维尔工厂向全球所有的客户提供服务。这样，杜拉巴尔就可以通过客户提供的信息，集中力量搞资源规划和降低重复性成本。最近，为了扩展杜拉巴尔在国际市场上的渗透力，我们通过两家新公司，位于新加坡的杜拉巴尔亚洲有限公司服务亚洲市场。位于中国上虞的杜拉巴尔流体装置（上虞）有限公司服务中国市场。工厂在浙江上虞。

著者简历

    本人名麦克硕 (MIKE SHORTS)，任杜拉巴尔加拿大公司总经理。1996年大学毕业后 直接进入杜拉巴尔公司。在大学获地质工程和环境工程本科学位。进入公司后，开始在制造垫片材料的生产车间工作，其后，转入质量控制部门，再调入国内技术销售和国外销售部门 。
    2005年获MBA，同年8月任总经理。当前负责贝尔维尔制造厂的全面管理和运作，以及在20多个国家建立国际分销点和建立代表处网络的工作。
    工业密封件简述工业密封件范围很广，包括各种不同的材料和形状。本文主要讨论非金属和半金属的密封产品，因为他们是当前工业密封上使用得最为广泛的产品。

    当前，非金属密封有多种形态。工业上最为常见的非金属密封材料是各种人造橡胶、 无石棉压缩材料、石棉压缩材料、纯 PTFE、填充 PTFE 以及柔性石墨等。

    无石棉压缩垫片多年来，石棉垫片曾经是垫片材料的典型选择。石棉垫片由于其纤维具有极好的抗载荷能力，它具有极好的抗化性（耐化学腐蚀性）、抗压性和耐高温性。但并非所有的石棉垫片都具有同等的优良性能。对于高档的石棉垫片来讲，对其成品质量的好坏起到极为重要作用的是80%或以上的纤维质量。纤维的长度和强度与垫片成本和要求的性能比，必须最佳化。为使成本降低，常常采取混合使用不同质量纤维的做法。普通等级的石棉垫片在采用较 低档次的纤维的同时，其纤维含量也较低。有时不同质量档次的石棉垫片，也表现具有相同的物理性能，但纤维质量档次较高的，可在比制造厂家指定的较高温度下连续工作。过去10年到15年的时间里，压缩石棉垫片在美国的使用急剧下降，主要原因是由于审理律师提出石棉有致癌作用的诉讼引起的。但在全球范围内，很多重要的密封问题仍然把压缩石棉垫片当作能可靠地工作的唯一可选材料。但由于需求的下降，很多制造商已被迫不再担当生产 高档压缩石棉垫片的风险了。
    在全球禁止使用石棉的环保行动下，开发了无石棉压缩垫片。本文在讨论无石棉压缩垫片时，只限于以橡胶为主的、纤维加强的压缩垫片。无石棉垫片的使用和被广泛接受是从上世纪80年代早期开始的。由于转向生产无石棉的垫片意味着增加最终用户的成本，故那时制造商面临很大困难。从石棉垫片转向无石棉垫片经过了一段很长的时期。因为一种款式的无石棉垫片不可能代替一种款式的石棉垫片，经常的情况是，如要投入工厂化生产，需要有2种，甚至多种款式才行。主要原因是，以人造纤维或以对生命没有威胁的天然纤维进行 代替时，往往达不到石棉纤维所具备的广泛性能。目前几种最通用的纤维一是芳纶（芳香族 聚酰胺纤维），二是碳纤维。重要的是要看到与石棉垫片相比，无石棉垫片中的纤维含量是无常少的。这一事实说明在设计无石棉垫片时需要考虑的设计要素要复杂得多。在石棉垫片 中的一个要素（例如：石棉纤维）能做很多工作，现在做相同的工作需要10个或更多的要素（例如：芳纶纤维，各种不同的填充材料等）。这一条对制造商在设计具有最佳性能、同时又具有最广泛应用范围的垫片材料时，要承受巨大的压力；因为如设计一种仅仅用于很小范围的材料，那就容易得多了。

聚四氟乙烯垫片

    聚四氟乙烯 (PTFE)  垫片在无石棉垫片中是无常新颖的一种。由于石棉垫片在世界上已经逐渐淡出，而无石棉垫片在极具腐蚀性和危险性化学环境中又没有像石棉垫片那样的同等性能，从而使 PTEF 垫片备受青睐。低档的PTFE垫片是由纯 PTFE 树脂制造的。这种垫片的问题是它对冷流动无常敏感，从而使它的工业应用只能限制在低压力和低温的场合。要克服纯PTFE材料冷流动或蠕变的问题有两种办法：一是在树脂里面加入填充剂（加填充剂的 PTFE），另一种办法是令PTFE膨化（膨化的 PTFE）。加填料的PTFE可能成为工业密封上 较为普遍采用的产品。PTFE本身是无常耐腐蚀的，因此，如在PTFE中加进填充料，必须考虑填充剂的抗化性，后者常常成为垫片的新的限制因素。

    柔性石墨垫片已经成为代替坚韧石墨垫片的极为普遍的选择。柔性石墨垫片一般用于温度较高、化学腐蚀性较强、不能以传统的压缩无石棉垫片或 PTFE 垫片解决的场合。当前，中国柔性石墨材料的制造其成本比过去只能由美国和欧洲生产的这种材料的成本还要低。对 于大多数工业应用，柔性石墨中的碳含量不得少于98%，因为对于一般工况来讲，当杂质 含量一旦大于 2%，就会很快引起问题。柔性石墨材料一般有均匀的柔性纯石墨板、或嵌入 不锈钢薄板（不锈钢复合增强板和冲刺不锈钢复合增强板）。嵌入的材料主要能改善石墨板 的处理，嵌入的材料还可以提高防止垫片吹出的性能、改善压缩性能和回复性能。实际上，为了满足使用上的要求，几乎任何东西都可以嵌入柔性石墨板之间。由于石墨材料本身的耐化学性极高，因此，在核查抗化学性能时，嵌入材料就成为柔性石墨垫片中的最薄弱环节。
    压缩垫片材料的制造制造压缩垫片的一般过程几乎没有什么变化，唯一的变化就是制造工艺和原材料。
    制造压缩垫片的工艺基本上有两种：一是逐层压合法（plied-calendar method），二是抄取工艺制作法（beater-add method）。由于绝大多数的工业用压缩垫片是采用逐层压 合法做出来的，故本文重点讨论这种方法。
    逐层压合法的制造过程的第一步是把橡胶、纤维、各种填料和溶剂进行混合，成为 一种叫做“面团（DOUGH）”的混合物。然后把这个“面团”放进两个以相反方向转动 的大辊子之间的夹缝中。其中一个辊子是热的（温度在 105oC 和 115oC 之间），另一个辊子是冷的（温度在 15oC 和 38oC 之间）。当辊子转过去时，处于夹缝中的“面团” 就薄薄地粘在热辊子上面，这样一层一层地往上粘，“面团”不断地往夹缝中送进，辊 子不断地转动，直到达到所需要的厚度为止。在混合阶段加进一些化学品，目的是保证 “面团”被均匀地揉熟和防止在压合的材料中形成分层。最后压合成的一张板，其尺寸取决于热辊子的宽度和它的周长。大多数采用这种方法制造的压合板，其宽度是60 英 寸，因为这种宽度比较容易制造。但世界上也有少数几家厂家制造3方平,米或更大一些的压缩板。
    无石棉板的制造工艺与石棉纤维板的制造工艺略有不同。无石棉板的任何一种配 方里面有多达 30 种组分，而石棉板的配方可能只有10种组分，故无石棉板的制造比较 娇气。众多加料的相互作用要求液压、气动、精密监控的复杂设备，而不是那种老式的 、 以齿轮和杠杆传动的设备。
    采用压缩垫片材料的工程设计 工程师在设计法兰连接的管道系统时，必须考虑压缩垫片材料的一些主要性能有：耐温性、耐化学性和垫片系数。对于压缩性无石棉材料，此三项性能都必须直接从制造
商那里取得。其原因是：材料强度的这些特性是直接由每家制造厂商所用的具体配方决定的。对于压缩性石棉和金属垫片，如垫片质量和纯度很高，则这些信息无常通用和普遍。虽然如此，向制造厂家咨询并获得他们根据具体应用的建议也无常重要。制造厂家无常乐于根据具体信息进行的分析，提出他们的建议。有时，制造厂家得不到该项目范 围内的所有信息，其结果只能是制造出一个万金油式的混合材料，各种场合都能凑合着用，但对于特殊用途如何选择垫片材料却会感到茫然。 

 
    垫片系数垫片系数是工程师们要知道的最普通的设计准则，可能也是被理解得最少的。多年前ASTM曾制订了一个确定垫片系数的程序，对于不同的材料组，从这个程序可得到ASTM推荐的M值和Y值。在创建这个程序的时候，几乎所有的垫片都是由压缩石 棉材料制造的。由于高级质量的压缩石棉垫片所含石棉纤维至少 80%，故不同的垫片产品归纳为几种垫片系数，对法兰设计而言，是可以接受的。当世界上开发成功无石棉垫片材料时，由于不同厂家生产的相同类型垫片之间，其垫片系数值可能有极大差异，故 上述确定垫片系数的程序就不再是精确的了。不过这个程序做了一些修改，多数厂家为使M 值和Y值能被工程设计所接受，决定把他们自己的程序进行了修改。尽管修改了 程序，M和Y值存在差异，从设计观点上考虑，要做的工作还很多。目前M和Y值的问题是，在不同的实验室里得出的值不易再现。
   大约20年前，ASME着手开发自己设计计算新的垫片系数的一套程序、更便解的垫片系数程序。由于大多数工程师的正式培训是根据 M 和 Y 计算垫片系数来培训，故新的垫片系数被工程师接受还需有一段时间。对于新的ASME垫片系数可以这样说：所有制造商所采用的只有一个程序。这句话意味着：如没有别的问题的话，即使这种系 数不被用于设计，也可在竞争性产品之间进行更为精确的比较。
    读者可能注意到以上我所讲的一番话没有提到抗拉强度这个工程设计中的重要性能。这是因为我相信，对于压缩性无石棉材料而言，抗拉强度对于材料的密封性能不是一个重要指标。反之，当比较压缩性石棉垫片材料时，抗拉强度的确是一重要指标，因为压缩石棉垫片的质量与石棉纤维的质量和强度是成正比的。在无石棉领域里，如把抗 拉强度看成是一个质量控制指标，则更加恰当；制造厂家可利用这个指标很快地做出制 造过程是否按照设计进行的判断。对于压缩性无石棉制品而言，除非操作条件接近制品的上限，则1500和2000psi之间的真实差距是多少并不十分重要。再者，倘若真正重要的话，聪明的选择应当是考虑更换另一种能够提供更高安全系数的产品。

    现场安装课题所有的制造商都有装备精良、采用能模拟每个细节的程序的、非常好的实验室。但
是大家都知道，我们所处的世界是不完美的，实验室的条件在现场很难找到。因此，必须尽可能地在作业预算范围内、遵照制造商推荐的安装程序。使用垫片的条件愈关键，愈要不计成本地、严格遵守安装程序。每个制造商都有针对其产品的独特安装程序，他们都乐于提供这些程序，甚至乐于为最终用户的特殊情况专门设计一种安装程序。
    同样，垫片制造商也能培训现场人员如何分析螺栓连接接头的失效，确定失效的根本原因。虽然制造商看起来总不会有什么过错，垫片接头最为常见的失效很少是由于垫片的物理质量引起的，反之，垫片接头的失效常常是由于安装程序不当，或使用了别 的质量不好的材料、损坏了螺栓连接接头而引起的。在现场能对失效进行分析意味着每 年能节省数千美元，因为，这样做就无需一方面将失效零件退回制造厂家作彻底分析，一方面另安装一个垫片，还会发生同样的失效，直到制造商完成全部分析才能解决。用户必须与制造商合作，依靠制造商的劝告和帮助。

杜拉巴尔的技术帮助和安装课程

    杜拉巴尔有50 多年的安装经验和与行业协会合作开发国际标准的经历，并开发出《螺栓法兰连接安装培训课程》。这个课程是针对工程师、管道装配工和垫片安装工的。内容是怎样正确地选择和安装垫片，以及怎样对一家厂商所做的建议进行具体验证。
    培训课程的开始是对最终用户采用垫片的设备以及所有适合于使用的 DURLON 垫片材料进行全面分析。目的是整合垫片的款式，使其数量尽量减少，同时又能解决所 有的密封问题。分析结果是向最终用户提出一份清单，列出每种情况下推荐采用 DURLON 材料。然后，探究与授权的、能为用户提供服务、进行现场培训、经营本地 存货供应的伙伴公司进行合作的好处。杜拉巴尔认为地区分销商或代理商在销售和服务 过程中能起很大作用，可降低最终用户的成本。如没有本地的供应链，最终用户将享受 不到他们应得到的服务。培训课程的第三部分是讲杜拉巴尔工厂提供的技术帮助。杜拉 巴尔的技术帮助力求做到快速、准确和友好。培训课程的最后部分是采用轻便式培训装 置提供动手培训。该装置是我公司与材料试验所（MTI）根据 ASME 装配程序 PCC-1 共同研制成功的。该装置的设计版权目前归杜拉巴尔，该装置在运输成本较低的地区适 合使用。在地处遥远的区域，杜拉巴尔可提供成本更为低廉，可以拆撤，便于移动及可 让用户现场方便组装的数字测量仪器的装置。动手安装培训的好处是可以让用户验证根 据 DURLON 推荐的安装程序进行安装，并可与一般安装程序进行比较。如有请求，杜 拉巴尔也可提供详细的《最佳操作指南》。在这个《指南》里面有详细的、可融入质量 控制体系中的安装作业须知。
   

结语 

    目前市场上出售的密封产品比过去要多得多，因此，最终用户对于如何选择一种最适合他们用途的密封产品，往往有无从下手之感。愈来愈常见的情况是，在对工厂进行全面分析之前，只是严格地按照价格来购买垫片，而不幸的是，采购部门与工程设计部门之间缺乏联系，因此，买来的垫片不可能很适当。由于长期以来从不考虑从订购单上设法节省成本，结果是要花很多额外的钱用于维修、库存、甚至保证安全方面的问题。 故极关重要的一点是，必须在设计技术规定最终敲定之前，做好项目的长远性成本分析，这样才能消灭事后擦屁股的大量马后炮工作，以腾出时间做那些你认为是更为重要的事。

主要产品：

DURLON 产品系列：填充四氟垫片，无石棉压缩垫片，半金属和金属垫片