制冷设备用非石棉密封垫片的分析研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥通用机械研究院 作者:邱传惠

  分析了制冷设备中常用的一些密封垫片的性能特点,重点对制冷设备中使用的非石棉垫片进行了试验性能的分析,对制冷设备上使用的密封垫片标准提出了一些修改建议。

1、概述

  制冷设备用非金属密封垫片分为制冷压缩机用密封垫片和大型制冷设备管道法兰用密封垫片,这些非金属垫片由石棉橡胶复合垫片、橡胶和金属增强复合垫片以及非石棉纤维橡胶复合垫片组成。执行的产品标准为JB/T10537—2005。在这几类产品中使用较多的是非石棉纤维橡胶复合垫片。非石棉纤维增强橡胶密封材料是一种多组分复合材料,组成材料的各种原料的性质及其配比决定了材料的性能,例如增强纤维材料的种类、橡胶的成分、以及生产过程中的加工工艺都会对复合材料的性能产生影响,密封性能好的材料应是适中的压缩率、良好的回弹性能、致密性好、较低的冷流性、优异的密封性能。制冷设备上应用的非石棉纤维增强垫片一般应用于大型压缩机、压缩机组、压缩冷凝机组、离心式冷水机组、风冷冷水热泵机组、水源热泵机组(既JB/T10537—2005标准中所说的冷冻空调设备)的法兰密封。使用的制冷剂为R22、R134a、R407C、R410A,使用温度≤100℃,使用压力≤3MPa。制冷设备中的管道法兰连接处一般都使用非金属密封垫片,这种垫片的密封形式是属于弹塑性变形结合的密封,它是通过法兰平面上产生的接触应力,使局部的塑性变形填满密封面的微观不平处,并产生较高的密封比压而获得密封。对制冷压缩机或管路接头密封来说,流体在密封接口处的泄漏有2种:

  (1)是流体通过垫片泄漏,这是由介质压力以及垫片的材质和结构型式所决定,例如石棉垫片,由于石棉本身存在大量的毛细管,介质压力很高时,石棉纤维中的毛细管就成了渗漏的通道,但制冷设备的密封情状况很少出现这种情况。

  (2)流体经过密封接触面泄漏,这是制冷设备的密封失效的主要形式,这不仅与密封接触面的结构、状态等有关,更主要的是与密封组合件各部分的性能和它们之间的变形协调有关。将法兰与垫片接触面处的微观尺寸放大,可见二者的表面都是凹凸不平的,当螺栓拧紧时,垫片受到压缩产生变形,将法兰平面上的凹凸不平填满,形成了初始密封条件。性能良好的非金属密封垫片应在螺栓载荷力保持稳定的情况下,能够较长时间地维持初始密封条件。

2、几种非石棉密封垫片的性能试验分析及比较

  制冷设备中使用的非金属垫片主要是复合增强垫片,所接触的介质主要是制冷剂,如二氟一氯甲烷(R22)、四氟乙烷(R134a)等各种冷媒及冷冻机油等,制冷工况接触的介质为水、蒸汽等,使用温度为常温、高温和低温均有。复合增强垫片的类型有非金属纤维橡胶复合垫片和金属橡胶复合密封垫片。相对于化工行业的密封工况来说,制冷设备使用的工况条件并不恶劣,介质温度和压力的波动并不是很大,因而对复合垫片的材料性能要求不高。但由于复合增强垫片中含橡胶成分较多,在使用过程中如拧紧法兰的紧固力较大,易使垫片与法兰密封面造成粘连,给更换密封垫片带来不利影响,如果更换密封垫片时,法兰密封面清理不干净会直接影响密封效果,因而在生产制造工艺中希望在不降低密封效果和材料性能的前提下,减少橡胶的用量,橡胶用量降低后对复合增强垫片的抗老化性能会有进一步提高,也有利于延长密封垫片的使用寿命。针对JB/T10537—2005标准中的几种复合密封垫片在制冷设备中的使用进行试验分析和比较。该标准中的第一类垫片为非金属纤维橡胶复合垫片,这类垫片又分为石棉纤维橡胶复合垫片和非石棉纤维橡胶复合垫片。含石棉类密封垫片是目前适用范围较为广泛、性能优异的一类垫片,由于石棉纤维中含有致癌物质,世界各主要工业化国家都淘汰和禁止使用石棉制品。随着我国日益重视环境保护工作和逐步开展淘汰和代替石棉密封制品,因而禁用和淘汰石棉制品已成为密封件产品发展的趋势。此外国外的有关标准和法律规定,若需要使用石棉制品的场合必须张贴警示标志,此密封制品含有石棉,同时此类含石棉制品废弃物的处理也必须按规定的要求进行,制冷设备中的工况条件并不是很苛刻,完全可以不使用含有石棉的密封垫片。

  非石棉纤维橡胶复合垫片是由非石棉增强纤维与弹性粘结剂及其它无机填料等多种化学成分经适当的工艺加工而成的片状密封材料,它是目前品种最多、应用最广的一类代石棉密封材料。代替石棉纤维的材料大致可分为3大类:无机无定形纤维材料、无机结晶纤维材料、有机纤维增强材料。目前使用较多的增强纤维是芳香族聚酰胺纤维,它具有优异的强度和很好的热稳定性,以及和橡胶材料在制造过程中的相溶性。加入增强材料聚酰胺纤维后,提高了材料的抗拉强度,降低了材料的应力松弛率,同时提高了密封材料耐温性和耐磨性能。增强纤维也有使用碳纤维材料的,碳纤维材料有一系列的各种优秀性能,但碳纤维材料价格较贵,影响复合垫片的销售价格,在制冷行业难以推广使用。除纤维增强材料外,选择橡胶粘合剂的类型也非常重要,既要考虑橡胶材料的适用温度范围,还要考虑橡胶材料的耐介质性能以及材料的性价比。目前复合密封垫片使用的橡胶材料为天然橡胶、丙烯腈橡胶、氯丁二烯橡胶、丁苯橡胶、腈基丁二烯橡胶以及六氟丙烯和偏氟乙烯共聚物弹性体等材料。3种非石棉密封垫片的性能试验数据(3家企业生产的非石棉密封垫片)如表1所示。其中:企业A产品型号NPB-6111C,使用芳纶纤维、丁晴橡胶为主要原料,采用压缩成张法生产工艺制造;企业B产品型号NO.6502(黑色),使用无石棉压缩板经冲压加工成密封垫片,材料成分未公开;企业C产品型号TS8800,使用高级芳纶纤维、特种填料、丁晴橡胶等材料组配而成,采用连续化压缩成型工艺制造。从表1试验数据可看出,非石棉密封垫片在室温下的性能和耐冷冻机油的性能以及耐制冷剂和冷冻机油混合液体的性能没有明显的差异,压缩率有所增加,回弹率略有降低,浸油后垫片的厚度有所增加,厚度变化率约在10%左右。而在耐冷冻机油及耐R22和冷冻机油的混合液中垫片的物理机械性能没有明显的变化。浸油后的垫片外观更柔软一些,抗拉强度有明显下降。综合性能评价是非石棉密封垫片适合于在制冷设备上使用。研究发现,非石棉密封垫片成型加工过程中的一些因素如粘结剂种类、增强材料的品种及其它配合材料的比例均会对材料性能产生影响,因而在复合密封垫片的生产过程中要优化设计材料配方及生产过程中工艺参数的控制,才能生产出性能

  优良的复合密封材料。JB/T10537-2005《冷冻空调设备用复合密封垫片》标准中还规定了另外一种金属橡胶复合垫片产品,它是由不锈钢板或铝板作为芯板,在金属板的两面各复合一层橡胶后加工而成。不锈钢板与橡胶复合密封垫片的厚度从0.38~1.2mm不等,铝板与橡胶复合密封垫片的厚度为0.38~0.84mm不等。这2种金属橡胶复合密封垫片在制冷设备上使用不多,原因是橡胶易老化,在法兰密封面上使用较长时间后,橡胶易粘连法兰密封面,使得更换密封垫片时要清理法兰密封面,易造成法兰面的损伤,这种垫片的安装和使用均不方便。从这种密封垫片的机械物理性能分析,也没有明显的特点,由于橡胶材料的耐温性能不如非石棉密封材料,它的高温使用性能要低于非石棉密封垫片,最高使用温度为180℃,而非石棉垫片最高使用温度为300℃。

非石棉密封垫片性能试验

表1 非石棉密封垫片性能试验

3、对现行标准修改的建议

  制冷设备用非石棉密封垫片种类较多,本文仅根据机械行业标准JB/T10537《冷冻空调设备用复合密封垫片》标准中规定的几种产品进行了初步的分析研究,该项标准的发布和实施已有8年,标准中的一些内容和指标应进行修订,建议以后修订该项标准时,取消石棉纤维橡胶复合垫片产品和金属橡胶复合垫片产品,全部采用非石棉纤维复合密封垫片,一方面符合环境保护的要求,另一方面非石棉纤维复合密封垫片产品能完全满足制冷设备工况条件的使用要求。对于标准中的一些性能指标应进行修订,增加非石棉密封垫片的品种,如一些密封件产品的生产企业已能生产使用温度为-200℃~300℃,使用压力达3.5MPa的非石棉密封垫片,应将这类产品纳入标准。

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