来自于流体密封工业的“密封常识”——由FSA(流体密封协会)成员Charlie Miskell编写。
注：Garlock是“密封常识”活动的发起成员之一，本文由卡勒克密封技术(上海)公司刘艳翻译。
为什么常用的PTFE垫片不能用来密封FRP(玻璃钢)、塑料和其它低载荷的法兰？
PTFE垫片的制造商和经销商经常被问到，为何PTFE垫片不能用于密封玻璃纤维增强塑料（简称FRP或玻璃钢）、塑料和其它低载荷法兰。通常情况下，答案都是施加在垫片上的载荷太少了。这答案很简单，但是解决方案却很复杂。遗憾的是，多数情况下，垫片通常被认为是失效的原因所在。
传统的垫片应用
追根溯源，将玻璃钢和塑料管道应用于化学处理工业中是因其低廉的成本和良好的耐化学腐蚀的特性。然而，这些材料都不具备金属管道的强度。因此，法兰的强度限制了能施加的螺栓扭矩，从而限定了施加于垫片上的压应力。通常，在这种管道上，一直以来一般都使用橡胶垫片进行密封，橡胶垫片具有很好的回弹性，且能在较低的载荷下密封。在压缩量仅有15%时，橡胶垫片也能起到密封效果。然而，由于每种橡胶弹性体的耐化学腐蚀能力有限，因此需要很仔细的选择合适的橡胶材质。但是不同材质的橡胶常常都有相同的颜色，很容易混淆，安装时装错垫片的情况时常发生。
▲非金属法兰厂家提供最高扭矩
▲压应力过大时非金属法兰开裂
▲使用PTFE垫片时压应力不够易泄漏
目前对垫片的要求
在现今的化学处理工厂里，会使用各种化学品，而且很多是在较高的温度和压力的工况下。这就要求垫片的材质从橡胶弹性体转变为耐化学腐蚀性更好的材料。PTFE是不错的密封材料，能耐多种常用的强化学腐蚀品，PH范围涵盖了0-14,——除了熔融的碱金属和氟元素（特别是在温度和压力较高的工况时）外。
现行通用标准
跟金属管道一样，大部分FRP和塑料管道制造商也是按照ASME标准制造。ASME已更新的增强热固塑料（RTP）耐腐蚀设备标准RTP-1-2011,对于操作压力低15psig(1bar)的容器设计给出了正确的指导。其中非强制性执行的附录NM-9“增强热固塑料材料制容器的安装”给出了关于垫片安装、紧固件、扭矩、润滑和其它因素的指导，对于法兰螺栓的有效连接提供了重要参考。虽为非强制性，但是在行业内探讨设备使用垫片时大多使用这些指导准则。
▲表1 NM9-3，法兰螺栓固紧力
摘自ASME RTP-1-2011（增强热固塑料耐腐蚀设备）,经美国机械工程师协会许可，其全球版权归其所有。
图4：螺栓上紧顺序案例
对于垫片载荷的要求
尽管一些垫片的设计允许其在较低的载荷下密封，但多数PTFE垫片制造商都对他们的材料标定了最小压紧应力(2500psi到3000psi之间，17.25Mpa～20.7Mpa)。然而，典型的FRP和塑料管道连接法兰通常所能耐受的压应力值和温度都小于垫片的此标定值。针对标准的FRP法兰和人孔，标准RTP-1-2011的图NM9-3提供了推荐的扭矩和螺栓上紧的程序。
表2给出了在推荐扭矩值（图4 NM9-3）下，垫片压应力的值。显然，这些值要远低于密封PTFE垫片所需的最低压应力。
表3给出了RTP标准中提到的可能影响传递至法兰之间垫片材质上的载荷的细节因素。第三列（为本文增加）给出了更好地使用PTFE垫片进行密封的改进措施。
然而，针对这个难题，至今却没有合适的解决方案。如果设备或者管道连接采用PTFE垫片替换橡胶垫片，除非更改推荐的准则，否则垫片很难起到密封作用。这就是终端客户常常遇到垫片密封失效的主要原因。改进的方法可以是设备制造商提高法兰强度，使其能承受更大的螺栓上紧扭矩来提供给垫片密封需要的压应力，这需要在设备出售之前的设计阶段就将法兰进行变更。现状是大部分制造商只是做些适当调整来缓和这种诉求。
表2. 根据ASME RTP-1-2011， Class 150螺栓连接的法兰结构和所得的垫片应力。
表3. 摘自ASME RTP-1-2011，经美国机械工程师协会许 可。全球版权所有。
即便扭矩增加到能提供合适的垫片载荷时，许多额外因素可能影响该载荷。由于终端客户施加于垫片的载荷本就很低，而任何可能会导致施加于垫片的载荷减少的因素都很有可能导致密封失效。可能影响载荷的因素包括：
1. 法兰错位，轴向和角向；
2. 润滑和一个正确的润滑摩擦系数（螺母系数）；
3. 紧固件的质量和等级；
4. 使用旧的紧固件；
5. 使用的扭矩扳手的准确性；
上述任何因素都可能决定终端客户是否有一个成功的螺栓法兰连接垫片密封系统。因此，终端客户和他们的安装公司都必须清楚上述因素，消除这些因素可能给垫片密封造成的影响。
建议和解决方案
当面临泄漏时，通常现场工人的第一反应是继续上紧螺栓扭矩直至泄漏减少。往往，这样并不会导致法兰即刻产生裂纹或者出现毁坏性的裂缝，但却增加了法兰连接处的应力，从而在后续使用中可能导致裂纹产生。FRP管道犹如“活动的”管道，当它不停的移动、振动、收缩和膨胀时，法兰上的过载应力可能导致过早的连接失效且缩短设备寿命。
如果一个终端客户遇到问题时，最好的建议是尽可能地改进施加的扭矩和两块法兰的对中，使得垫片获得所要求的应力。每次拆合法兰连接，都需要使用新螺栓。润滑所有的承载面，包括垫圈、螺栓头下面和螺纹面。使用精确的、校正过的扭矩扳手，遵循RTP-1-2011中推荐的5英尺磅力递进的扭矩上紧法。如果目标扭矩值很低，则使用25%、50%、75%和100%递进的准则逐步上紧至目标扭矩值。在最后沿周向按100%扭矩上紧后，至少在间隔4小时后，再对其进行一次按顺时针方向依次用100%的扭矩值上紧。
提前思考
一个设备制造商应该在完成设备设计之前就考虑相匹配的密封垫片。如果垫片是PTFE材质或者设备需要PTFE垫片，则制造商必须要考虑超出RTP-1-2011规范推荐之外的各种因素，并排除这些因素可能导致的问题。否则，遇到问题的终端客户可能施加过多的扭矩，造成螺栓法兰连接失效或着过早的应力疲劳。FSA垫片制造商可以帮助解决这些或其它密封问题。
