垫片微观密封的工作原理

在加载过程中，泄漏率随垫片的压缩变形量而变化。当轴向压紧载荷小于一定值时，尽管垫片已产生了一定的压缩变形量，但泄漏仍然很严重，基本没有密封能力；当继续增加压紧载荷时，垫片的压缩变形量随之增大，泄漏率逐渐减小；但当轴向压紧载荷大到一定程度时，泄漏率几乎不变。在卸载过程中，垫片的压缩变形量随压紧载荷的减小而减小，相应的泄漏率随之增大，但在同一轴向载荷下，卸载时的泄漏率远小于加载时所对应的垫片应力下的泄漏率。当轴向载荷减小到一定程度时，尽管垫片的弹性变形尚未完全消失，仍具有一定的回弹能力，但泄漏率已急剧增大。

对于加载和卸载时泄漏率的变化情况，可通过分析密封面的微观结构来解释。密封面的微观结构如图4-3所示。由图4-3可知，初始表面由以下几部分组成：A为法兰面的最大不平度，B为法兰面的缺陷（裂纹、划伤等），a为垫片表面的最大不平度，b为垫片表面的缺陷，c为密封面间的杂质、毛刺等。

(www.xing528.com)

图4-3 密封面的微观结构

在加载过程中，泄漏率随垫片的压缩变形而变化。配合面间首先接触的是表面最凸出部分，如毛刺、颗粒状杂质等，如图4-3a所示。在加载过程的初期，因局部载荷很大，这些凸出部分很快被压平或嵌入凹陷部分直至图4-3b所示状态，此时尽管垫片已经产生了一定的压缩变形，但泄漏仍很严重。在此阶段，配合表面大部分呈自由状态，间隙很大，基本上没有密封能力，尚不能形成初始密封。对图4-3b所示状态继续加载，配合面间波峰、波谷相互穿插、嵌合，微间隙逐渐减小，直至配合面吻合，如图4-3c所示。在该阶段，流道截面随压紧力增加而减小，流道阻力随之增大，泄漏率相应减小，即增加压紧载荷可以有效地控制泄漏，故通常称该阶段为正常密封阶段。从图4-3c可以看出，当配合面基本吻合后，若继续增加压紧载荷，垫片的压缩变形增加甚微，泄漏率则几乎不变。此时由初始表面的不平度所形成的微间隙基本上已被堵死，配合面大部分已嵌合，泄漏通道主要由表面缺陷，如裂纹、划伤等组成，而要进一步消除这部分间隙则十分困难。卸载过程中，密封面上由于相互嵌合而产生的塑性变形不因卸载而恢复，此时只要垫片未被完全压实，垫片的回弹量就足以补偿由介质压力所引起的密封面间的互相分离，因此连接接头总是具有一定的密封能力。这就是在同一压紧载荷下，卸载时的泄漏率远小于加载时的泄漏率的原因。但是，由于初始表面的不平度，密封面上的应力分布是很不均匀的，嵌合过程中并非垫片的整个表面都形成了与法兰面相吻合的塑性变形，其中一部分受力较小的波谷仍处于弹性状态，这部分弹性变形将随压紧载荷的减小而恢复。于是卸载过程中一部分微间隙又重新出现，泄漏率又随压紧载荷的减小而渐渐增大。