垫片选型 —
类型、材料与
应用指南

垫片是法兰接头中执行密封功能的唯一元件，其选型直接决定接头的长期密封可靠性。垫片选型不是"用什么都可以"的随意决定——不同类型的垫片对法兰面型、螺栓预紧力、操作温度和流体有不同的要求，选错类型会导致密封失效，轻则泄漏，重则因有毒或可燃流体泄漏引发安全事故。

垫片密封的基本参数

垫片密封依赖两个基本参数，这两个参数决定了垫片能否在给定工况下密封：

垫片系数 m（Gasket Factor）：在操作压力 P 下，维持密封所需的最小垫片面压力与操作压力之比，即 Wm = m × P × A（A 为垫片接触面积）。m 值越高，要求的螺栓预紧力越大，密封越"难驱动"。

最小座封应力 y（Minimum Seating Stress）：在安装状态下（无内压），为使垫片充分变形并与法兰面完全接触，须施加的最低垫片压应力，单位 MPa 或 psi。y 值反映垫片本身的可变形性——y 越高，需要更大的初始螺栓预紧力。

ASME Section VIII Appendix 2 中列出了各类垫片的推荐 m 和 y 值，并提供了利用这两个参数计算法兰螺栓的设计方法。EN 1591-1 提供了欧洲等效计算方法（参数不同，但本质相同）。

非金属垫片

非金属垫片

膨体 PTFE（e-PTFE，Expanded PTFE）：由 PTFE 树脂膨胀制成的多孔纤维结构材料，具有优异的化学兼容性（耐几乎所有化学品，强氧化性酸和碱金属熔体除外）和低温性能（可用至 −200°C）。

• 操作温度范围：−200°C 至 +260°C（持续），局部可更高
• 适用压力：低至中压，通常 Class 150–300，高质量产品可至 Class 600
• m 和 y 值相对较低（m ≈ 2.0，y ≈ 7 MPa），所需螺栓预紧力适中
• PTFE 的蠕变（冷流）特性：在持续载荷下会缓慢变形，导致螺栓预紧力松弛——须在首次启动后重新紧固螺栓（热紧，Hot Bolting）
• 适用场合：强酸、强碱、氟化物（PTFE 对氢氟酸也高度耐受）和食品药品接触应用

柔性石墨（Flexible Graphite / Exfoliated Graphite）：将天然石墨通过化学处理和膨胀制成的柔性板材，切割成垫片形状或卷绕在金属芯上（增强柔性石墨垫片）。

• 操作温度范围：可用至 450°C（氧化性气氛），惰性气氛中可达 800°C 以上
• 化学兼容性宽广，但不耐强氧化性酸（硝酸、浓硫酸）
• 低 PTFE 蠕变问题，高温应用中的首选替代材料
• 须使用增强芯片（316L 不锈钢插片）以提高机械强度和处理性（纯石墨垫片脆弱）

缠绕垫片（Spiral Wound Gasket，SWG）

缠绕垫片是工艺管道中使用最广泛的垫片类型，由金属带（通常 316L 不锈钢）和非金属填充带（柔性石墨或 PTFE）交替螺旋缠绕而成。ASME B16.20 规范化了突面法兰用缠绕垫片的尺寸和组成要求。

缠绕垫片的组成（ASME B16.20 全配置）：

• 内环（Inner Ring）：金属环，安装在垫片内径处，防止垫片内圈向内塌陷（防止缠绕末端松散），同时保护填充材料不被流体冲刷，减小对接管的腐蚀风险。对于所有 Class 900 及以上，以及 Class 300 和 600 的 NPS 24 以下管道，内环为必须配置。
• 缠绕体（Winding Body）：交替缠绕的金属带和填充带，提供弹性密封。金属带通常选 316L 不锈钢（耐腐蚀，成本合理），对于特殊腐蚀性服务可选哈氏合金 C-276、蒙乃尔合金或因科镍合金。填充带通常选柔性石墨（耐高温）或 PTFE（化学惰性，用于强腐蚀性流体）。
• 外定位环（Outer Centering Ring）：安装在垫片外径处的碳钢或不锈钢圆环，作用是确保垫片在两个法兰面之间精确对中，同时防止垫片过压（外环的厚度小于垫片压缩后的厚度，作为止压器）。

缠绕垫片的压缩率与密封：缠绕垫片在约 25–30% 的压缩率下实现最佳密封——低于此压缩率密封不足，高于此压缩率（过度压缩）会损坏缠绕结构并影响后续复用性。螺栓预紧须按 ASME PCC-1 程序进行（对角交叉多遍）。缠绕垫片不能复用——拆卸后的缠绕垫片已发生不可逆变形，必须更换。

金属垫片

环槽垫片（Ring Joint Gasket，RTJ）：实心金属环，截面为椭圆形（Oval Ring）或八边形（Octagonal Ring），与环槽面（RTJ）法兰的精密加工槽配合，通过金属与金属接触实现密封。

• 适用压力：Class 600 至 Class 2500（高压应用的标准选择）
• 操作温度：与环槽垫片材料相关，碳钢 R 系列可用至 650°C，316L 不锈钢环至 540°C
• 关键材料原则：垫片硬度须低于法兰硬度，确保密封时垫片（而非法兰）发生变形。常见组合：碳钢 RTJ 环（HB ≤ 90）配不锈钢法兰（HB 160–200）；软铁环配碳钢法兰
• 椭圆型 vs 八边形：椭圆型环与槽接触线较短，初始密封所需预紧力较小；八边形环可双面使用（两个密封面），且与槽的接触面积更大，适合更高压力
• RTJ 安装须检查：槽的尺寸（深度、宽度）须符合 ASME B16.20 规范；环槽须无划伤；螺栓须按正确扭矩预紧

金属包覆垫片（Metal Jacketed Gasket）：以软非金属材料（石棉替代品、陶瓷纤维）为芯，外包覆金属壳（不锈钢、软铁、铝等）。适用于全平面或大直径法兰，提供较低的座封应力（比实心金属环低）和良好的耐高温性能。用于大型设备人孔、高温换热器接管和特殊几何接头。

垫片材料与流体相容性

垫片材料须与服务流体完全相容，否则垫片本身会成为腐蚀的来源：

选型实践指导

面对具体选型决策，建议按以下顺序考虑：

1. 确认法兰面型（RF/FF/RTJ）——决定可用垫片类型
2. 确认压力等级（Class 150–2500）——RTJ 用于 Class 600 及以上时高压服务
3. 确认操作温度——排除温度超限的垫片材料
4. 确认流体化学性质——核查材料兼容性，排除不兼容材料
5. 确认是否有食品/药品接触要求（FDA、EC 1935/2004 等法规的材料认证）
6. 在满足上述要求的垫片类型中，选择操作最简单、维护最经济的选项

总结

垫片选型决策路径：法兰面型（RF/RTJ）→ 压力等级 → 操作温度 → 流体兼容性 → 特殊要求（卫生级、低泄漏率）。缠绕垫片（ASME B16.20 全配置）是大多数中高压工艺服务的合理起点；极低压或强腐蚀性流体考虑 PTFE 或柔性石墨平垫；高压服务（Class 900+）选环槽垫片配 RTJ 法兰面。垫片规格须在管道等级文件中固化，而非留给现场随意替换。