橡胶密封垫片之换热器篇

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关键词：橡胶密封垫 密封垫片 应力 橡胶 模压

宋兆煌1,周文学2,党战伟2(1.苏州工业园区太平洋密封制品有限公司,江苏苏州215021;2.兰州石油机械研究所,甘肃兰州730050)

　　板式换热器(以下简称板换器)有效的热交换不仅在板片之间狭小的空间中进行,而且在板片之间的许多垫片中也发生热交换。实际应用中,垫片被认为是板换器中最重要和最需要对其进行苛刻要求的零件。垫片不仅要密封住介质,使其不向外界环境中泄漏,而且还要防止热交换介质之间的互混。用于板换器密封垫片的材料有橡胶、压缩石棉纤维、膨胀石墨、用聚四氟乙烯包覆防护的橡胶和专门处理过的聚四氟乙烯等。橡胶垫片在板换器中的使用率超过98%。

　　1材料组成和制造橡胶是比较复杂的高分子体系,由橡胶聚合物(或称生胶)、硫化剂、填充剂(用于增强)、防老剂、加工助剂和稀释剂等多种不同组分组成。聚合物制造商供应的原料橡胶聚合物,还不是通常所说的橡胶,因为高分子聚合物的分子链还没有交联形成三维网状结构,交联网状结构是在硫化过程中形成的。起硫化反应的硫化剂,在热作用下引起橡胶聚合物之间的化学反应,从而完成硫化过程。硫磺、有机树脂和有机过氧化物等都是典型的硫化剂。为了改善橡胶垫片的物理性能,如硬度、扯断强度及撕裂强度等,需要加入增强填充剂,而碳黑是常用的填充剂,碳黑不仅可改善橡胶垫片的物理性能,而且可使垫片的价格大为降低。橡胶垫片象其它所有的有机体系一样,当其被暴露在有害的热、氧等环境中就会发生老化。因此还需要在混炼胶中加入一些有效的抗老化剂(抗氧剂、抗臭氧剂等),以延长橡胶垫片的寿命。加工助剂(软化剂、脱模剂等)虽然不能延长橡胶垫片的寿命,但对改善垫片制造过程中的混炼、挤出和模压性能很有作用。对原材料及其配比的选择将决定橡胶垫片材料的最终性能。橡胶垫片材料典型组成见表1。板换器密封垫片的制造过程大体上包括如下几个步骤和质量控制点。



　　(1)混炼胶的混炼准确称量原材料,在密闭或开放式炼胶机中进行混炼。使按配方称量的各个原料组分混合均匀,经实验室检测后,将混炼胶用于垫片生产。(2)胶料毛坯因橡胶垫片的横截面积和长短不同,可以通过挤出机将胶料制成相应毛坯———圆柱形胶条。(3)模压板换器橡胶密封垫片是在压机中用模压的方法制造的,即将未硫化的橡胶胶条半成品放入热模具的型腔中,模具闭合即进行硫化,模压温度为160～185℃,时间3～15min,因不同的混炼胶品种而异,模压压力应不小于9.8MPa。(4)后硫化为了提高生产线的生产能力,硫化在模压过程中不全部完成,将模压硫化过的垫片静态情况下置于烘箱中最终完成硫化。烘箱内的度必须均匀,其保温时间因不同的混炼胶而异。硫化是板换器橡胶密封垫片生产过程中极重要的步。烘箱必须安装带有连续温度记录的装置。(5)成品检验从每一炉烘箱中抽取成品垫片在实验室中按成品标准进行检测。

　　2密封原理常见的橡胶O形环属自密封原理,它的密封能一直维持到O形环变形、软化。这是因为对微缺陷起密封作用的就是O形环所承受的压力。板换器橡胶垫片的密封则不同。板换器得以封运行主要取决于橡胶垫片因压缩而产生的瞬时封应力和板换器操作压力之间的比较。密封应力于操作压力则可保持密封,反之则发生泄漏。因此板换器密封最重要的就是使密封应力尽可能达到高而且保持尽可能长的时间。橡胶与金属弹簧的弹性不同,它是1种粘弹料。这就意味着橡胶在长期变形的情况下会发生力松弛,即在不变的张力或压力下,密封应力会随间的延长而衰减。较高的应力松弛是限制板换器胶垫片使用寿命的重要因素。应力松弛有2种,1种是物理松弛,这是因聚物分子和填充剂微粒之间的重排引起的,此种重随着橡胶的变形而逐渐接近平衡,密封应力与时的对数呈线性关系。另1种是化学松弛,这是因胶交联网中化学键的开裂引起的。氧化与温度是响此种松弛的重要因素。因此应力松弛的速率在大程度上就取决于温度和每种橡胶垫片所适用的作温度范围,见图1。低温丁腈适用于低温范围,此,随着温度上升,其应力松弛迅速恶化,而适于温范围的氟橡胶则相反。



　　应力松弛取决于橡胶垫片的组成(配方)和加工程序,而硫化程度(交联密度)也非常重要。垫片制作得不好,交联密度低,应力松弛速率就高,垫片使用寿命就短。但提高交联密度虽然可以改善应力松弛,却降低了橡胶的撕裂强度,结果就造成橡胶垫片在高应力下的破裂。密封应力是温度的函数,不同的橡胶对温度的依赖性不一样。氟橡胶的密封应力对温度表现出很强的依赖性,因而安装了氟橡胶垫片的板换器就可能发生冷泄漏。除了应力松弛以外,橡胶垫片的另一个经常被人们忽视的特性是,物理性能也非常强烈地依赖于温度。在高温下,橡胶垫片的扯断强度、撕裂强度和硬度等都会降低,虽然不同品种的橡胶垫片降低幅度不一样,但假如这时垫片受到压缩并超过其极限强度,垫片就可能发生机械损坏,如压碎等,见图2。



　　板换器橡胶垫片的寿命可作如下描述,当垫片安装到板片上经组装后压缩至名义尺寸时就产生了初始密封应力,同时橡胶垫片的应力松弛也开始了。在运输、储存和安装板换器这段时间,热交换的温度较低,应力松弛也较缓和。开车后,温度开始升高,应力松弛逐渐严重。板换器运转一定时间后,需要停车进行维修和清洗,板换器又冷却到原来的温度,这时的密封应力较初始密封应力有所下降,但通常还在保持密封所必须的{zd1}应力之上,因而仍能保持密封。重新开车后,密封应力和应力松弛又重新开始。若干次重复以后,在冷热交换的情况下,橡胶垫片的密封应力最终降低到保持密封所必须的{zd1}密封应力以下,板换器就开始泄漏,被迫停止运行,更新橡胶垫片。结语(1)橡胶垫片是板换器的重要零件,选择适宜的垫片材料,可以保证板换器的长期运转,经验和大量的试验数据是正确选择材料的可靠依据。(2)橡胶垫片的制造中有许多加工难点需要克服,因此,正确的制造工艺和完善的质量保证体系是确保垫片质量所必须的。

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