绕式垫片作为一种金属与非金属组合式垫片，以其优良的性能在石油、化工、电力、机械、制药等部门的设备和管道上得到广泛应用，其质量的好坏直接影响生产装置的安全运行和操作人员的生命安危。据初步调查，国内静密封件生产厂家的设备简陋，工艺落后，缠绕式垫片生产处于低档水平，且质量很不稳定。对缠绕式垫片的结构参数，包括金属带与非金属带的平带宽度、钢带成型角度、成型带的宽度及其直边长度等无统一规定，各生产厂依据自己的经验确定，生产的缠绕式垫片不是金属带裸露，就是非金属带挤出太多，直接影响垫片的外观和质量。此外，目前采用的绕制工艺中，钢带拉紧力和压紧力均无法连续调节与定量控制，非金属填料带采用手工添加，尺寸人工测量，生产效率低，产品质量不稳，人为因素很大，影响了垫片的力学性能和密封性能。随着工业装置向着大型化和高参数方向发展，对高质量缠绕式垫片的需求与日俱增，因此研究先进的生产工艺和装备，对提高缠绕式垫片的质量具有十分重要的意义。
新工艺的研究
1.缠绕式垫片结构参数
缠绕式垫片是由金属与非金属成型带螺旋相间缠绕而成，成型前的金属与非金属平带宽度是在剖析了国外著名密封件公司如日本valqua公司、pillar公司和美国flextalic公司并综合国内厂家经验数据的基础上确定的。4.5mm厚度系列的缠绕式垫片的金属平带宽度一般有5.1、5.3和5.5mm三种，非金属平带根据不同材质又有不同的宽度。笔者仅选择了应用十分广泛的柔性石墨带材作为填充料进行研究，其宽度为5.8～6.0mm。
金属平带经过一对特殊设计的成型轮压制成型，为保证绕制后的垫片厚度为4.5+0.4mm、钢带不露带、表层填料纹理清晰，则成型钢带宽度b，平钢带宽度b ＇，厚度t，成型角度2α和成型直边宽度b（如图1所示）之间通过几何关系的推导，可得各结构参数，见表1。
表1 缠绕式垫片的结构参数
| 平钢带宽度b′(mm) | 5.1 | 5.3 | 5.5 |
| 成型带宽度b(mm) | 4.1 |
| 成型带高度h(mm) | 1.5 |
| 成型角度2α(°) | 99.3 | 84.2 | 68.3 |
| 直边宽度b(mm) | 0.24 | 0.70 | 1.04 |
图1 钢带结构示意图
2.缠绕式垫片生产工艺参数
除了缠绕式垫片的结构参数外，生产过程中的工艺参数对垫片的性能影响很大。工艺参数主要是指绕制垫片时的压紧力和钢带所需的拉紧力，通过调节气缸内气体压力p和施加于电磁离合器上的激磁电压u就可分别调整它们的大小。设压紧轮上的压紧力为fc则
fc=πd2p/4 (1)
式中 d——气缸活塞直径。
由文献［1］得到电磁离合器的扭矩t为
t=kμrmu2(2)
式中 k——与电磁离合器结构有关的常数；
μ——摩擦片间的动摩擦系数；
rm——摩擦面的平均直径。
对于选定的电磁离合器，其k、μ、rm均不变。若成型钢带盘直径为d ′，则钢带的切向拉紧力fp为
fp=2kμrmu2/d′ (3)
改变激磁电压u即可调节钢带上拉紧力的大小。
3.结构与工艺参数的最优化
缠绕式垫片的结构和工艺参数直接影响垫片的性能。笔者对表1所列三种不同结构参数的成型钢带，对应于不同的工艺参数，以自行研制的新型缠绕机绕制出的垫片作为试验样品，在多功能全自动垫片综合性能试验机［2］上进行力学性能（压缩率、回弹率）和密封性能试验。试样为dn80、pn5.0的内外环型柔性石墨缠绕式垫片，试验条件为：预紧比压70mpa，试验介质99.9%氮气，介质压力5.5mpa，室温，加载、卸载速度0.5mpa/s。采用三因子三水平正交试验，即根据l9(34)安排试验，以寻求最佳结构参数与工艺参数的匹配。
试验用垫片的结构和工艺参数为
α——成型带半角，α1=49.6°，α2=42.1°，α3=34.2°；
fp——缠绕拉紧力，fp1=11.8n，fp2=14.7n，fp3=17.6n；
fc——缠绕压紧力，fc1=251.3n，fc2=314.2n，fc3=377.0n。
做了9组不同结构和工艺参数组合的垫片性能试验［3］，对其中泄漏率数据进行方差分析后列于表2中。可以看出成型钢带角度2α与缠绕压紧力fc对垫片的密封性能有显著影响。根据gb4622.3—93《缠绕式垫片技术条件》中的技术指标，柔性石墨缠绕式垫片的压缩率为18%～30%，回弹率≥17%，泄漏率≤1.0×10-4（石化行业推荐）。而优化的目标就是要在满足国标规定要求的前提下，泄漏率最小，回弹率最高。试验中的α2fp2fc3组合［3］虽满足泄漏率最小的要求，但回弹率不达标。因此，在fp水平不变的情况下，改变对性能影响显著的两水平α和fc，再进行垫片性能试验，得出的结果如表3所示。
表2 泄漏率数据［3］方差分析
方差
来源 | 偏差平
方和s | 自由度
f | 均方
s/f | f比 | 显著度
β |
| α | 8.02 | 2 | 4.01 | 24.83 | 0.01 显著 |
| fp | 0.91 | 2 | 0.45 | 2.81 |
| fc | 5.31 | 2 | 2.66 | 16.43 | 0.1 显著 |
| 误差 | 0.32 | 2 | 0.16 |
表3 垫片性能试验数据
| 组 号 | 压缩率(%) | 回弹率(%) | 泄漏率(cm3/s) |
| α1fp2fc3 | 20.39 | 29.82 | 1.89×10-4 |
| α2fp2fc3 | 14.06 | 29.58 | 0.71×10-4 |
| α2fp2fc2 | 20.72 | 30.54 | 1.56×10-4 |
从表3中的试验数据可以看出，经过优化组合以后，α1fp2fc3和α2fp2fc2两种结构与工艺参数的组合制造出的缠绕式垫片，其性能已远远高于国家标准的要求，特别是表中的最高回弹率指标达30.54%，表明该垫片的回弹量已接近其压缩量的三分之一。这种垫片若用于真实工况下的高温高压或温度压力频繁波动场合，由于其有足够的回弹量来补偿螺栓、法兰的变形，便能保证恶劣工况下法兰连接系统的安全性。
新装备的特点
1.切带与成型
切带分金属切带和非金属填料切带两种。金属切带机主要由齿轮箱、滚刀及其支架和收卷装置组成。动力经一对齿轮传至与轴线平行且相互嵌入的两组滚刀上，每组滚刀由环形刀片、垫块及橡胶圈相间组装而成，两端以防松螺母紧固。下滚刀轴固定，上滚刀轴经矩形滑块与机架相连，保证上滚刀可调。送料口处设置导向机构以保证钢带平直进入切刀。收卷装置采用链轮传动，以电磁离合器调节来达到钢带的同步收卷。
经切带机切出的金属平带需在专用成型机上滚压成型。金属平带经由导向轮进入一对成型轮，成型轮的结构按钢带最佳结构参数进行设计，保证成型后的钢带光滑、对称、不扭曲并符合规定的宽度。通过调节专用直流稳压器提供给轴端电磁离合器的激磁电压，实现成型后的钢带在卷带芯片上自动收卷。
2.缠绕
缠绕式垫片在专用缠绕机上绕制而成。缠绕机按机床精度加工，由主机、进给系统、气源及控制系统组成。采用特种电动机，无惯性，可瞬时停车；主轴转速4挡可调，可使不同直径的垫片以相近的线速度缠绕；调节手轮可改变压紧轮位置，以适应不同规格垫片的缠绕直径。
进给系统由轮系支架及通过活动摇臂连接于其上的添带轮、过渡轮、导向轮、填料带盘和成型金属带盘组成，并使其与压紧轮有同一定位基准，保证诸轮位于同一中心平面内。
气源由空气压缩机产生，经过滤减压阀至电磁换向阀，再经调压阀至气缸推动活塞及连接于活塞杆上的压紧轮，由此产生压紧力。金属带的切向拉力由连接于钢带盘上的电磁离合器的摩擦力矩产生，通过调节控制器供给电磁离合器的激磁电压来控制，控制器上设置有多挡激磁电压衰减系数，可根据需要来选择。
垫片缠绕过程中，尺寸通过位移传感器在线测量。传感器将垫片宽度这一位移量转换成相应的电压信号，送入控制器的第一级预置零点后显示，并与两个设定值比较，当达到其中任一个设定值时，继电器动作，使接触器释放，电动机停转，从而实现自动控制垫片绕制宽度。
新型缠绕机的特点是精度高，填料带自动进给，工艺参数可显示和控制，尺寸自动测量。因此，排除了手工操作的影响，垫片质量和生产效率明显提高。
3.点焊
缠绕式垫片专用焊机采用了光电偶合和集成电路控制技术，克服了其它类焊机应用于垫片焊接时出现的焊点大小不均、有糊斑、钢带烧通、安全性差等缺陷。长期使用表明，这种焊机性能稳定，安全可靠，焊接速度快，焊点质量好，操作使用方便，从而降低了工人劳动强度，提高了生产效率。
小结
目前，国内静密封件厂家对不同应用工况、不同压力等级的缠绕式垫片的生产仅体现在尺寸和选材的不同上，没有考虑结构和工艺参数对垫片性能的影响，这正是国内缠绕式垫片质量不高、高温高压工况下应用受到限制的症结所在。通过近10年的不断研究和改进，新的生产工艺和装备已投入使用，制造出的缠绕式垫片的外观和内在性能显著提高，达到甚至超过了国外同类产品的质量水平，为缠绕式垫片应用于高温高压或温度压力波动场合提供了可靠保证。
