金属缠绕垫片（Metal Wound Gasket）是工业管道和设备法兰连接中最常用、性能最可靠的一类密封垫片。凭借其独特且成熟的结构设计，在高温、高压及波动工况下展现出卓越的密封能力，尤其适用于电力、石化、化工等关键领域。
一、 结构解析：刚柔并济的复合体
金属缠绕垫片的核心结构是“金属带”与“非金属填充带”交替缠绕形成的密实环状体，通常带有中心定位环和（或）外加固环。其结构层次如下（如图1所示）：
- 核心密封体：
- 金属带 (V形或W形)： 通常采用薄型（如0.15mm-0.25mm）不锈钢（如304、316）或特殊合金（如Inconel®）制成，预先压制成特定的V型或W型截面形状。这种形状提供了弹性回复力和机械强度。
- 非金属填充带： 嵌于相邻两层金属带的“V或W”槽谷内。常用材料有柔性石墨（膨胀石墨）、聚四氟乙烯（PTFE）、非石棉纤维（如陶瓷纤维、云母、玻璃纤维等）。填充带提供初始密封性并补偿微观不平。
- 缠绕成型： 金属带与填充带在专用缠绕机上按特定角度（通常约30°）紧密、均匀地螺旋缠绕叠加，形成具有多层同心密封线的弹性带体。
- 加强环（Optinal but Common）：
- 内环 (Inner Ring)： 位于缠绕体中心内侧。通常由实心金属板材（如碳钢或不锈钢）制成，厚度大于金属带。作用：限制缠绕带向内部通道的径向松弛；防止“吹出”（尤其低压下）；加强径向刚度；提供定位。
- 外环 (Outer Ring)： 包裹在缠绕体最外侧。材料同内环。作用：限制缠绕带向外侧径向松弛；保护缠绕体边缘免遭物理损伤；提供定位，便于安装对中；辅助承受部分螺栓载荷。
二、 结构优势：卓越的密封性能来源
这种多层缠绕复合结构赋予了金属缠绕垫片多项关键优势：
- 优异的弹性补偿能力：
- 多层薄片效应： 多层薄金属带与柔软填充材料的组合提供了优良的整体弹性。能够有效补偿法兰密封面的微观不平度、热变形、螺栓预紧力的差异以及轻微的管道振动或位移。
- 出色的耐高温高压性能：
- 金属骨架承力： 金属带作为骨架结构承受了主要的螺栓载荷和介质压力（尤其是高温下的内压），防止垫片过度压缩或发生“蠕变失效”。
- 高温稳定性： 核心材料（如不锈钢带、石墨、云母）在高温下保持稳定，石墨密封材料更在高温下具有优良的自润滑性和密封性。这是橡胶类（O型圈）甚至大部分纯PTFE垫片无法比拟的。
- 良好的应力分布与抗松弛性：
- 螺旋缠绕应力分散： 螺旋结构有助于分散压缩载荷，使接触密封应力沿垫片宽度分布更均匀。
- 良好的回弹性： V/W形金属带提供良好的径向（弹簧般）回弹，即使在热循环（紧-松-紧）工况下也能维持足够的密封应力，减少松弛导致的泄漏。
- 高抗吹出（Blow-out）能力：
- 内/外环的约束作用，以及缠绕结构的整体刚性，有效抵抗高压（尤其在启闭瞬间或低压启动时）介质试图将垫片从法兰间隙中推出的力。
- 较宽的适应范围：
- 通过灵活选择金属带材质、填充带材质、厚度、缠绕密度、带型（V/W），以及是否使用加强环，可以适配非常广泛的温度（从深冷到+1000°C+）、压力（从真空至超高压数百bar）、介质（酸、碱、油、气、蒸汽等）和法兰密封面要求（粗糙度比橡胶O型圈低）。
三、 与其他类型垫片的对比
表1：金属缠绕垫片与常用法兰密封垫片性能对比
| 性能指标 |
金属缠绕垫片 |
橡胶/橡胶基复合垫片 (如O型圈, 橡胶垫) |
纯PTFE平垫/活套垫 |
金属包覆垫片 (纯石墨芯/矿物纤维芯) |
金属齿形/波齿垫片 |
| 主要结构 |
金属+填充带缠绕体+内/外环 |
弹性体或弹性体+增强 |
实心或改性PTFE |
金属外皮包裹非金属芯材 |
金属带齿形/波纹沟槽 |
| 核心优点 |
高弹补偿、高耐温压、抗松驰 |
高弹性、低应力密封、易安装 |
优异化学惰性、极低摩擦 |
较好耐高温（依赖芯材）、高抗吹出 |
高密封比压、抗吹出好 |
| 核心缺点 |
成本较高，法兰面需一定粗糙度，不重复用 |
耐温耐压有限（普遍<150°C, <40bar） |
严重冷流、耐压低、高温柔差差 |
补偿差、法兰面要求高、不耐压差 |
无弹性补偿、法兰面要求极高、安装紧 |
| 工作温度 |
宽（-200°C~+1000°C+, 依材料) |
窄（一般 -40°C ~ +150°C） |
窄（-200°C ~ +260°C，慎用高低温差剧变） |
宽（-200°C~+800°C+, 依芯材) |
宽（-200°C~+1000°C+） |
| 最高压力 |
很高（可达数百bar） |
低中压（<40-80bar） |
中低压（<60-100bar） |
高（可达300bar+） |
很高（可达数百bar） |
| 耐循环/波动 |
优异 |
一般（可能老化松弛） |
差（易冷流丧失弹性） |
一般（芯材可能压溃） |
差（变形后难恢复） |
| 初始密封/低压密 |
优良（弹性+多层线密封） |
极佳 |
优良 |
一般（依赖金属圈预接触点） |
中差（需高预紧力建立初始线密封） |
| 化学介质兼容性 |
极宽（金属+填充材料选择范围大） |
依赖橡胶种类 |
最宽（PTFE近乎惰性） |
宽（依赖芯材+金属皮） |
宽（金属材料选择决定） |
| 经济性/重复使用 |
成本较高，禁止重复使用 |
成本低，特定静态可重复使用 |
中低，部分可重复使用 |
高，基本不重复使用 |
高，不重复使用 |
| 典型法兰面要求 |
中/细齿凸面(RF)，凹面/榫面(FF/TG)需谨慎评估 |
广谱（对粗糙度容忍度高） |
光面/细齿面（防冷流挤出） |
需非常光滑平整 (如FF/TG) |
需极高精度光滑镜面（如RTJ） |
四、 关键材料组合及应用
金属缠绕垫片的性能主要取决于金属带材质与填充带材质的合理匹配。以下是核心材料组合及其典型应用领域：
-
金属带（Metal Strip）材料选择与应用：
- 304 / 304L 不锈钢： 最常用材料。具有良好的耐腐蚀性、成型性、经济性。适用于温度范围 -200°C ~ +550°C。广泛用于水、蒸汽、空气、油品、弱酸弱碱等一般工业领域（电力、化工、炼油）。
- 316 / 316L 不锈钢： 添加钼元素，显著提高抗点蚀和缝隙腐蚀能力（尤其针对Cl-）。耐温范围同304。主要用于涉及海水、盐雾、醋酸、磷酸、漂白剂等腐蚀性稍强的环境（如化工、化纤、食品工业设备）。
- 321 / 347不锈钢： 含钛或铌稳定化元素，抗晶间腐蚀性能优于304/316。尤其适用于制造后无法进行固溶处理或处于敏化温度区间（450°C-850°C）工作的场合。耐温上限可适当提高（短时~600°C）。
- Inconel® 600/625/X-750： 镍基合金。极高的耐高温性（+1000°C）、抗氧化性、抗高温腐蚀（如硫、氯、渗碳、氧化）性能。用于高温热蒸汽、高压氢气、燃烧废气、熔盐、强腐蚀性化工等极端环境（如高参数锅炉、重整炉、裂解炉、核电）。
- Monel® 400: 镍铜合金。卓越的耐海水、氢氟酸（HF）、热浓碱液腐蚀性能。 耐温~500°C。用于海洋、化学处理（尤其是氢氟酸流程）、制碱工业。
- 钛及钛合金： 优异的比强度、耐海水、耐氯离子腐蚀、耐多种氧化性介质。 用于航空、航天、海洋、高端化工（如氯碱）等苛刻环境。
- 碳钢 / 低合金钢： 主要用于制造内环和外环。提供结构支撑和定位。
-
非金属填充带（Filler Material）材料选择与应用：
- 柔性石墨带 (Flexible Graphite)： 当前绝对主流和首选。
- 优点： 化学惰性好（耐强酸碱、有机溶剂、强氧化剂除外）；极宽的耐温性（-200°C~+1600°C非氧化气氛 / ~450°C氧化气氛）；优良的自润滑性和密封性；低热膨胀系数；良好的压缩回弹性。
- 缺点： 在强氧化性介质（如浓HNO3, 浓H2SO4）中不稳定；存在电化学腐蚀风险（与低电位金属接触需注意）。
- 应用： 广泛适用于绝大多数高温高压场合：饱和/过热蒸汽系统，高温油品管线，高温气体（H2、N2、Ar等），合成氨系统，热媒系统等。是替代传统石棉的理想环保材料。
- 聚四氟乙烯带 (PTFE)：
- 优点： 近乎完美的化学惰性（耐除熔融碱金属和氟元素外的几乎全部化学介质）；低摩擦系数；极佳的电绝缘性；耐温~-200°C~+260°C（短时300°C）。
- 缺点： 显著冷流（冷蠕变）特性导致易变形松弛，尤其在高温和持续高压下密封性难保证；线膨胀系数大；导热性差；不耐强氧化剂（如发烟硝酸）和氟元素。
- 应用： 主要用于中低温（<200°C）、中低压环境下的强腐蚀性化学介质密封：强酸、强碱、有机溶剂输送管线、反应釜，食品、医药卫生等清洁要求高的领域。不适于大型主蒸汽管线等高温高压关键部位。
- 云母带 (Mica)： （常用于改性石墨或组合填充）
- 优点： 优异的耐高温（高达1000°C）、耐火焰、高绝缘、极佳的抗电化学腐蚀能力；低渗透。
- 缺点： 脆性较大，抗冲击性差；较石墨密封性稍差。
- 应用： 主要用于存在显著电化学腐蚀风险的高温环境（如高温熔盐电解）、绝缘要求高的场合、以及需提升石墨在氧化气氛中温限的工况。常与石墨复合使用。
- 陶瓷纤维带： （作为石棉的理想替代品之一）
- 优点： 耐高温（~1000°C），化学稳定性好（耐酸碱），不燃，环保（低粉尘）。
- 缺点： 强度较低，摩擦系数可能较高，密封比压要求高。
- 应用： 用于中高温非关键腐蚀环境，尤其关注环保的场所。性能通常逊于柔性石墨，成本可能较低。
- 非石棉纤维素纤维/合成纤维：
- 优点： 成本较低，有一定弹性和密封性。
- 缺点： 耐温性有限（通常<250~300°C），耐化学性受纤维类型限制（不如石墨/云母）。
- 应用： 主要用于中低温、中低压、非强腐蚀介质的通用工业场合。
结论
金属缠绕垫片凭借其刚柔相济的多层缠绕结构，在高温高压法兰密封领域占据着不可替代的重要地位。它将高强度金属带的承载能力、良好弹性和非金属填充材料的优异可压缩性、低渗透性完美结合，克服了纯金属垫片回弹差、纯非金属垫片承载能力低的局限性。虽然其成本高于简单垫片（如橡胶垫），且对法兰面有一定要求（不允许有径向沟痕，通常需要细齿凸面RF），也不能重复使用，但其在复杂严苛工况下的高可靠性和宽适应性确保了它的核心竞争力。材料选择的多样性（从经济的不锈钢/石墨到昂贵的镍基合金/石墨）使其能覆盖从通用工业到极端环境的海量应用。在选型时，必须严格依据设计温度、压力、介质腐蚀性、循环特性以及相关标准（如ASME B16.20, EN 1514, GB/T 4622等）进行核算，确保垫片材料和等级满足具体工况要求。
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