李 軍,李 翔,何興建

[1.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100013；2.中國石油大學(北京) 化學工程學院,北京 102249]

自20世紀60年代新型密封材料柔性石墨問世以來，以柔性石墨波齒復合墊片為代表的新型復合墊片不斷出現(xiàn)。柔性石墨波齒復合墊片是由沖齒的金屬骨架和柔性石墨復合而成。該墊片具有密封性能好、壓縮回彈性能好、耐高低溫及抗腐蝕能力強、適用范圍廣、使用壽命長等特點，廣泛運用到石油化工、冶金、制藥及電力等行業(yè)。對于石墨復合墊片壓縮回彈性能的研究，國外主要有Bazergui等人[1]采用實驗的方法對一種石墨復合墊片的性能進行研究，Sawa等人[2]對纏繞式墊片接觸面的應(yīng)力分布進行了實驗和有限元分析，而國內(nèi)，華東理工大學蔡仁良等人[3-4]對柔性石墨波齒復合墊片的類型、應(yīng)用狀況及石墨性能進了概述和研究，中國石油大學(華東)周先軍等人[5-6]對波齒復合墊片的密封性能進行了實驗研究以及郭濱詩等人[7]采用實驗的方法對3種不同尺寸石墨復合墊片的蠕變和應(yīng)力松弛特性進行了研究。

目前，國內(nèi)對柔性石墨波齒復合墊片的結(jié)構(gòu)尺寸尚未明確規(guī)定及墊片所采用的柔性石墨性能各不相同，墊片的質(zhì)量參差不齊。作者通過對復合墊片進行相關(guān)的研究，分析復合墊片相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸及石墨性能對墊片壓縮回彈性能的影響，為墊片的生產(chǎn)制造提供參考。

1 柔性石墨復合墊片數(shù)值研究

1.1 數(shù)值計算模型構(gòu)建

通過有限元分析，對柔性石墨波齒復合墊片的壓縮回彈性能進行研究，墊片的試樣、剖面結(jié)構(gòu)示意圖及相關(guān)參數(shù)，見圖1、圖2。采用的數(shù)值計算單元為plane182。由于墊片的幾何結(jié)構(gòu)及所承擔載荷特性，將墊片壓縮回彈特性研究簡化為平面問題，通過ANSYS軟件構(gòu)建墊片模型，采用四邊形網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為13 915。模型及網(wǎng)格劃分見圖3和圖4。

圖1 柔性石墨復合墊片試樣圖

圖2 墊片剖面結(jié)構(gòu)圖

圖3 墊片有限元模型

圖4 模型網(wǎng)格劃分

1.2 材料選取及邊界條件

柔性石墨復合墊片采用的金屬骨架材料為不銹鋼，其性能參數(shù)見表1。柔性石墨的材料性能見參考文獻[8]。在墊片壓縮回彈性能實驗，法蘭為剛性法蘭。為保證墊片表面軸向位移的一致，在模擬計算中，把墊片上表面所有節(jié)點的軸向位移相耦合，并約束下表面所有節(jié)點的軸向位移。

表1 不銹鋼性能參數(shù)

1.3 結(jié)果分析

通過模擬計算，得到墊片預緊力30 MPa條件下，柔性石墨波齒復合墊片的壓縮回彈曲線，見圖5紅色曲線，墊片壓縮率和回彈率數(shù)值見表2。

表2 石墨復合墊片壓縮率及回彈率比較

墊片應(yīng)變ε圖5 30 MPa載荷條件下墊片壓縮回彈曲線

為驗證有限元分析的正確性，進行了墊片壓縮回彈性能實驗，實驗采用的設(shè)備為微機控制電子萬能實驗機，實驗機的型號為WDW-300E，實驗步驟參照GB/T12622—2008《管法蘭用墊片壓縮率及回彈率試驗方法》，實驗載荷為30 MPa，得到的壓縮回彈曲線見圖5黑色曲線。

由數(shù)值計算和實驗所得曲線及壓縮率與回彈率數(shù)據(jù)分析可知：模擬結(jié)果與實驗吻合，最大誤差為4.62%。

2 模擬結(jié)果討論

2.1 墊片波齒數(shù)的影響研究

柔性石墨波齒復合墊片壓縮回彈性能隨墊片波齒數(shù)的變化趨勢，見圖6。

墊片波齒數(shù)/個圖6 墊片壓縮回彈性能隨波齒數(shù)變化

由圖6墊片的壓縮率曲線可知，當復合墊片波齒個數(shù)少于10個時，由于墊片骨架齒槽較寬，能夠填充的柔性石墨較多，壓縮時石墨的變形量較大，故波齒數(shù)較少時，墊片的壓縮率較大，但墊片壓縮率并非隨著波齒數(shù)的減小而單調(diào)變化，而是存在一個壓縮率極值點，即墊片存在一個最佳波數(shù)；由于柔性石墨的特殊性質(zhì)，石墨的回彈率較小，導致波齒數(shù)在10以下復合墊片的石墨層回彈量變化相對較小，故不同波齒數(shù)條件下復合墊片的回彈率變化不大。

2.2 墊片波齒深度的影響研究

柔性石墨波齒復合墊片壓縮回彈性能隨墊片波齒深度的變化規(guī)律，見圖7。

墊片波齒深度/mm圖7 墊片壓縮回彈性能隨波齒深度變化

由圖7可見，墊片壓縮率隨著波齒深度的增加而略有增大，主要原因是波齒深度的增大使得填充石墨的量增大；而隨著墊片波齒深度的增大，墊片回彈率的增大幅度大于墊片壓縮率，故復合墊片波齒深度對于墊片回彈率的影響要大于墊片的壓縮率。

2.3 柔性石墨性能的影響研究

4種不同密度的柔性石墨波齒復合墊片的壓縮回彈性能曲線見圖8。

ρ(柔性石墨)/(g·cm-3)圖8 墊片壓縮回彈性能隨石墨密度變化

由圖8曲線的變化趨勢可知，石墨層的特性對復合墊片性能的影響較大，對于石墨密度越大的波齒復合墊片，由于密度越大的石墨，其內(nèi)部空隙就愈小，壓縮時石墨的變形量就越小，但石墨的回彈量隨著密度的增大而增大，故墊片的壓縮率隨著石墨密度的增大而減小，但墊片的回彈率卻隨著石墨密度的增大而增大。

3 結(jié) 論

(1) 柔性石墨波齒復合墊片存在一個最佳的波齒數(shù)，在該波齒數(shù)下，復合墊片的壓縮率達到極值，而波齒數(shù)的變化對于墊片回彈率的影響相對較?。?/p>

(2) 柔性石墨波齒復合墊片的波齒深度對復合墊片壓縮率的影響較小，而對墊片回彈率的影響較為明顯；

(3) 柔性石墨波齒復合墊片的壓縮率隨著石墨密度的增大而減小，而墊片回彈率隨著石墨密度的增大而增大，合理地選擇石墨，對于制造高品質(zhì)的石墨復合墊片意義重大。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] Bazergui A，J Winter J R.Room temperature and elevated temperature tests of a metal corrugated gasket with flexible graphite fill[A].American Society of Mechanical Engineers，Pressure Vessels & Piping Division[C].New York：ASME，1989(158)：33-40．

[2] T Sawa，N Ogata，T Nishida,et al.Stress analysis and determination of bolt preload in pipe flange connections with gaskets under internal pressure[J].Journal of pressure vesseltechnology，2002(124)：385-396．

[3] 蔡仁良，謝蘇江.柔性石墨金屬復合密封墊片材料的性能研究[J].新型碳材料，1998(13)：54-60．

[4] 謝江蘇，蔡仁良，黃建中.柔性石墨金屬波齒復合墊片的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù)，2000，21(4)：51-53．

[5] 仇性啟，周先軍.柔性石墨波齒復合墊片的常溫性能研究[J].潤滑與密封，2001(3)：33-34．

[6] 尚慶軍，周先軍.波齒復合墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[J].壓力容器，2003(20)：13-15．

[7] 郭濱詩，姜敏夫，劉金義.金屬波齒柔性石墨復合墊片蠕變-應(yīng)力松弛性能研究[J].化工科技，2013，4：58-60．

[8] 史林章，方幼申.柔性石墨材料[J].潤滑與密封,1981，5：17-24．