励行根;沈明学;王成林;魏世军;励洁;彭旭东
【摘 要】树脂吸附The leakage ratio, compression recovery and stress-relaxation of flexible graphite corrugated metal composite gaskets with 316L and A3 steel as framework were tested on an automatic multi-function gasket testing rig. The effects of flexible graphite cover layer thickness, frame material and gasket stress on sealing performance and mechanical properties were investigated. The residual thickness of corrugated metal was determined at different thicknesses of cover layer and gasket stresses. The sealing performance of the composite gasket was mainly dependent upon the thickness of cover layer with flexible graphite, and optimal sealing performance was observed for the corrugated metal when the thickness of cover layer was 0.6 mm. The composite gaskets had good carrying capacity and sealing performance, which was especially suitable for complex applications, such as pressure and temperature fluctuations. Also outstanding recovery of the composite gaskets could be obtained by pre-compression. In addition, as gasket stress increased, sealing and
compression recovery performance of 316L composite gaskets became obviously better than the composite gaskets with A3 steel as framework, and the former had distinct improvement than the latter in resisting stress relaxation and creep behavior.%在全自动垫片综合性能试验台上分别进行了316L和A3钢作为骨架材料的金属波纹复合垫片的泄漏率、压缩回弹性能和应力松弛试验，考察了柔性石墨覆盖层厚度、骨架材质和垫片应力对垫片密封性能和力学性能的影响，分析了不同覆盖层厚度和垫片应力下的金属波纹残余高度。结果表明：覆盖层厚度对垫片的密封性能有重要影响，厚度为0.6 mm 时该类垫片的综合性能最佳；金属波纹复合垫片具有良好的承载能力和密封性能，尤其适宜压力波动、温度剧变等场合的密封，预压缩处理更能真实反映出复合垫片优异的回弹性能；此外，与 A3钢作为骨架材料的复合垫片相比，316L复合垫片的密封性能和压缩回弹性能随垫片应力的增加逐渐显现，且其抗松弛能力和抗蠕变性能也得到了显著提高。
【期刊名称】《化工学报》
无级变速轮
【年(卷),期】2015(000)004
【总页数】8页(P1417-1424)
【关键词】复合增强垫片;柔性石墨;金属波纹;密封性能;整体器件;优化设计;实验验证
【作 者】励行根;沈明学;王成林;魏世军;励洁;彭旭东
【作者单位】浙江工业大学过程装备及其再制造教育部工程研究中心，浙江 杭州 310032; 宁波天生密封件有限公司，浙江 宁波 315302;浙江工业大学过程装备及其再制造教育部工程研究中心，浙江 杭州 310032;中核核电运行管理有限公司一厂，浙江 海盐 314300;浙江工业大学过程装备及其再制造教育部工程研究中心，浙江 杭州 310032; 宁波天生密封件有限公司，浙江 宁波 315302;宁波天生密封件有限公司，浙江 宁波 315302;浙江工业大学过程装备及其再制造教育部工程研究中心，浙江 杭州 310032
【正文语种】聚氨酯膜中 文
【中图分类】TB42
引 言
柔性石墨金属波纹复合增强垫片（简称“金属波纹复合垫片”）是在波纹金属垫片的基础上
改进和发展起来的新型复合密封垫片，它是以金属波纹板作为骨架材料、以柔性石墨板为上下覆盖层的一种复合式垫片[1]。该类复合垫片既有金属波纹垫片优异的回弹特性，又兼有柔性石墨熔点高、自润性好、膨胀系数大且耐高/低温、耐化学腐蚀及耐辐射性能等优点[2-4]。此外，它能克服缠绕垫片易散架和压溃、包覆垫片沿径向发生剪切破坏、平垫片覆盖材料易被向外挤出及发生蠕变、齿形垫片易损伤法兰面等弊端[1]。因此，该垫片可广泛应用于石油、化工、核电、航空航天和军工等众多领域，尤其适用于苛刻操作工况和密封环境下的高参数场合，例如高温加氢裂化装置、高压换热器、大膨胀量蒸汽管道系统等。然而，目前该垫片在生产和选用等方面尚缺乏科学的理论分析和系统研究，也无明确骨架和覆盖层具体尺寸参数的相应规范或标准[5]。
目前，国内外研究复合垫片的形式主要集中于金属石墨缠绕式垫片[6-9]、金属波齿复合垫片[10-12]和金属接触型石墨垫片[13-14]等。许多学者针对柔性石墨金属复合垫片的不同金属骨架形状与结构进行了较系统的研究[7,11,15-16]。其中，文献[15]详细比较了4种不同金属骨架（V形、圆弧形、梯形和波纹形）的柔性石墨复合垫片在不同尺寸参数下的力学性能，结果表明以波纹形为骨架的复合垫片压缩和回弹性能均明显优于其余几种骨架的复合垫片。然而，迄今针对金属波纹复合垫片的相关文献报道甚少[2,17]。此外，柔性石墨是一
种带空隙的各向异性流变材料，有限元模拟局限于采用纯弹性或弹塑性模型甚至抛开石墨层进行分析[15-16]，因此有限元模拟很难真实地评价复合垫片的变形行为和应力场分布。本研究旨在优化金属波纹复合垫片结构参数，进而提高该类垫片的密封性能，通过泄漏率、压缩/回弹性能、骨架材料变形行为及应力松弛等垫片重要性能的分析系统研究金属波纹复合垫片力学行为和密封性能。主要创新之处在于对垫片力学行为分析的过程中首次引入骨架残余高度的概念，针对骨架材料的变形行为结合垫片常温/高温密封性能试验数据的综合分析探讨金属波纹复合垫片的密封机理，以期为金属波纹复合垫片的生产、工程选用等提供科学的理论依据。
1 试验材料和方法坛子鸡配方
1.1 垫片的材料、结构及规格
试验用金属波纹复合垫片由宁波天生密封件有限公司提供，所有垫片均参照GB/T 19066.3—2003《柔性石墨金属波齿复合垫片技术条件》的要求生产[5]，垫片的基本结构及其主要结构参数分别见图1和表1，柔性石墨主要技术参数见表2。试验开始前垫片经橡胶弹性垫预压（2 MPa）和干燥处理。
1.2 试验装置
试验在全自动垫片综合性能试验台上进行，如图2所示。试验台由机架、试验法兰、垫片加载系统、泄漏率检测系统、温度控制系统、数据采集与控制系统等组成，可进行高温/常温下垫片的压缩回弹性能试验、密封性能试验、应力松弛试验。其中，泄漏率检测系统主要包括氦质谱检漏仪（SFJ-211，安徽皖仪科技股份有限公司，分辨率为1×10-12 Pa·m3·s-1）、氦气源（氦气纯度：99.9%）和连接管路等，上下法兰面的表面粗糙度为Ra0.2。试验机最大试验力为500 kN，分辨力为最大试验力的1/200000；位移控制精度为0.001 mm。此外，本研究涉及的试验温度、加卸载速度及初始载荷等均按国家标准进行[5,18-19]。
药盒1.3 试验方法
为了更好地了解覆盖层厚度、骨架材料材质对金属波纹复合垫片力学性能和密封性能的影响，本研究选用4种不同石墨层厚度、2种不同骨架材料及结构的复合垫片进行了详细的对比试验研究。试验主要包括常温（室温：20℃±2℃）下不同参数复合垫片的压缩/回弹性能试验、密封性能（泄漏率测试）试验以及常温和高温（300℃±5℃）工况下的应力松弛试
验。对于上述试验，同一条件下均各取3个试样进行重复试验，以排除试验数据的偶然性。每次试验前用二甲苯将法兰清洗干净，以避免法兰面残留石墨影响测试结果。大锅抗干扰
2 实验结果与讨论
2.1 密封性能分析
图3示出了不同石墨覆盖层厚度（0.38 mm/0.6 mm/0.8 mm/1.0 mm）下316L金属波纹复合垫片的泄漏率随垫片应力的变化。由图可知，在“零泄漏”（泄漏率≤1.1×10-12 Pa·m3·s-1）前泄漏率和预紧应力基本呈负指数关系，即预紧应力越大泄漏率越小。其中，覆盖层厚度为0.38 mm的复合垫片密封性能最好，0.8 mm和1.0 mm柔性石墨覆盖的复合垫片密封性能较差，而覆盖层厚度为0.6 mm的垫片在30 MPa的垫片应力下泄漏率达到1.1×10-12 Pa·m3·s-1。因此，石墨覆盖层厚度对复合垫片的密封性能有重要影响。
图4 (a)示出了316L波纹和平板两种不同骨架结构的复合垫片泄漏率对比。由图可知金属波纹作为骨架材料的复合垫片泄漏率均明显低于平板复合垫片，表明金属波纹骨架材料对复合垫片的密封性能具有显著的增强作用。此外，从测得的泄漏率数据看[图4 (b)]，在较低
垫片应力（如25 MPa和35 MPa）下A3和316L两种不同骨架材料的复合垫片泄漏率在同一量级，表明此时骨架材质对泄漏率影响并不明显。而随垫片应力的增加（如45 MPa）316L复合垫片的密封性能明显高于A3复合垫片，其原因可能在于316L的力学性能优于A3，其抵抗变形的能力较好。因此，较高的垫片应力下金属骨架波峰与法兰面间仅保留较薄的石墨层后金属波纹的增强作用开始显现，从而形成迷宫密封效应。而在较低的垫片应力下密封面上石墨起主要的承载功能，故泄漏率相差不大。下文将针对骨架材料的变性行为做进一步的探讨。
2.2 压缩/回弹特性及垫片形貌
图5所示为316L金属波纹复合垫片在不同垫片应力作用下的应力-应变曲线。由图可知：在压缩过程中不同垫片应力下的应力-应变曲线大致均可分为如下3个阶段：缓慢爬升（阶段A）、波动（阶段B）、迅速爬升（阶段C）。其中，阶段A和阶段C的曲线重合性较好，阶段B的曲线呈不规则波动；在回弹过程中，随垫片应力的增加回弹性能略有提高。此外，垫片在A和B两个阶段的压缩过程中曲线过于平缓，这将直接影响垫片的压缩率和回弹率性能指标，而且压缩率和回弹率不能真实地反映此类垫片的力学性能。
为了考察复合垫片在压缩过程中出现上述3个阶段的原因及预压缩对垫片力学性能的影响，本研究对同一垫片进行了6 MPa/10 MPa/20 MPa等不同应力等级下的逐级多次循环加、卸载压缩回弹试验，分析了不同垫片应力下的压缩回弹性能和表面形貌。复合垫片在循环加、卸载条件下的压缩回弹性能曲线如图6所示。由图可知，垫片的压缩变形主要出现在较低垫片应力区域（即阶段A和阶段B），如垫片应力10 MPa下的压缩量就已超过0.8 mm（占垫片初始厚度的30.53%），也就是说垫片的压缩性能只有承受一定的垫片应力后才能进入应力快速爬升的阶段C，因此其力学性能明显不同于缠绕垫片[6]，而且与波齿复合垫片相比又增加了明显波动的阶段B [11]。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议