内嵌模组
螺栓法兰连接方式应用广泛，垫片是其中重要的密封元件，其性能的好坏将直接影响安全文明生产。目前常用的一些垫片或多或少存在着这样或那样的缺陷，很难满足各种各样的密封要求，容易出现跑冒滴漏，尤其是中高压（高温）容器和管道接头密封的问题，普通垫片很难解决。 裹尸袋在调研国内外垫片发展的最新情况的基础上，我们研制开发了新型波齿复合垫片。
挡风抑尘墙1.基本结构设计。根据密封机理，垫片首先应具有良好的压缩变形能力，受压后能够产生变形，填充法
兰密封面间的间隙和法兰面的凹凸不平。其次，垫片应该具有良好的回弹能力，在使用过程中能够随法兰面压紧力的减少而回弹，迅速填补由于介质应力的升高造成的法兰面间增大的间隙，始终保持垫片与法兰面的贴合。再次，垫片应具有较高的强度和耐温、耐介质腐蚀的能力，保证垫片在使用过程中不会被介质吹裂或吹掉，不会被高温熔化掉，也不会被介质腐蚀掉。目前常用垫片如橡胶板垫、缠绕垫和金属齿形垫等不耐温、易散架、易压溃和预压紧力较高，新开发的垫片要求既要具有较高的强度（不散架、不压溃）和耐高温（＞400℃）能力，又要具有较好的压缩回弹能力，适用于介质压力、温度较高且波动较大的场合。参考国内外最新垫片研制开发的信息，将垫片基本结构设计为圆弧槽波齿环与柔性石墨板材的复合结构。如图1。
由图1可见，整个垫片以金属环为骨架，上下表面复以石墨板材。为了提高垫片的压缩回弹性能，金属环上下表面加工成相互错开的波齿状同心圆弧沟槽，复合一定厚度的柔性石墨后，使整个垫片既具有金属线接触密封，又具有多道柔性石墨环密封的双重功能，大大提高了这种垫片的密封性能。通过调整和优化波齿环面的齿深、齿距和齿尖厚度，可以使垫片只需要较小的预紧压力，就可以密封很高压力的介质。同时，这种特殊的结构，确保垫片具有非常优异的抗蠕变性能，而且便于安装和定位。 图3非对称波齿环结构
2.波齿结构设计。金属波齿环结构设计是这种新型垫片研制开发成功的关键。波形结构可以设计为“V”
形槽、梯形槽和圆弧形槽，齿型又可以设计为对齿和错齿两种形式。为了探明金属波齿环结构对垫片整体性能的影响，我们利用MAC/NASTRAN大型有限元分析程序，对不同结构的波齿环进行了受力分析。分析结果表明，圆弧型波齿环片的压缩回弹性能是最好的，且抗拉强度和抗压强度较高。因此，选定新型垫片的结构为圆弧型波齿结构。对于圆弧沟槽金属波齿环，环面可以车制成图2和图3所示的结构。
由图2和图3可见，波齿结构设计不仅包括齿距、齿深和齿尖厚度三个参数的分析计算，还包括波形设计的内容。为了得到性能优良的垫片，我们深入研究了波齿结构各参数对密封性能的影响。
3.波齿结构参数的确定和优化。确定波齿结构参数是个多因素优化问题。为了使分析结果准确可靠，采用正交试验方法对各种波齿垫片结构进行组合分析，设计生产了不同规格的垫片试样，通过理论计算和试验测试相结合，详细研究了各参数对垫片性能的影响。
（1）芯板厚度对波齿环力学性能的影响.。根据有限元分析结果，将2.5mm、3.0mm和4mm厚的波齿环在承受70MPa压力时的最大应力和变形情况分别绘制如图4和图5。
图4芯板厚度对应力的影响
图5芯板厚度对变形的影响
从不同厚度波齿环（波齿结构相同）在受载时的应力和变形情况可见，当波齿深度较浅时，环上最大应力随厚度的增加而减小，且厚度较大的波齿环上的应力分布也较均匀；随着齿深的增加，厚度对波齿环上应力的影响趋向不明显，这时，环上最大应
力将主要由波齿结构决定。
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（作者单位：1.大庆隆锋机械设备制造有限公司；2.华东理工大学化工机械研究所）对不同厚度的波齿环，当齿深较浅时，厚度较薄的波齿环的
变形大。增大波齿波深，波齿受力变形先随芯板厚度的增加而增大，而后趋于减小。相同厚度的波齿环，齿深较大的变形量也较大。
电热画对比不同厚度波齿环的回弹性能，发现波齿结构相同的环板，芯板厚度对垫片回弹性能的影响不明显。
（2）齿距对波齿环性能的影响。齿距对波齿垫性能的影响很大。图6和图7分别是具有不同齿距的4mm 厚波齿环在承受70MPa 预紧比压时的环上应力和变形情况。
图6齿距对波齿环应力的影响
图7齿距对波齿环变形的影响
由图可见，当齿距较小时，整个环上的应力分布较均匀，且齿尖上最大应力很小，受载变形较小，整
个环的刚度较大。随着齿距增大，齿尖上的应力迅速增加，整个环上的应力分布趋于不
均匀，受载变形增大，整个环的刚度减小。因此，如何选择芯板厚
度与波齿结构是保证垫片具有良好压缩变形能力和回弹能力的关键。
（3）齿深对波齿环性能的影响。波齿对波齿环性能的影响如图8和图9。由图可见，齿深对波齿环的性能的影响非常明显，波齿环上的应力和变形随着齿深的加大，明显增加。但在实际检测时很难把握。一是由于在生产加工时，加工测量不便，二是由于齿深对波齿环性能的影响还与齿距及齿尖厚度有关。
（4）齿尖厚度对波齿环性能的影响。参照齿形组合垫片，在减小性能分析时，仅考察了齿尖厚度分别为1与0.1mm 两种情况。分析结果表明，随着齿尖厚度的增加，环上应力迅速均化，总体变形减小。因此，在设计试样的结构时，适当增加齿尖厚度，可以极大地提高垫片的承压能力，但压缩率和回弹率将有所减小。
金属表面镜面处理图9齿深对波齿环变形的影响
经对不同波齿结构波齿环受力分析，优化得到性能优良的波齿结构。从波齿环的受力分析结果看，齿距、齿深、齿尖厚度以及波齿环厚度是相互关联的，在制造时，应严格控制波齿环的结构尺寸。
二、复合工艺研究
波齿垫片由金属波齿环和柔性石墨板材复合而成，其中金属芯板具有很高的强度、很好的耐温性能和良好的弹性；柔性石墨具有良好的抗介质腐蚀能力、压缩变形能力和密封性能，是目前已知的性能最为优良的密封材料之一。如何将二者的优点结合起来，在很大程度上取决于波齿环与柔性石墨的复合工艺。传统高温垫片的制作工艺采用机械压紧的方法将二者复合在一起，但金属芯板与柔性石墨复合不牢固，在运输或安装过程中石墨板与波齿环很容易分离。为此，经过试验，我们采用高温粘结剂粘结与机械压紧结合的复合工艺，取得了良好的效果。
三、垫片性能测试
参照柔性石墨金属缠绕垫的技术条件，对新型柔性石墨波齿复合垫片进行了性能测试，测试结果见表2。
从中可以清楚看出，新型波齿复合垫片的各项性能均达到
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或超过了GB4622.3-93的技术要求。
从结构稳定性来看，新型波齿复合垫片稳定性非常好，不存在发生散架、压溃等问题，适宜于制作大直径容器（或管道）垫片，且应力松弛率较低，较适合用于高温的场合。而在这方面恰恰是缠绕垫所不具备的。
四、新型波齿复合垫片的试用情况
1.炼油厂二联合芳烃抽提装置的回收塔重沸器管箱法兰密封。重沸器管箱密封面外径φ1100mm，法兰密封面为凹凸面。
原设计采用铜包垫，打压时发现泄漏，更换强力垫（也称强力复合垫片）也无效，后用波齿复合垫片，才使装置生产进入平稳运行。6个月后检测法兰密封情况，性能良好。在随后的一年里经两次开停工及多次操作波动影响，一直保持良好的使用状态。
2.E A101B 气化省煤器壳程法兰密封。气化省煤器为立式：型管式结构，公称直径为600mm，二管程、二壳程。设计压力：壳程11.8MPa，管程：6.6MPa。设计温度：壳程325℃，管程：430℃。操作介质：壳程锅炉水，管程：原料气。原使用垫片为柔性石墨金属缠绕垫，泄漏量大，使用寿命较短，由于多次出现泄漏而影响生产。2001年5月检修时更换新型波齿复合垫片，使用至今，效果良好。
五、结论
通过研究和试用，成功开发了一种新型波齿复合垫片。垫片采用波齿芯板两面复合柔性石墨结构，具有高强度、低松弛、回弹性能高、密封性能好的特点，且不会散架或被压溃。性能检测和试用结果表明，该垫片具有较好的应用前景，可广泛应用于0～25MPa，0～650℃管道或容器法兰连接。
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