柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的分級(jí)研究

陳 元, 任建民

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的分級(jí)研究

陳 元, 任建民

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

對(duì)柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了剖析，發(fā)現(xiàn)同一壓力級(jí)別不同名義尺寸的墊片，絕大部分的預(yù)緊比壓在某一應(yīng)力水平附近波動(dòng)，同一名義尺寸不同壓力級(jí)別的墊片預(yù)緊比壓各不相同。利用ANSYS WORKBENCH對(duì)柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，計(jì)算出在規(guī)定預(yù)緊比壓下不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的壓縮率，結(jié)果表明在相同預(yù)緊比壓作用下不同結(jié)構(gòu)的墊片壓縮率各不相同。即可以通過調(diào)整墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到調(diào)整墊片壓縮回彈性能的目的。據(jù)此，可以實(shí)現(xiàn)柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片生產(chǎn)按壓力等級(jí)區(qū)分。

金屬骨架; 等級(jí)劃分; 有限元分析

墊片密封是過程工業(yè)裝置中壓力容器、工藝設(shè)備、動(dòng)力機(jī)器和連接管道等可拆連接處最主要的靜密封型式。雖然法蘭接頭與泵軸、閥桿、攪拌器軸等密封相比，其泄露量不及它們大，但法蘭接頭的數(shù)量則比它們多得多，因此它們成為過程裝備泄露的主要來源［1］。波齒復(fù)合墊片是用于靜密封的墊片之一，由帶多道同心圓波齒的金屬骨架和兩側(cè)的柔性石墨覆層復(fù)合而成。自20世紀(jì)90年代應(yīng)用以來，因其具有密封性能優(yōu)異、回彈性能好、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠性高、適應(yīng)性廣等一系列優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于石油化工等行業(yè)的法蘭連接設(shè)備和管道的密封上［2］。然而對(duì)墊片性能起決定作用的金屬骨架結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)廠家僅憑經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)，不區(qū)分壓力等級(jí)使用，致使墊片性能差異很大，安全可靠性得不到保證。因此，研究波齒復(fù)合墊片的分級(jí)技術(shù)是非常必要的。

柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的性能很大程度上受構(gòu)造材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、使用工況等多種因素的影響。GB/T 12622-2008中柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片以45 MPa預(yù)緊比壓來評(píng)價(jià)壓縮率、回彈率及密封性能，而未考慮工況的影響，這導(dǎo)致了低壓力級(jí)別的法蘭連接中由于螺栓尺寸較小，數(shù)量較少，柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的壓縮剛度較大而不能被完全壓縮；高壓力級(jí)別法蘭連接中，螺栓尺寸較大，數(shù)量較多，柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片剛性較小而被壓潰，從而影響該產(chǎn)品的安全使用。

1 墊片結(jié)構(gòu)型式和密封原理

柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的結(jié)構(gòu)型式有基本型、帶定位環(huán)型和帶定位耳型?；拘腿嵝允饘俨X復(fù)合墊片適用于榫槽面和凹凸面法蘭，帶定位環(huán)型和帶定位耳型柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片適用于全平面和突面法蘭［3］。柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片在預(yù)緊力作用下，柔性石墨被壓縮并填補(bǔ)法蘭密封面上的缺陷，金屬骨架上的一道道環(huán)狀齒峰與法蘭密封面形成線密封。顯然，要產(chǎn)生初始密封的基本要求是壓縮墊片，使其與密封面間產(chǎn)生足夠的壓力（即墊片預(yù)緊應(yīng)力），以阻止介質(zhì)通過材料本身的滲透，同時(shí)保證墊片對(duì)連接件有較大的順應(yīng)性，即墊片材料受壓縮后發(fā)生的彈性或彈塑性變形能夠填塞密封面的變形和表面粗糙度，以堵塞界面泄露的通道［1］。

2 預(yù)緊比壓的計(jì)算

表1 Class 300～1 500墊片的預(yù)緊比壓Table 1 The initial compression stress of the gaskets under Class 300～1 500

傳統(tǒng)墊片設(shè)計(jì)是根據(jù)施加足夠大小的螺栓載荷將墊片壓縮到規(guī)定的厚度。柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的預(yù)緊比壓參考ASME B16.5［4］和ASME B16.20［5］。進(jìn)行計(jì)算。螺栓法蘭連接系統(tǒng)中，法蘭選自HG/T 20615-2009《鋼制管法蘭（Class系列）》凹凸面帶頸對(duì)焊鋼制管法蘭，墊片選自GB 19066.1-2008《柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片》凹凸面法蘭用基本型柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片。公式計(jì)算如下：

式中：

AB、AG—螺栓根徑截面積、墊片全接觸面積；

FB、FTB—螺栓拉伸載荷、螺栓總拉伸載荷；

DB、DO、DI—螺栓根徑、墊片外徑和墊片內(nèi)徑；

NB—螺栓個(gè)數(shù)；

SB—螺栓預(yù)緊應(yīng)力(≤M22 mm, SB=174 MPa;M24～M48, SB=203 MPa)；

SG—墊片預(yù)緊應(yīng)力（或預(yù)緊比壓）。

按式（1）-（5）計(jì)算得到與不同壓力級(jí)別對(duì)應(yīng)的各個(gè)名義尺寸的墊片預(yù)緊比壓，如表1所示。

為了更清楚地說明同一壓力級(jí)別的墊片不同名義尺寸和預(yù)緊比壓的關(guān)系以及同一名義尺寸的墊片不同壓力級(jí)別與預(yù)緊比壓的關(guān)系，把壓力級(jí)別為Class900各名義尺寸的墊片預(yù)緊比壓和名義尺寸為100 mm各壓力級(jí)別的墊片預(yù)緊比壓示于圖1、圖2中。

圖1 Class 900下名義尺寸與預(yù)緊比壓的關(guān)系Fig.1 The relationship between DN and initial compression stress in Class900

圖2 DN100下壓力等級(jí)與預(yù)緊比壓的關(guān)系Fig.2 The relationship between Classes and initial compression stress in Class 900

由圖1和圖2可以看出，同一壓力級(jí)別不同名義尺寸的墊片，絕大部分的預(yù)緊比壓在某一應(yīng)力水平附近波動(dòng)。同一名義尺寸不同壓力級(jí)別的墊片預(yù)緊比壓各不相同。據(jù)此，柔性石墨波齒復(fù)合墊片按壓力等級(jí)進(jìn)行區(qū)分是可行的。

3 柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的有限元分析

Workbench 是ANSYS軟件中的一個(gè)重要模塊，與CAD軟件無縫銜接，可以方便地導(dǎo)入非常復(fù)雜的三維模型進(jìn)行分析。尤其在對(duì)大型復(fù)雜的裝配件進(jìn)行分析時(shí)，網(wǎng)格劃分獨(dú)具特色，其智慧化的網(wǎng)格建立技術(shù)，可以依據(jù)模型幾何形狀建立出高品質(zhì)的網(wǎng)格，有效縮短求解運(yùn)算的時(shí)間，確保分析精度及準(zhǔn)確性。

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

墊片選自GB 19066.1-2008中的Class900、DN100凹凸面法蘭用基本型柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，尺寸如表2所示。

圖3 柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的幾何圖Fig.3 Geometric figure of flexible graphite coveredwave-serrated metal gaskets

表2 墊片的結(jié)構(gòu)尺寸Table 2 The structural dimensions of the gasket mm

3.2 各元件材料特性

波齒復(fù)合墊片的金屬骨架材料采用線性強(qiáng)化彈塑性本構(gòu)，柔性石墨材料采用理想彈塑性本構(gòu)［6］。金屬骨架和柔性石墨材料屬性見表3。石墨材料與金屬骨架間的接觸類型設(shè)為Bond。

表3 各非線彈性元件的材料性質(zhì)Table 3 Material properties of nonlinear elastic parts

3.3 有限元分析及結(jié)果

由于墊片只承受軸向載荷力的作用，而在幾何和載荷方面均屬于軸對(duì)稱，所以將其簡(jiǎn)化為平面問題分析。當(dāng)預(yù)緊比壓為100.8 MPa時(shí)，墊片的應(yīng)力及變形圖如4-5所示。墊片的壓縮量為1.089 5 m m，壓縮率為36.3%。同樣地，改變墊片金屬骨架的齒距p、齒深h和齒厚t，計(jì)算得到在各種結(jié)構(gòu)參數(shù)下的墊片壓縮量和壓縮率。AMSE和GB/T19066. 3-2003中規(guī)定墊片的壓縮率在35%左右，這里將壓縮率為35%作為參考指標(biāo)。其結(jié)果如表4所示。

圖4 墊片的應(yīng)力分布圖Fig.4 Stress distribution of the gasket

圖5 墊片的變形圖Fig.4 Deformation of the gasket

表4 金屬骨架與壓縮率的關(guān)系Table 4 The relationship between metal skeleton and compressibility

從表4中可以看出在保持齒距p、齒深h不變時(shí)，墊片的壓縮率隨著齒厚t的增大而減小。隨著齒厚的增大，金屬骨架變厚，相反，石墨層厚度減小，壓縮量減小。故說明墊片的壓縮量主要由石墨層提供。保持齒距p、齒厚t不變時(shí)，墊片的壓縮率隨著齒深h的增大而增大。隨著齒深的增大，波齒的曲率半徑變小，金屬骨架的變形能力增強(qiáng)。由此說明通過調(diào)整柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的金屬骨架結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到調(diào)整墊片的壓縮性能的目的，從而驗(yàn)證了按壓力等級(jí)區(qū)分的可行性。

4 結(jié) 論

本文對(duì)柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片按壓力等級(jí)劃分進(jìn)行了初步探索，計(jì)算出不同壓力等級(jí)不同公稱直徑墊片的預(yù)緊比壓。提出柔性石墨波齒復(fù)合墊片可以按壓力等級(jí)進(jìn)行區(qū)分。接著利用ansys workbench對(duì)金屬骨架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究。計(jì)算出在規(guī)定預(yù)緊比壓下不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的壓縮率，結(jié)果表明在相同預(yù)緊比壓作用下不同結(jié)構(gòu)的墊片壓縮率各不相同。在計(jì)算所得出的預(yù)緊比壓下通過調(diào)整墊片金屬骨架的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以達(dá)到調(diào)整墊片的壓縮率的目的。從而驗(yàn)證了柔性石墨波齒復(fù)合墊片按壓力等級(jí)區(qū)分的可行性。

［1］ 蔡仁良，顧伯勤，宋鵬云,等.過程裝備密封技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.5.

［2］ 劉宗良，劉東. 金屬波紋墊片及其發(fā)展[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù)，2001,22（5）：39-40.

［3］ GB/T 19066.1-2008 柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片分類[S].中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局，2008.

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［5］ ASME B15.20-1993 Metallic Gaskets for Pipe Flanges[S].

［6］ 楊棟君，顧伯勤.不同金屬骨架變形特性對(duì)柔性石墨復(fù)合墊片力學(xué)性能的影響[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013,35(4):105-109.

［7］ Mathan G,Prasad N S.Evaluation of effective material properties of spiral wound gasket through homogenization[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,2010,87:704-713.

Research on Classification of Flexible Graphite Covered Wave-Serrated Metal Gaskets

CHEN Yuan , REN Jian-min
(Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

Standards of flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets were analyzed. It’s found that the gasket pretightening in the condition of same pressure levels and different nominal size fluctuated around a certain value,gasket pretightening in the condition of same nominal size and different pressure levels were not identical.The finite element simulation of flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets was carried out by using ANSYS WORKBENCH. The compression ratio of flexible graphite corrugated metal gaskets under different structural parameters was calculated. The result shows that the gaskets can be classified by pressure through adjusting the structural parameters. Accordingly, flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets can be classified according to pressure.

Metal skeleton; Classification; Finite element analysis

TQ 42

： A

： 1671-0460（2015）02-0356-03

2014-08-23

陳元（1988-），男，湖北荊門人，碩士，2015年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)，研究方向：密封技術(shù)。E-mail：coolboy_cy@163.com。