柔性石墨波齒復(fù)合墊片壓縮回彈性能研究*

李 軍,李 翔,何興建

[1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100013；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 化學(xué)工程學(xué)院,北京 102249]

自20世紀(jì)60年代新型密封材料柔性石墨問(wèn)世以來(lái)，以柔性石墨波齒復(fù)合墊片為代表的新型復(fù)合墊片不斷出現(xiàn)。柔性石墨波齒復(fù)合墊片是由沖齒的金屬骨架和柔性石墨復(fù)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(qiáng)、適用范圍廣、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用到石油化工、冶金、制藥及電力等行業(yè)。對(duì)于石墨復(fù)合墊片壓縮回彈性能的研究，國(guó)外主要有Bazergui等人[1]采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)一種石墨復(fù)合墊片的性能進(jìn)行研究，Sawa等人[2]對(duì)纏繞式墊片接觸面的應(yīng)力分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和有限元分析，而國(guó)內(nèi)，華東理工大學(xué)蔡仁良等人[3-4]對(duì)柔性石墨波齒復(fù)合墊片的類型、應(yīng)用狀況及石墨性能進(jìn)了概述和研究，中國(guó)石油大學(xué)(華東)周先軍等人[5-6]對(duì)波齒復(fù)合墊片的密封性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究以及郭濱詩(shī)等人[7]采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)3種不同尺寸石墨復(fù)合墊片的蠕變和應(yīng)力松弛特性進(jìn)行了研究。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)柔性石墨波齒復(fù)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(guò)對(duì)復(fù)合墊片進(jìn)行相關(guān)的研究，分析復(fù)合墊片相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸及石墨性能對(duì)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(fù)合墊片數(shù)值研究

1.1 數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

通過(guò)有限元分析，對(duì)柔性石墨波齒復(fù)合墊片的壓縮回彈性能進(jìn)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(jiàn)圖1、圖2。采用的數(shù)值計(jì)算單元為plane182。由于墊片的幾何結(jié)構(gòu)及所承擔(dān)載荷特性，將墊片壓縮回彈特性研究簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題，通過(guò)ANSYS軟件構(gòu)建墊片模型，采用四邊形網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為13 915。模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3和圖4。

圖1 柔性石墨復(fù)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(fù)合墊片采用的金屬骨架材料為不銹鋼，其性能參數(shù)見(jiàn)表1。柔性石墨的材料性能見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8]。在墊片壓縮回彈性能實(shí)驗(yàn)，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(jì)算中，把墊片上表面所有節(jié)點(diǎn)的軸向位移相耦合，并約束下表面所有節(jié)點(diǎn)的軸向位移。

表1 不銹鋼性能參數(shù)

1.3 結(jié)果分析

通過(guò)模擬計(jì)算，得到墊片預(yù)緊力30 MPa條件下，柔性石墨波齒復(fù)合墊片的壓縮回彈曲線，見(jiàn)圖5紅色曲線，墊片壓縮率和回彈率數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 石墨復(fù)合墊片壓縮率及回彈率比較

墊片應(yīng)變?chǔ)艌D5 30 MPa載荷條件下墊片壓縮回彈曲線

為驗(yàn)證有限元分析的正確性，進(jìn)行了墊片壓縮回彈性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備為微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)機(jī)的型號(hào)為WDW-300E，實(shí)驗(yàn)步驟參照GB/T12622—2008《管法蘭用墊片壓縮率及回彈率試驗(yàn)方法》，實(shí)驗(yàn)載荷為30 MPa，得到的壓縮回彈曲線見(jiàn)圖5黑色曲線。

由數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(fù)合墊片壓縮回彈性能隨墊片波齒數(shù)的變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖6。

墊片波齒數(shù)/個(gè)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(dāng)復(fù)合墊片波齒個(gè)數(shù)少于10個(gè)時(shí)，由于墊片骨架齒槽較寬，能夠填充的柔性石墨較多，壓縮時(shí)石墨的變形量較大，故波齒數(shù)較少時(shí)，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(gè)壓縮率極值點(diǎn)，即墊片存在一個(gè)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(dǎo)致波齒數(shù)在10以下復(fù)合墊片的石墨層回彈量變化相對(duì)較小，故不同波齒數(shù)條件下復(fù)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(fù)合墊片壓縮回彈性能隨墊片波齒深度的變化規(guī)律，見(jiàn)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(jiàn)，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(fù)合墊片波齒深度對(duì)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(fù)合墊片的壓縮回彈性能曲線見(jiàn)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(shì)可知，石墨層的特性對(duì)復(fù)合墊片性能的影響較大，對(duì)于石墨密度越大的波齒復(fù)合墊片，由于密度越大的石墨，其內(nèi)部空隙就愈小，壓縮時(shí)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(fù)合墊片存在一個(gè)最佳的波齒數(shù)，在該波齒數(shù)下，復(fù)合墊片的壓縮率達(dá)到極值，而波齒數(shù)的變化對(duì)于墊片回彈率的影響相對(duì)較?。?/p>

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

(3) 柔性石墨波齒復(fù)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(duì)于制造高品質(zhì)的石墨復(fù)合墊片意義重大。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[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?gòu)?fù)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(fù)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(fù)合墊片的常溫性能研究[J].潤(rùn)滑與密封，2001(3)：33-34．

[6] 尚慶軍，周先軍.波齒復(fù)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(shī)，姜敏夫，劉金義.金屬波齒柔性石墨復(fù)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(rùn)滑與密封,1981，5：17-24．