柔性石墨波齒復合墊片密封性能試驗研究

李 軍

（中國石油大學（北京）化學工程學院，北京 102249）

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[1]，由于其特殊的結構特點及材料組成，在法蘭密封結構中，墊片的石墨層與法蘭接觸，能夠有效地填補法蘭表面的微小間隙，金屬骨架保持良好的彈性使得墊片具有良好的密封性能，故在現役裝置中使用廣泛。

國內外對于柔性石墨復合墊片的性能展開了大量的研究。20 世紀80 年代Bazergui[2]采用試驗的方法研究了常溫及高溫狀態(tài)下一種填充式柔性石墨的金屬波齒復合墊片的壓縮回彈性能，試驗結果表明，填充式柔性石墨波齒復合墊片具有良好的壓縮回彈性能。2003 年尚慶軍等人[3]對復合墊片的波齒寬度﹑波深及波數3 個參數進行了正交試驗，采用試驗和有限元的方法分析了金屬骨架的壓縮回彈性能，結果表明，影響金屬骨架的壓縮回彈性能的最大因素是墊片的波數，其次是波深；隨著墊片波數的增大，復合墊片的應力逐漸減小，骨架變形的最大位置位于墊片中部的波峰上。M. Derenne 等人[4]采用試驗的方法對高溫螺栓法蘭連接用墊片進行了研究，結果表明，高溫條件下墊片在發(fā)生蠕變松弛和純松弛時墊片的緊密性沒有明顯差異。張利濤[5]對柔性石墨復合墊片的基本結構進行了研究，結果表明，柔性石墨復合增強墊片有比較好的密封性能﹑耐熱性能和壓縮回彈性能[5]。2013 年，陳慶等人[6]對3種不同的石墨波齒復合墊片的應力松弛特性進行了實驗研究，結果表明，波齒圓弧半徑對墊片的應力松弛特性影響最大，在圓弧半徑較大時，墊片的蠕變隨內應力的增大而越發(fā)嚴重。

本文針對柔性石墨波齒復合墊片的密封性能進行試驗研究，分析墊片密封性能與墊片壓緊力及介質內壓之間的關系，為法蘭連接結構設計提供一定的參考。

1 試驗裝置與墊片參數

1.1 試驗裝置

試驗裝置由機架﹑試驗法蘭﹑墊片加載系統﹑試驗介質給定系統﹑泄漏率測量系統以及數據采集系統等組成。本試驗采用的加載設備為WDW-300E型微機控制電子萬能試驗機，試驗采用的法蘭是剛性的。裝置實物如圖1 和圖2 所示。試驗步驟參照GB/T 12622-2008《管法蘭用墊片壓縮率及回彈率試驗方法》。

圖1 試驗裝置實物圖

圖2 試驗法蘭

1.2 墊片參數

柔性石墨波齒復合墊片的結構如圖3 所示，本文采用的墊片如圖4 所示，墊片的結構參數見表1。

圖3 墊片結構示意圖

圖4 墊片實物圖

表1 墊片結構參數 /mm

2 結果分析與討論

2.1 墊片壓緊力影響分析

對墊片壓緊力SK為10MPa﹑20MPa 及30MPa，介質壓力P（氮氣）分別為2MPa﹑3MPa 和4MPa 條件下的墊片泄漏率LR進行測試，并對所得數據進行取對數處理，得到lnSK-lnLR的關系如圖5 所示。由圖5 可知，墊片的泄漏率隨著墊片壓緊力的增大而減小，lnSK-lnLR成負的正比例關系，則墊片泄漏率LR與墊片壓緊力SK之間存在一個負指數關系，且該指數不隨介質壓力的變化而變化。

圖5 lnSK-lnLR 關系圖

2.2 介質壓力影響分析

墊片壓緊力SK分別為10MPa﹑20MPa 和30MPa條件下的墊片泄漏率LR與介質壓力P 之間的關系如圖6 所示。墊片的泄漏率與墊片介質壓力近似呈正比例關系，隨著墊片壓緊力的增大，墊片泄漏率及比例系數都減小，原因是試驗采用的介質為氮氣，氣體在泄漏通道內的流動為層流流動和分子流流動，根據層流流動和分子流流動理論[7-8]，流動的速率與墊片內外兩側的壓力差成正比。而隨著壓力的增大，墊片受擠壓程度增大，墊片與法蘭間的泄漏通道隨之減小，氣體在泄漏通道內的流動趨于穩(wěn)定，所以比例系數逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

圖6 介質壓力與泄漏率的變化規(guī)律圖

3 結論

1）墊片泄漏與墊片壓緊力呈負指數關系，該指數不受介質壓力的影響，為一個定值；

2）墊片泄漏率與介質壓力之間近似于正比例關系，且該比例系數隨著墊片壓緊力的增大而減小并逐漸趨于一個穩(wěn)定值；

3）根據實驗所得數據可知石墨波齒復合墊片的單位外直徑泄漏率在10-4～10-6cm3·(s·cm)-1之間，密封性能良好。

[1] 李力駁，張銥鈖，李多民.柔性石墨金屬波齒復合墊片研究進展[J].化工機械，2013，40（3）：293-296.

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

[3] 尚慶軍，周先軍.波齒復合墊片結構參數研究[J].壓力容器，2003，20（7）：13-15.

[4] M. Derenne, L. Marchand, J. R. Payne, et al. Elevated Temperature Testing of Gaskets for Bolted Flanged Connections[R]. WRC Bulletin, 1994(391):1-37.

[5] 張利濤，徐海濤.柔性石墨復合增強墊片的性能及應用[J].黑龍江科技信息，2012(7)：102.

[6] 陳慶，陳利強.柔性石墨金屬波齒復合墊片應力松弛特性試驗研究[J].化工機械，2013，40（3）：306-308.

[7] 蔡仁良，顧伯勤，宋鵬云.過程裝備密封技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.

[8] 顧伯勤，李新華，田爭.靜密封設計技術[M].北京：中國標準出版社，2004.