柔性石墨金屬W形纏繞墊片密封性能優(yōu)化研究

劉書麟+陳慶

摘 要：在力學(xué)分析基礎(chǔ)上，對(duì)5.5 mm、6.0 mm、6.5 mm的、材質(zhì)為06Cr18Ni10的3種平鋼帶進(jìn)行W形設(shè)計(jì)，然后通過性能優(yōu)化試驗(yàn)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)4.5 mm厚度的W形柔性石墨不銹鋼纏繞墊片進(jìn)行密封性能研究，從而找出結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對(duì)密封性能的影響規(guī)律和最佳性能參數(shù)組合，開發(fā)出高密封性能的產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：柔性石墨不銹鋼纏繞墊片；力學(xué)分析；W形結(jié)構(gòu)；密封性能

中圖分類號(hào)：TH136 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.051

由于柔性石墨不銹鋼纏繞墊片的性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、發(fā)電等過程工業(yè)的設(shè)備、管道和閥門等螺栓法蘭連接密封系統(tǒng)中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，柔性石墨不銹鋼纏繞墊片作為密封元件，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)占有率平均達(dá)到50%～60%以上。柔性石墨不銹鋼纏繞墊片主要有V形和W形2種結(jié)構(gòu)。工程領(lǐng)域普遍使用的纏繞墊片以V形結(jié)構(gòu)為主，但在一些高端場(chǎng)合（高溫、高壓等特殊環(huán)境）使用W形結(jié)構(gòu)更加可靠。目前，關(guān)于V形結(jié)構(gòu)的研究成果比較多，且廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)一線。但是，關(guān)于W形結(jié)構(gòu)，受技術(shù)水平、試驗(yàn)條件等多方面因素的影響，國(guó)內(nèi)的研究比較落后。在實(shí)際工作中，往往不分工況場(chǎng)合，隨意生產(chǎn)（或者仿制）、任意選擇某種結(jié)構(gòu)的纏繞墊片，缺乏科學(xué)依據(jù)。這種現(xiàn)象給企業(yè)安全生產(chǎn)帶來隱患。

本課題組在長(zhǎng)期從事流體密封技術(shù)和V形結(jié)構(gòu)纏繞墊片研究的基礎(chǔ)上，科學(xué)建立力學(xué)模型，進(jìn)行科學(xué)的力學(xué)分析，并采用優(yōu)化試驗(yàn)等方法，系統(tǒng)地研究了W形柔性石墨不銹鋼內(nèi)外環(huán)纏繞墊片的密封性能，找出影響密封性能的主要因素，得出最佳參數(shù)，明確結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對(duì)密封性能的影響規(guī)律，從而針對(duì)具體工況選擇相應(yīng)的參數(shù)開發(fā)出高性能的產(chǎn)品。同時(shí)，通過對(duì)V形和W形結(jié)構(gòu)的性價(jià)比較，可以為工程實(shí)踐中經(jīng)濟(jì)、合理地選擇纏繞墊片提供一定的科學(xué)依據(jù)。

密封墊片的主要性能包括力學(xué)性能（壓縮性能、回彈性能、應(yīng)力松弛性能）和密封性能，對(duì)于纏繞墊片來說，各性能之間有著密切的聯(lián)系，相輔相成，缺一不可。其中，密封性能直接反映了密封效果，其他性能直接或間接影響密封性能。雖然目前的試驗(yàn)手段是在實(shí)驗(yàn)室的剛性法蘭上進(jìn)行的，試驗(yàn)條件與實(shí)際工況存在一定的偏差，但是，試驗(yàn)結(jié)果仍能說明密封方面的重要的問題。因此，以此方法和手段研究墊片的性能對(duì)工程實(shí)踐有重要的指導(dǎo)意義。本文作為文獻(xiàn)[1]的續(xù)篇，關(guān)于W形纏繞墊片結(jié)構(gòu)、力學(xué)模型的建立、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化試驗(yàn)（試驗(yàn)條件、結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)、優(yōu)化試驗(yàn)方法）等相關(guān)細(xì)節(jié)內(nèi)容已在文獻(xiàn)中給出，本文只做簡(jiǎn)要介紹。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)模型

W形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖2所示，W形柔性石墨金屬纏繞墊片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 優(yōu)化試驗(yàn)條件、因素水平表和試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)條件

試件規(guī)格為4.5 mm厚度級(jí)別的內(nèi)外環(huán)墊片DN80 PN5.0；技術(shù)要求參照GB 4622.3—2008；材料為06Cr18Ni10+柔性石墨，內(nèi)外環(huán)為3.0 mm厚度的碳鋼板；溫度為常溫；壓緊應(yīng)力為70.0 MPa，試驗(yàn)裝置為全自動(dòng)墊片綜合性能試驗(yàn)臺(tái)；試驗(yàn)介質(zhì)為氮?dú)猓唤橘|(zhì)壓力為5.5 MPa。

2.2 因素水平表

因素水平情況如表1所示。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

采用三因子三水平（L9（3）4）密封性能優(yōu)化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)果如表2、表3所示。

3 結(jié)果分析和結(jié)論

由三因子三水平優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果和方差分析可知，在影響密封性能的因素中，A（鋼帶角度）、C（纏繞壓緊力）相對(duì)于B（鋼帶拉緊力）是顯著的。這一結(jié)論與文獻(xiàn)[1]中對(duì)壓縮回彈性能的影響是一致的。這再一次證明了結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對(duì)整體性能的影響符合纏繞墊片的性能之間的關(guān)系。

從正交試驗(yàn)表影響因子中3個(gè)水平密封性能和的最小值中可以看出，參數(shù)組合中A2B2C3、A2B1C3所對(duì)應(yīng)的泄漏率最小。其中，表中出現(xiàn)了A2B2C3組合，其泄漏率為0.80×10-5 cm3/s。雖然A2B1C3未出現(xiàn)在表中，但這一組合的試驗(yàn)結(jié)果為0.81×10-5 cm3/s，也是最優(yōu)的結(jié)果。2種組合同為最優(yōu)，主要原因是A、C2個(gè)因素相同，因素B的影響相對(duì)比較弱。從方差分析表中也可以得出這樣的結(jié)論。

從整個(gè)結(jié)果看，在其他因素不變的情況下，隨影響因素C的增大，泄漏率降低，密封性能提高。研究所得這一重要規(guī)律，對(duì)于不同工況下生產(chǎn)纏繞墊片參數(shù)的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。

在此需要注意的是，在選擇參數(shù)時(shí)，不能僅考慮密封性能，還要考慮其他性能。比如文獻(xiàn)[1]中的研究表明，參數(shù)C的增大，墊片的剛度、強(qiáng)度提高了。為了達(dá)到初始密封，就要提高螺栓載荷。對(duì)于壓力級(jí)別比較低的法蘭，過大的螺栓載荷可能會(huì)產(chǎn)生翹曲變形，使其結(jié)果適得其反。因此，要想保證纏繞墊片各項(xiàng)性能綜合指標(biāo)最優(yōu)，就必須全面考慮參數(shù)對(duì)各種性能的影響程度及其規(guī)律，同時(shí)，將實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)條件結(jié)果與工程實(shí)際情況有機(jī)結(jié)合起來，對(duì)比分析，這樣才能真正設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出高性能且滿足工程實(shí)際工況需要的密封產(chǎn)品。

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〔編輯：白潔〕