高溫振動(dòng)下聚四氟乙烯墊片的松弛與泄漏測(cè)試

戴文超，鄭小濤，文 翔，喻九陽(yáng)，徐建民

化工裝備強(qiáng)化與本質(zhì)安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205

高溫振動(dòng)下聚四氟乙烯墊片的松弛與泄漏測(cè)試

戴文超，鄭小濤*，文 翔，喻九陽(yáng)，徐建民

化工裝備強(qiáng)化與本質(zhì)安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205

設(shè)計(jì)了一種高溫下墊片密封性能的測(cè)試系統(tǒng)，研究了在100℃時(shí)小幅位移控制振動(dòng)及靜態(tài)松弛條件下聚四氟乙烯墊片的應(yīng)力松弛和密封性能，并討論了載荷比為0.99時(shí)3種最大壓縮量對(duì)聚四氟乙烯墊片的動(dòng)態(tài)應(yīng)力松弛和泄漏行為的影響，以及在同上最大壓縮量下的靜態(tài)應(yīng)力松弛和密封性能.結(jié)果表明，100℃下聚四氟乙烯墊片的動(dòng)態(tài)應(yīng)力松弛率隨最大壓縮量增大而增大，靜態(tài)應(yīng)力松弛率隨最大壓縮量增大有緩慢減??；在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的初始20 s階段內(nèi)，應(yīng)力迅速下降，表現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛，而動(dòng)態(tài)試驗(yàn)更明顯；動(dòng)態(tài)松弛實(shí)驗(yàn)前后的壓差變化約是靜態(tài)松弛試驗(yàn)的1.1倍.

聚四氟乙烯墊片；密封性能；高溫；小幅振動(dòng)

螺栓法蘭墊片密封結(jié)構(gòu)常被用于機(jī)械、交通、石化、核能等行業(yè)，主要由螺栓、法蘭和墊片組成.聚四氟乙烯因其拆卸方便、強(qiáng)度高、密封性能好等特點(diǎn)被廣泛用作密封材料.王明偉［1］等研究了BT20鈦合金熱軋棒材在不同溫度和初始應(yīng)力下的高溫應(yīng)力松弛行為.桑聰［2］和鄭小濤［3］研究柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片在高溫波動(dòng)載荷下的密封性能.Bouzid A和Nechache A等［4-5］對(duì)法蘭連接進(jìn)行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種條件下的熱分析，采用理論分析和數(shù)值模擬方法研究其應(yīng)力分布規(guī)律.Bouzid等人［6-7］提出了一種計(jì)算松弛的方法，用以評(píng)估墊片蠕變對(duì)螺栓力、墊片力松弛的影響.Alkelani等［8］系統(tǒng)研究了墊片蠕變對(duì)高溫法蘭連接系統(tǒng)應(yīng)力松弛行為的影響.許珊珊［9］研究了PTFE膜材的應(yīng)力松弛性能及預(yù)測(cè)模型分析，通過(guò)幾種常見的粘彈性本構(gòu)關(guān)系模型對(duì)應(yīng)力松弛曲線進(jìn)行擬合對(duì)比，得出溫度和拉伸速率對(duì)應(yīng)力松弛特性的影響.張紅才和喻九陽(yáng)［10-11］研究了25Cr2MoVA鋼的應(yīng)力松弛行為和高溫蠕變特性.對(duì)于聚四氟乙烯墊片在不同初始?jí)嚎s量下動(dòng)態(tài)應(yīng)力松弛特性少有研究，特別是在高溫下墊片的最大壓縮量對(duì)應(yīng)力松弛特性影響更是缺少研究.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)采用PRL50型蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)（見圖1），由長(zhǎng)春機(jī)械院設(shè)計(jì)生產(chǎn).為了實(shí)現(xiàn)施加試樣上的載荷均勻分布，自主設(shè)計(jì)了一套墊片夾具，夾具的上下端是可拆卸的圓柱鋼塊，下端鋼塊間采用球面接觸，便于在試驗(yàn)加載過(guò)程中自主調(diào)節(jié)試樣在夾具間接觸的水平度，從而實(shí)現(xiàn)載荷均勻分布的目的.檢測(cè)壓力變化的裝置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)閥門全開，通入0.2 MPa的氦氣，待達(dá)到最大載荷時(shí)，關(guān)閉閥門7，并開始記錄壓差計(jì)的讀數(shù).

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

圖2 內(nèi)壓檢測(cè)裝置Fig.2 Internal pressure detecting device

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)GB/T 12621—2008《管法蘭用墊片應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法》［12］的規(guī)定和要求，實(shí)驗(yàn)采用電阻加熱爐，加熱爐有上、中、下三處電阻絲，用3根熱電偶分別測(cè)量爐內(nèi)電阻絲對(duì)應(yīng)處位置的溫度，實(shí)驗(yàn)加載過(guò)程中溫度允許的波動(dòng)范圍是±2℃.加載前，先通入0.2 MPa的氦氣并對(duì)墊片加熱至100℃，然后保溫20 min，使試樣充分達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)后再施加軸向載荷［13］.在變形達(dá)到設(shè)定的最大壓縮量時(shí)，關(guān)閉中間的閥門，通過(guò)壓差計(jì)測(cè)量壓差的變化.

將墊片壓縮量作為控制對(duì)象.一般情況下高溫螺栓法蘭墊片連接系統(tǒng)會(huì)承受一定的波動(dòng)載荷，而墊片的預(yù)緊力一直存在，不考慮完全卸載，只是在一定的小范圍內(nèi)波動(dòng).研究了100℃和小幅位移控制振動(dòng)條件下聚四氟乙烯墊片的應(yīng)力松弛和密封性能，討論最大壓縮量分別為0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm且載荷比為0.99條件下聚四氟乙烯墊片的動(dòng)態(tài)應(yīng)力松弛行為及泄漏行為.作為對(duì)比研究，測(cè)試了3種最大壓縮量下的靜態(tài)應(yīng)力松弛行為及密封性能.壓差計(jì)測(cè)量是以載荷加載到最大點(diǎn)為壓差測(cè)試的時(shí)間起始點(diǎn).實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1和表2所示.

表1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)方案Tab.1 Testing scheme of dynamic stress relaxation

表2 靜態(tài)應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 Testing scheme of static stress relaxation

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

操作工況下墊片的密封性能可通過(guò)高溫螺栓法蘭墊片連接系統(tǒng)壓力差的變化量表征，而壓差的變化量又與墊片應(yīng)力有關(guān).通過(guò)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)應(yīng)力松弛試驗(yàn)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到應(yīng)力時(shí)間曲線，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力在達(dá)到最大值后的300 s基本趨于穩(wěn)定.這里僅考慮加載到最大壓縮量開始卸載的前300 s，靜態(tài)應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖3所示，小幅振動(dòng)應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖4所示，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)的壓差-時(shí)間曲線如圖5所示.

圖3 PTFE墊片在不同最大壓縮量下靜態(tài)應(yīng)力松弛曲線Fig.3 The static stress relaxation curves of PTFE gasket under different maximum amounts of compression

圖4 PTFE墊片在不同最大壓縮量下動(dòng)態(tài)應(yīng)力松弛曲線Fig.4 Dynamic stress relaxation curves of PTFE gasket under different maximum amounts of compression

圖5 PTFE墊片在不同最大壓縮量下應(yīng)力松弛試驗(yàn)的壓差-時(shí)間曲線：（a）靜態(tài)；（b）動(dòng)態(tài).Fig.5 Difference pressure-time curves of stress relaxation test of PTFE gasket under different maximum amounts of compression：（a）Static state；（b）Dynamic state

2.2 分析與討論

操作工況下的墊片的泄漏率由墊片應(yīng)力直接影響，在本試驗(yàn)恒變形量條件下墊片應(yīng)力由墊片的應(yīng)力松弛行為決定：通過(guò)應(yīng)力-時(shí)間曲線可以確定墊片最大壓縮變形時(shí)的壓縮墊片應(yīng)力σgf和松弛后墊片應(yīng)力σgr，由σgf和σgr則可以確定墊片應(yīng)力松弛率.為了詳細(xì)了解墊片的性能的變化規(guī)律，下面計(jì)算出墊片的應(yīng)力松弛率，計(jì)算公式（1）如下：

式（1）中R為墊片的應(yīng)力松弛率，σgf為墊片最大壓縮量時(shí)的應(yīng)力，σgr為松弛后墊片的應(yīng)力.分別計(jì)算出在靜態(tài)和小幅振動(dòng)情況下的3種最大壓縮量的應(yīng)力松弛率如圖6所示.

從圖6看出在一定的加載速率和溫度的條件下，動(dòng)態(tài)應(yīng)力松弛率隨最大壓縮量的增大而增大，靜態(tài)應(yīng)力松弛率隨最大壓縮量的增大緩慢減小.說(shuō)明在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下的應(yīng)力松弛率都與最大壓縮量有關(guān).由圖3和圖4可以看出，在初始階段的前30 s內(nèi)應(yīng)力迅速的減小.由于聚四氟乙烯是高分子線性聚合物，表現(xiàn)出明顯的粘彈性［14］，對(duì)于應(yīng)力松弛行為有指數(shù)式，對(duì)數(shù)式，Maxwell式等進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，利于計(jì)算任意時(shí)刻的瞬時(shí)應(yīng)力，其中陳艷等［15］采用了分?jǐn)?shù)Maxwell模型對(duì)PTFE的應(yīng)力松弛進(jìn)行研究.實(shí)驗(yàn)采用二次延遲函數(shù)模擬聚四氟乙烯的靜態(tài)應(yīng)力松弛行為，利用MATLAB軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的應(yīng)力、時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合靜態(tài)應(yīng)力松弛方程：

式（2）中，σ(t)為墊片瞬時(shí)應(yīng)力，t為時(shí)間.K1、K2、Bc、Ac均為回歸系數(shù)，聚四氟乙烯墊片的回歸系數(shù)及相關(guān)系數(shù)R如表3所示.

由圖7和表3可知，用二次延遲函數(shù)模擬PTFE的靜態(tài)應(yīng)力松弛曲線有比較好的擬合效果，尤其對(duì)于應(yīng)力松弛的初始階段有比較好的擬合效果.

圖6 PTFE墊片在不同最大壓縮量下PTFE的應(yīng)力松弛率Fig.6 Stress relaxation rate of PTFE gasket under different maximum amounts of compression

表3 墊片應(yīng)力松弛性能系數(shù)Tab.3 Coefficient of performance of gasket stress relaxation

圖7 PTFE墊片在不同最大壓縮量下的應(yīng)力松弛擬合曲線Fig.7 Stress relaxation fitting curves of PTFE gasket under different maximum amounts of compression of（a）0.3 mm，（b）0.4 mm and（c）0.5 mm

圖3和圖4明顯表現(xiàn)出應(yīng)力松弛，而動(dòng)態(tài)應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)更為明顯.與材料的應(yīng)力松弛曲線特征類似，應(yīng)力-時(shí)間松弛曲線可分為初始階段和穩(wěn)定階段.在初始階段，應(yīng)力迅速的減??；隨后應(yīng)力以很小的速率減小.初始階段主要發(fā)生在達(dá)到最大載荷后5 min內(nèi).可以看出，在靜態(tài)松弛實(shí)驗(yàn)中，隨著最大壓縮量的增大，松弛率略有減小，說(shuō)明適當(dāng)?shù)脑龃箢A(yù)緊力有利于密封；在動(dòng)態(tài)條件下，隨著最大壓縮量的增加，松弛率迅速增大，說(shuō)明振動(dòng)對(duì)墊片的松弛有顯著的影響.圖5表明動(dòng)態(tài)和靜態(tài)應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)都有相同的規(guī)律，在初始階段壓差的增加速率較緩慢，隨后速率增大，最終達(dá)到最大速率.高溫小幅動(dòng)態(tài)松弛實(shí)驗(yàn)測(cè)得壓差大約是靜態(tài)松弛實(shí)驗(yàn)的1.1倍.由公式（2）及回歸系數(shù)即可計(jì)算出在應(yīng)力松弛過(guò)程中相應(yīng)最大壓縮量下任意時(shí)刻的聚四氟乙烯墊片應(yīng)力.由于最大壓縮量影響墊片的靜態(tài)應(yīng)力松弛性能，綜合考慮其他因素，可以得出它們與應(yīng)力間的關(guān)系，推測(cè)同種類型的墊片在其他壓縮量下墊片的性能.同時(shí)能夠大致推斷出靜態(tài)松弛的時(shí)間，從而為動(dòng)態(tài)的應(yīng)力松弛提供參考依據(jù).

3 結(jié) 語(yǔ)

在100℃和小幅振動(dòng)條件下，考慮最大壓縮量對(duì)聚四氟乙烯墊片應(yīng)力的影響，對(duì)聚四氟乙烯墊片進(jìn)行了應(yīng)力松弛和泄漏測(cè)試，得到以下結(jié)論：

1）100℃下聚四氟乙烯墊片的動(dòng)態(tài)應(yīng)力松弛率隨最大壓縮量的增大而增大，靜態(tài)應(yīng)力松弛率隨最大壓縮量的增大而有所減小.

2）在應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)的初始階段，應(yīng)力松弛的現(xiàn)象最顯著，動(dòng)態(tài)的應(yīng)力松弛現(xiàn)象比靜態(tài)的明顯.

3）應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)前后的壓差變化，動(dòng)態(tài)松弛實(shí)驗(yàn)的壓差速率比靜態(tài)的松弛試驗(yàn)大，大約是1.1倍.這是由于動(dòng)態(tài)松弛實(shí)驗(yàn)材料內(nèi)部的粘塑性變形增加的更快，回彈應(yīng)變減小更多，導(dǎo)致密封性能變差，表明墊片應(yīng)力仍是決定泄漏的主要因素.

4）根據(jù)擬合的回歸系數(shù)可以推測(cè)不同最大壓縮量下，該類型聚四氟乙烯墊片的應(yīng)力松弛性能.

［1］ 王明偉，王春燕，楊繼新，等.BT20鈦合金高溫應(yīng)力松弛行為研究［J］.稀有金屬材料與工程，2012，41（3）：502-505.WANG M W，WANG C Y，YANG J X，et al.Study of high temperature stress relaxation behavior of BT20 alloy［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2012，41（3）：502-505.

［2］ 桑聰，鄭小濤，文翔，等.疲勞載荷下高溫柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的實(shí)驗(yàn)研究［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（1）：78-81.SANG C，ZHENG X T，WEN X，et al.Creep fluctuation behavior of high temperature flexible graphite corrugated metal gaskets under fatigue loading［J］.Journal ofWuhan Tnstitute of Technology，2016，38（1）：78-81.

［3］ 鄭小濤，陳瑤，喻九陽(yáng)，等.螺栓法蘭連接系統(tǒng)的熱應(yīng)力場(chǎng)［J］. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（6）：37-40.ZHENG X T，CHEN Y，YU J Y，et al.Thermal stress of bolted flanged system［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2014，36（6）：37-40.

［4］ BOUZID A，NECHACHE A.An analytito cal solution for evaluating gasket stress change in bolted flange connections subjected high temperature loading［J］.Journal of Pressure Vessel Technology 2005，127（4）：414-427.

［5］ BOUZIDA，NECHACHEA.Thermallyinduceddeflection in bolted flanged connections［J］.ASME Journal of Pressure Vessel Technology，2005，127（4）：394-401.

［6］ BOUZID A，CHAABAN A.An accurate method for evaluating relaxation in bolted flanged connections［J］.Journal of Pressure Vessel Technology，1997，119（4）：10-17.

［7］ NECHACHE A，BOUZID A H.On the use of plate theory to evaluate the load relaxation in bolted flanged joints subjected to creep［J］.International Journal of Pressure Vessel and Piping，2008，85（7）：486-497.

［8］ ALKELANI AA，HOUSARI BA，NASSAR SA.A proposed model for predicting clamp load loss due to gasket creep relaxation in bolted joints［J］.ASME Journal of Pressure Vessel Technology，2012，134（2）：517-522.

［9］ 許珊珊，張營(yíng)營(yíng)，張其林.PTFE膜材的應(yīng)力松弛性能及預(yù)測(cè)模型分析［J］.應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2016，37（3）：266-276.XU S S，ZHANG Y Y，ZHANG Q L.Stress relaxation properties and the prediction models for PTFE membranes ［J］. Applied Mathematics and Mechanics.2016，37（3）：266-276.

［10］ 張紅才，鄭小濤，軒福貞，等.蠕變-疲勞載荷下25Cr2MoVA鋼的循環(huán)應(yīng)力松弛行為［J］.壓力容器，2014，31（9）：23-27.ZHANG H C，ZHENG X T，XUAN F Z，et al.Cyclic stress relaxation behavior of 25Cr2MoVA steel under creep-fatigue loadings［J］.Pressure Vessel Technology，2014，31（9）：23-27.

［11］ 喻九陽(yáng)，王明伍，張紅才，等.25Cr2MoVA和15CrMo鋼的高溫蠕變特性［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（5）：48-52.YU J Y，WANG M W，ZHANG H C，et al.Creep behavior of 25Cr2MoVA steel and 15CrMo steel［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2014，36（5）：48-52.

［12］ 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 12621-2008管法蘭用墊片應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［13］ 鄭小濤，文翔，桑聰，等.高溫波齒復(fù)合墊片的循環(huán)壓縮回彈性能［J］. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（4）：382-384.ZHENGXT，WENX，SANGC，et al.Cyclic compression-resilience of flexible graphite corrugated metal gaskets at elevated temperature［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2016，38（4）：382-384.

［14］ 羅文波，楊挺青.固態(tài)高聚物的應(yīng)力松弛行為［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2002，18（2）：100-101.LUO W B，YANG T Q.Stress relaxation behavior of solid polymers［J］.Polymer Materials Science and Engineering，2002，18（2）：100-101.

［15］ 陳艷，陳宏善，康永剛.分?jǐn)?shù)Maxwell模型應(yīng)用于PTFE松弛模量的研究［J］.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（11）：2160-2163.CHEN Y，CHEN H S，KANG Y G.Relaxation modulus of PTFE studied by fractional maxwell model［J］.Chemical Journal of Chinese University，2006，27（11）：2160-2163.

Relaxation and Leakage Test of PTFE Gasket under High Temperature Vibration

DAI Wenchao，ZHENG Xiaotao*，WEN Xiang，YU Jiuyang，XU Jianming
HubeiKeyLaboratoryofChemicalEquipmentIntensificationandIntrinsicSafety（WuhanInstituteoftechnology），Wuhan430205,China

The testing system of sealing performance for high-temperature gasket was designed.The stress relaxation and sealing performance ofpolytetrafluoroethylene（PTFE） gasketundersmall-amplitude deformation-controlled vibration and static stress relaxation at 100℃were investigated.The effects of maximum compression on the dynamic stress relaxation and leakage behavior of PTFE were studied.The static stress relaxation and sealing performance of PTFE gasket at load ratio of 0.99 and the maximum compression of 0.3 mm,0.4 mm and 0.5 mm were further researched.Results show that the dynamic stress relaxation rate of PTFE increases with the maximum compression rising and the static stress relaxation rate of PTFE reduces slowly with the increase of the maximum compression deformation at 100℃.Moreover,the stress decreases rapidly during the initial 20 s in both dynamic and static tests,which shows a remarkable effect of the stress relaxation,especially in the dynamic stress relaxation experiment.The differential pressure of dynamic test is about 1.1 times that of static test.

polytetrafluoroethylene gaskets；sealing performance；high temperature；small-amplitude vibration

TQ 050.4+3

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2017.05.017

1674-2869（2017）05-0503-05

2017-04-15

湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（D20161508）

戴文超，碩士研究生.E-mail：437870333@qq.com

*通訊作者：鄭小濤，博士，副教授.E-mail：xiaotaozheng@163.com

戴文超，鄭小濤，文翔，等.高溫振動(dòng)下聚四氟乙烯墊片的松弛與泄漏測(cè)試［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（5）：503-507.

DAI W C，ZHENG X T，WEN X，et al.Relaxation and leakage test of PTFE gasket under high temperature vibration［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（5）：503-507.

陳小平