管法蘭用柔性石墨金屬齒形墊泄漏率及其預(yù)測(cè)模型

(1.江蘇省電梯智能安全重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常熟 215500；2.常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟 215500；3.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211816)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)企業(yè)的節(jié)能減排以及安全運(yùn)行提出了越來(lái)越高的要求。螺栓法蘭連接廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和民生等領(lǐng)域，是過(guò)程工業(yè)裝備中不可或缺的連接形式。法蘭通過(guò)緊固螺栓將墊片壓緊以實(shí)現(xiàn)密封，對(duì)墊片密封性能的研究有助于控制螺栓法蘭結(jié)構(gòu)的泄漏率[1-3]。金屬齒形復(fù)合墊片屬于金屬與非金屬組合墊片，常用于密封管道法蘭的連接處和熱交換器、高壓高溫壓力容器等場(chǎng)合[4-6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)金屬齒形復(fù)合墊片的性能開展了廣泛研究。Bazergui等[7]通過(guò)試驗(yàn)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(fù)合墊片的壓縮回彈性能，結(jié)果表明，填充式柔性石墨的金屬波齒復(fù)合墊片具有良好的壓縮回彈性能。Zhou等[8]研發(fā)了一種具有自密封性的齒形墊片，對(duì)不同溫度下墊片的壓縮回彈和密封性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，此墊片具有良好的壓縮回彈性能以及穩(wěn)定的密封性能。楊書益[9]以石墨密封墊片為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其回彈率、壓縮率、泄漏率的試驗(yàn)載荷進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了試驗(yàn)載荷的要求。賈丙中[10]研究了金屬齒形石墨組合墊在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的壓縮回彈和密封性能，得到了墊片應(yīng)力和泄漏率之間的關(guān)系，給出了2×10-5cm3/s目標(biāo)泄漏率下的墊片系數(shù)M值和預(yù)緊比壓Y值。陳慶等[11-12]對(duì)柔性石墨不銹鋼波齒復(fù)合墊片進(jìn)行了壓縮回彈優(yōu)化試驗(yàn)研究，找出了影響該墊片性能的重要參數(shù)及其參數(shù)對(duì)性能的影響規(guī)律。仇性啟等[13]對(duì)波齒復(fù)合墊片在常溫下的密封性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，討論了組裝應(yīng)力與工作應(yīng)力的改變對(duì)墊片密封性能的影響，獲得了墊片特性參數(shù)及其關(guān)系方程式。

上述關(guān)于金屬齒形墊片的研究主要集中在壓縮回彈、蠕變松弛等力學(xué)性能方面的表征，以及不同預(yù)緊力下的泄漏率測(cè)試，很少見到綜合考慮密封介質(zhì)壓力、墊片尺寸效應(yīng)和預(yù)緊力等多因素的研究。本文對(duì)常用于螺栓法蘭結(jié)構(gòu)密封的柔性石墨金屬齒形墊片進(jìn)行試驗(yàn)分析，研究其在不同預(yù)緊應(yīng)力作用下，介質(zhì)壓力和墊片尺寸效應(yīng)對(duì)泄漏率的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)試樣

本試驗(yàn)所用的金屬齒形復(fù)合墊片(304不銹鋼+柔性石墨)由張家港市某公司生產(chǎn)，在材料選用和加工技術(shù)方面嚴(yán)格按照化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20610—2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片(PN系列)》。金屬齒形復(fù)合墊片具體尺寸分別為：DN50(?87 mm×?61 mm×3.9 mm)，DN80(?120 mm×?90 mm×3.9 mm),DN125(?175 mm×?145 mm×3.9 mm)，同一種尺寸規(guī)格的墊片數(shù)量為5個(gè)，如圖1所示。

圖1 墊片試樣

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

測(cè)試試驗(yàn)在自制的泄漏率測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行，該試驗(yàn)平臺(tái)主要由墊片加載系統(tǒng)、介質(zhì)供給系統(tǒng)、測(cè)漏系統(tǒng)和試驗(yàn)法蘭等組成。載荷加載由電液伺服液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)提供，最大壓緊力1 000 kN，加載速度0.1～20 kN/s。試驗(yàn)介質(zhì)為高純氮?dú)?，最高介質(zhì)壓力15 MPa。試驗(yàn)中的法蘭密封腔如圖2所示，其可測(cè)的最大墊片外徑為?252 mm。試驗(yàn)中的檢漏系統(tǒng)如圖3所示，其泄漏率測(cè)量精度為1×10-5cm3/s。

圖2 法蘭密封腔

圖3 測(cè)試平臺(tái)中的檢漏系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)按照GB/T 12385—2008《管法蘭用墊片密封性能試驗(yàn)方法》，在室溫下進(jìn)行。金屬齒形復(fù)合墊片施加的預(yù)緊應(yīng)力分別為25，30，35，40，45 MPa五個(gè)等級(jí)，試驗(yàn)介質(zhì)為99.9%工業(yè)純氮，介質(zhì)壓力分別為0.5，1，1.5，2，2.5，3 MPa六個(gè)等級(jí)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 泄漏率測(cè)試結(jié)果

依據(jù)試驗(yàn)方案給定的預(yù)緊應(yīng)力和介質(zhì)壓力進(jìn)行測(cè)試，獲得的DN50型金屬齒形復(fù)合墊片泄漏率L隨介質(zhì)壓力p和預(yù)緊應(yīng)力SG的變化關(guān)系如圖4所示?？梢钥闯?，DN50型金屬齒形復(fù)合墊片泄漏率隨著介質(zhì)壓力的增大而增加，隨預(yù)緊應(yīng)力的增大而減小。在選定的工況條件下，泄漏率的范圍為3.0×10-4～2.0×10-3cm3/s。

圖4 金屬齒形復(fù)合墊片DN50的泄漏率曲線

圖5示出DN80型金屬齒形復(fù)合墊片泄漏率變化規(guī)律曲線。

圖5 金屬齒形復(fù)合墊片DN80的泄漏率曲線

從圖5可以看出，DN80型墊片泄漏率的變化趨勢(shì)與DN50型相似，其泄漏率值與DN50型相比，有所增加。例如，在預(yù)緊應(yīng)力30 MPa、介質(zhì)壓力0.5 MPa的工況下，DN50型墊片的泄漏率為7.5×10-4cm3/s，DN80型墊片的泄漏率為1.2×10-3cm3/s，泄漏率增加了60%。

金屬齒形復(fù)合墊片DN125型泄漏率變化規(guī)律曲線見圖6。可以看出，DN125型墊片泄漏率變化規(guī)律與DN50型、DN80型墊片相似，但相同工況下的泄漏率值有所增大。例如，在預(yù)緊應(yīng)力25 MPa、介質(zhì)壓力0.5 MPa的工況下，DN80型墊片的泄漏率為1.2×10-3cm3/s，DN125型墊片的泄漏率為1.5×10-3cm3/s，泄漏率增加了25%。同時(shí)，在介質(zhì)壓力不斷提高的情況下，DN125型墊片泄漏率增加緩慢。例如，在預(yù)緊應(yīng)力30 MPa下，介質(zhì)壓力從0.5 MPa增加至3 MPa時(shí)，泄漏率從1.20×10-3cm3/s增加至1.78×10-2cm3/s，增幅為48.3%?？梢?，該批次金屬齒形復(fù)合墊片適用于壓力變化較為明顯的場(chǎng)合。

圖6 金屬齒形復(fù)合墊片DN125的泄漏率曲線

綜上所述，隨著墊片尺寸的增加，泄漏率呈增加趨勢(shì)，其主要原因是：當(dāng)密封面寬度接近時(shí)，隨著墊片外徑的增加，其泄漏通道數(shù)量隨之增加，最終導(dǎo)致泄漏率增加。GB/T 19066.3—2003《柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片 技術(shù)條件》中規(guī)定泄漏率不高于1×10-3cm3/s為2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此，DN50型墊片的預(yù)緊應(yīng)力需高于25 MPa、DN80型墊片的預(yù)緊應(yīng)力需高于35 MPa、DN125型墊片的預(yù)緊應(yīng)力需高于40 MPa就能達(dá)到泄漏率2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 泄漏率預(yù)測(cè)模型

典型的泄漏模型有圓管模型、平型平板模型、平行圓平板模型、三角溝槽模型、多孔介質(zhì)模型等，其中常用的墊片泄漏模型為多孔介質(zhì)泄漏模型，該模型包含層流與分子流兩部分。本文工況條件下的金屬齒形復(fù)合墊片主要為層流泄漏，分子流引起的泄漏可忽略不計(jì)[14]，因此層流泄漏模型的泄漏率LL為：

(1)

式中AL，nl——回歸系數(shù)；

ηx——?dú)怏w的動(dòng)力粘度，kg/(m·s)(試驗(yàn)所用氮?dú)鈩?dòng)力粘度ηx=1.75×10-5kg/(m·s)；

SG——預(yù)緊應(yīng)力,MPa；

SG0——墊片最小預(yù)緊比壓,MPa(對(duì)于金屬齒形復(fù)合墊片，SG0取45 MPa)；

p1——試驗(yàn)介質(zhì)壓力,MPa；

Dx——待測(cè)墊片的外徑,mm；

D0——試驗(yàn)墊片最大外徑,mm。

通過(guò)擬合分析，得到了金屬齒形復(fù)合墊片試驗(yàn)結(jié)果的回歸系數(shù)AL，nl，列于表1?？梢钥闯觯孤┠Ｐ偷南嚓P(guān)系數(shù)為0.67，與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較差。

表1 泄漏模型的回歸系數(shù)

本文對(duì)原有的泄漏模型進(jìn)行改進(jìn)，增加了回歸系數(shù)，如下所示：

(2)

式中ml，ul——新增的回歸系數(shù)。

通過(guò)擬合計(jì)算，得到了金屬齒形復(fù)合墊片試驗(yàn)的回歸系數(shù)AL，nl，ml，ul，其結(jié)果列于表2?？梢钥闯觯疚母倪M(jìn)模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96，與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。

以金屬齒形復(fù)合墊片DN50型在預(yù)緊應(yīng)力35 MPa下的情況為例，將試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與兩個(gè)泄漏模型的預(yù)測(cè)值一同繪制成曲線，如圖7所示?？梢灾庇^地看到，在該工況條件下，與原有泄漏模型相比，改進(jìn)后的泄漏模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果更為一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)后泄漏模型的準(zhǔn)確性。

表2 改進(jìn)后的泄漏模型的回歸系數(shù)

圖7 試驗(yàn)結(jié)果與泄漏模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比曲線

3 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)不同工況下(介質(zhì)壓力0.5～3 MPa，預(yù)緊應(yīng)力25～45 MPa)，不同尺寸的金屬齒形石墨復(fù)合墊片(DN50，DN80，DN125)的泄漏率進(jìn)行測(cè)試，獲得了泄漏率隨工況條件和墊片尺寸大小的變化規(guī)律。

(2)在一定的預(yù)緊力下，同尺寸金屬齒形墊片的泄漏率隨著介質(zhì)壓力的增大而增大；當(dāng)介質(zhì)壓力不變時(shí)，同尺寸墊片的泄漏率隨著預(yù)緊應(yīng)力增大而減小；當(dāng)預(yù)緊力與介質(zhì)壓力不變時(shí)，墊片外徑越大，泄漏率越高。

(3)對(duì)原有的泄漏模型進(jìn)行了改進(jìn)，其相關(guān)系數(shù)提高到0.96，改進(jìn)后模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更為接近。