分級(jí)加載下核級(jí)石墨密封墊片的壓縮回彈性能研究

王琪瑤，沈火明，劉 娟，張媛媛，傅孝龍

（1.西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031；2.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041）

引言

螺栓-法蘭-墊片密封系統(tǒng)在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛，主要用在壓力容器和管道中［1-2］。墊片作為導(dǎo)致系統(tǒng)泄漏失效的主要密封元件，其密封性能、力學(xué)性能都有嚴(yán)苛的要求［3-4］。而壓縮回彈性能則是影響墊片密封服役效果的重要力學(xué)性能之一。王德成和劉宏杰等［5］采用有限元模擬的方法研究了無石棉墊片的壓縮回彈性能，并提出了能夠改進(jìn)系統(tǒng)密封性能的設(shè)計(jì)方法。梁瑞和李秦龍等［6］將試驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合，對(duì)比分析了不同齒形組合墊片的壓縮回彈性能，得到了具有更高性能的齒形組合墊片。ZHOU和ZHAI等［7］以新型金屬-金屬接觸型墊片為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)研究了墊片的壓縮回彈性能，并建立了密封結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的有限元模型，分析了介質(zhì)的內(nèi)部壓力、螺栓的預(yù)緊力和溫度對(duì)墊片力學(xué)性能的影響。賈曉紅和陳華明等［8］采用有限元模擬，探究了石墨密封墊片密封界面的應(yīng)力分布狀況，并驗(yàn)證了仿真模型及方法的正確性。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，存在不同級(jí)別的壓應(yīng)力反復(fù)、分級(jí)施加的情況，因此，墊片受到的壓力不恒定且情況復(fù)雜。而受經(jīng)濟(jì)因素影響，墊片會(huì)考慮重復(fù)使用，因而，對(duì)墊片的可靠性、穩(wěn)定性都提出了更高要求。陸曉峰和顧伯勤［9］考慮墊片蠕變的影響因素，對(duì)螺栓法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行了變形協(xié)調(diào)分析，獲得了高溫下螺栓法蘭連接系統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)方法。鄭小濤和文桑等人［10］對(duì)不同加載速率影響下波齒復(fù)合墊片的高溫循環(huán)壓縮回彈性能進(jìn)行了對(duì)比研究，并擬合出了墊片的壓縮回彈特性方程。時(shí)黎霞等人［11］研究了金屬纏繞墊片在分級(jí)加載下的壓縮回彈性能，發(fā)現(xiàn)金屬纏繞墊片的壓縮回彈性能受加載方式影響甚微。

核級(jí)石墨密封墊片作為影響核電系統(tǒng)、航空航天等運(yùn)行安全的重要密封元件，在復(fù)雜的工作條件下，其密封的可靠性更值得關(guān)注，而目前國內(nèi)對(duì)復(fù)雜加載方式下的石墨密封墊片壓縮回彈性能研究較少。因此本文通過試驗(yàn)，采用分級(jí)加載的方式對(duì)核級(jí)石墨密封墊片進(jìn)行壓縮回彈試驗(yàn)，對(duì)比分析研究其壓縮回彈性能的變化。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及試樣

壓縮回彈試驗(yàn)在經(jīng)過改造的MTS 809試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)配置引伸計(jì)以便更加精準(zhǔn)的測(cè)量墊片的變形，增設(shè)外加壓頭以模擬實(shí)際密封系統(tǒng)中的上下法蘭。

試驗(yàn)采用公稱直徑為DN65的核級(jí)石墨密封墊片為研究對(duì)象，密封環(huán)采用柔性石墨材料填充，內(nèi)外限制環(huán)采用022Cr17Ni12Mo2，即 316L鋼［12］，其結(jié)構(gòu)如圖 1所示，墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 墊片結(jié)構(gòu)示意圖

表1 核級(jí)石墨密封墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

首先，將試樣對(duì)中安裝在下壓頭上，對(duì)墊片施加0.2 MPa的預(yù)緊力以確保壓頭與墊片充分接觸，記錄此時(shí)墊片的厚度。接著按照0.2 MPa/s的速度對(duì)墊片施加載荷至規(guī)定值，并記錄此時(shí)的墊片厚度。最后以0.2 MPa/s的速度對(duì)墊片卸載至規(guī)定值，并記錄此時(shí)墊片未恢復(fù)的壓縮量。

分別采用4級(jí)、8級(jí)兩種等級(jí)對(duì)墊片逐級(jí)加載至100 MPa，4級(jí)加載的 4個(gè)壓力等級(jí)為 25 MPa、50 MPa、75 MPa、100 MPa，8級(jí)加載的8個(gè)壓力等級(jí)為12.5 MPa、25 MPa、37.5 MPa、50 MPa、62.5 MPa、75 MPa、87.5 MPa、100 MPa。每加載至一個(gè)壓力等級(jí)后卸載，隨后繼續(xù)加載至下一個(gè)壓力等級(jí)，直至加載至最大壓力等級(jí)后卸載。

從試樣中選取若干墊片，隨機(jī)抽取墊片并進(jìn)行不少于3組試驗(yàn)。每個(gè)墊片試驗(yàn)完成后，通過軟件輸出載荷-位移曲線。

2 結(jié)果與討論

經(jīng)過壓縮回彈試驗(yàn)后的墊片如圖2所示，觀察可以發(fā)現(xiàn)墊片的金屬限制環(huán)均沒有發(fā)生肉眼可見的變化，而石墨密封環(huán)的改變則比較明顯，其厚度明顯降低。

2.1 分級(jí)加載

4級(jí)加載的墊片壓縮回彈曲線如圖3所示，8級(jí)加載的墊片壓縮回彈曲線如圖4所示。

觀察分級(jí)加載的壓縮回彈曲線發(fā)現(xiàn)，前幾級(jí)加載產(chǎn)生的位移范圍明顯大于后續(xù)加載的位移范圍，這主要是由于墊片密封環(huán)的填充材料——石墨是一種內(nèi)部疏松多孔的材料，在壓縮的過程中多孔的構(gòu)造逐步被壓縮，孔隙被填滿，使得密封環(huán)部分產(chǎn)生了壓縮硬化，限制了隨后加載中由相同壓應(yīng)力產(chǎn)生的塑性變形。每個(gè)壓力等級(jí)下的壓縮回彈曲線均存在與滯回曲線類似的開口行為，隨加載次數(shù)的增加，開口變得越來越小，但開口均沒有完全消失。這表明墊片在受到壓應(yīng)力作用的過程中，產(chǎn)生一定程度的塑性變形，而塑性變形隨著分級(jí)加載次數(shù)的增加而減小。

圖2 壓縮回彈試驗(yàn)后墊片的狀態(tài)

圖3 4級(jí)加載墊片壓縮回彈曲線

圖4 8級(jí)加載墊片壓縮回彈曲線

分級(jí)加載對(duì)墊片壓縮回彈曲線的總體趨勢(shì)沒有太大影響，每一級(jí)載荷的壓縮曲線都在前一級(jí)卸載曲線之上。這主要是由于每一級(jí)加載下的壓縮模量隨著壓力等級(jí)的增長而增大，使得其不但大于該壓力等級(jí)下的回彈模量，還大于前一級(jí)的壓縮模量。

隨著壓力等級(jí)的增長，可以發(fā)現(xiàn)每一級(jí)壓縮量都逐級(jí)遞增，墊片壓縮量的增長變得不明顯，壓縮曲線和回彈曲線均逐漸靠近。且各壓力等級(jí)下的壓縮回彈曲線趨于貼合。這是因?yàn)楫?dāng)壓力等級(jí)達(dá)到墊片的門檻應(yīng)力后［13］，承載的主要構(gòu)件由石墨密封環(huán)變?yōu)榻饘傧拗骗h(huán)，墊片整體的壓縮模量激增，而隨著壓力等級(jí)與加載次數(shù)的增加，石墨密封環(huán)受到壓應(yīng)力作用逐漸硬化，壓縮模量也出現(xiàn)了增大的情況，因此墊片無法發(fā)生較大尺度的變形。

為了更加精準(zhǔn)的描述墊片在分級(jí)加載各壓力等級(jí)下的壓縮回彈性能，將墊片每一級(jí)加載時(shí)起始點(diǎn)的墊片變形情況計(jì)入考慮，分別采用公式（1）、公式（2）計(jì)算墊片的壓縮率和回彈率。

其中，n為墊片所受到的壓力等級(jí)，Tnmax為墊片在第n壓力等級(jí)時(shí)對(duì)應(yīng)的最大壓縮量，Tn0為墊片在第n壓力等級(jí)初載荷下的墊片厚度，T10為墊片在第1壓力等級(jí)初載荷下的墊片厚度，Tn2為墊片在第n壓力等級(jí)完全卸載時(shí)墊片未恢復(fù)的壓縮量。

兩種分級(jí)加載情況下，各壓力等級(jí)的壓縮率、回彈率分別如圖5、圖6所示。

可以觀察到，墊片的壓縮率隨著壓力等級(jí)的增加而降低，在加載至較高等級(jí)后，墊片的壓縮率變化逐漸減小。而墊片的回彈率隨著壓力等級(jí)的增加而顯著增長，且增長程度較為明顯，到達(dá)較高壓力等級(jí)后，其回彈率趨近于90%。這是因?yàn)樵谳^高壓力等級(jí)下，墊片發(fā)生的變形以彈性變形為主，僅發(fā)生少量塑性變形，產(chǎn)生的大部分變形均可恢復(fù)。在墊片受到小于門檻應(yīng)力的壓力等級(jí)加載時(shí)，其壓縮率、回彈率變化均比較明顯，而當(dāng)加載到高于門檻應(yīng)力的壓力等級(jí)后，石墨內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到一定程度壓縮，其緊密程度已經(jīng)接近峰值，因此墊片壓縮率、回彈率的變化逐步減小。

圖5 4級(jí)加載各壓力等級(jí)對(duì)應(yīng)的壓縮率、回彈率

圖6 8級(jí)加載各壓力等級(jí)對(duì)應(yīng)的壓縮率、回彈率

在不同分級(jí)加載情況下，墊片的整體壓縮率、回彈率見表2。由于最大變形量和殘余變形逐漸變大，分級(jí)數(shù)量越多的加載方式，其壓縮率越大，而回彈率越小。當(dāng)墊片采用分級(jí)加載方式，其回彈率均低于《核電廠用石墨密封墊片技術(shù)條件》［14］中對(duì)回彈率的要求。因此，核級(jí)石墨密封墊片并不適于以過多次數(shù)的分級(jí)加載方式進(jìn)行工作服役，這可能會(huì)降低墊片的密封性能。

表2 兩種分級(jí)加載情況下墊片的整體壓縮率、回彈率

2.2 1次加載與分級(jí)加載對(duì)比

將分級(jí)加載的加載方式下各應(yīng)力等級(jí)對(duì)應(yīng)的壓縮曲線分段截取，分別取達(dá)到各壓力等級(jí)前的10 MPa內(nèi)的數(shù)據(jù)，組合成一條最大應(yīng)力為100 MPa的壓縮曲線，將曲線與1次加載至100 MPa的壓縮曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。1次加載與分級(jí)加載的回彈曲線對(duì)比如圖8所示。

圖7 1次加載與分級(jí)加載下墊片壓縮曲線對(duì)比

圖8 1次加載與最后一級(jí)壓力等級(jí)回彈曲線對(duì)比

由圖7、圖8可見，采用1次加載方式得到的壓縮曲線、回彈曲線與采用分級(jí)加載方式得到的壓縮曲線區(qū)別較大，雖然趨勢(shì)一致，但其最大壓縮量隨著分級(jí)加載次數(shù)的增加而明顯增大。這主要是由于石墨密封環(huán)的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)不斷被壓實(shí)、壓密，密封環(huán)的塑性應(yīng)變逐漸積累造成的。

如圖9所示，不同加載方式下墊片的壓縮率和回彈率也存在明顯差異，1次加載方式得到的壓縮率明顯小于分級(jí)加載方式得到的壓縮率，而回彈率則相反。因此，核級(jí)石墨密封墊片在實(shí)際應(yīng)用中采用單一的，1次性的加載方式更能保證其密封效果。

圖9 1次加載與分級(jí)加載壓縮率、回彈率對(duì)比

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)的方法，采用分級(jí)加載的方式對(duì)核級(jí)石墨密封墊片的壓縮回彈性能進(jìn)行了研究。在對(duì)比4級(jí)加載、8級(jí)加載及1次加載三種加載方式后，得到結(jié)論如下：

（1）在分級(jí)加載情況下，隨壓力等級(jí)的增大，墊片的最大壓縮量逐漸增大，但墊片發(fā)生的塑性變形逐漸減小，逐漸以發(fā)生彈性變形為主。

（2）墊片在分級(jí)加載情況下，受到壓應(yīng)力反復(fù)作用，石墨密封環(huán)積累塑性變形逐漸硬化，金屬限制環(huán)逐步分擔(dān)壓應(yīng)力，墊片的壓縮模量逐漸變大。

（3）墊片的壓縮率隨著壓力等級(jí)的增加而增大，而墊片的回彈率隨著壓力等級(jí)的增加而減小。而分級(jí)加載次數(shù)越多，墊片的壓縮回彈性能下降越明顯。

（4）采用1次加載，或較少分級(jí)加載次數(shù)的加載方式更能夠保證核級(jí)石墨密封墊片在使用過程中性能的穩(wěn)定。