新型波齒復合墊片的研制開發(fā)

◎張孟福安源勝

通過對不同結構形式金屬波齒環(huán)的分析、測試，證明波齒環(huán)的主要結構參數(shù)是影響波齒墊片力學性能和密封性能的關鍵。經使用 證明波齒復合墊片具有良好的壓縮回彈性能和可靠的密封性能，是高溫、高壓和一些苛刻工況的理想墊片。

螺栓法蘭連接方式應用廣泛，墊片是其中重要的密封元件，其性能的好壞將直接影響安全文明生產。目前常用的一些墊片或多或少存在著這樣或那樣的缺陷，很難滿足各種各樣的密封要求，容易出現(xiàn)跑冒滴漏，尤其是中高壓（高溫）容器和管道接頭密封的問題，普通墊片很難解決。

在調研國內外墊片發(fā)展的最新情況的基礎上，我們研制開發(fā)了新型波齒復合墊片。

一、墊片結構設計

1.基本結構設計。根據密封機理，墊片首先應具有良好的壓縮變形能力，受壓后能夠產生變形，填充法蘭密封面間的間隙和法蘭面的凹凸不平。其次，墊片應該具有良好的回彈能力，在使用過程中能夠隨法蘭面壓緊力的減少而回彈，迅速填補由于介質應力的升高造成的法蘭面間增大的間隙，始終保持墊片與法蘭面的貼合。再次，墊片應具有較高的強度和耐溫、耐介質腐蝕的能力，保證墊片在使用過程中不會被介質吹裂或吹掉，不會被高溫熔化掉，也不會被介質腐蝕掉。目前常用墊片如橡膠板墊、纏繞墊和金屬齒形墊等不耐溫、易散架、易壓潰和預壓緊力較高，新開發(fā)的墊片要求既要具有較高的強度（不散架、不壓潰）和耐高溫（＞400℃）能力，又要具有較好的壓縮回彈能力，適用于介質壓力、溫度較高且波動較大的場合。參考國內外最新墊片研制開發(fā)的信息，將墊片基本結構設計為圓弧槽波齒環(huán)與柔性石墨板材的復合結構。如圖1。

由圖1可見，整個墊片以金屬環(huán)為骨架，上下表面復以石墨板材。為了提高墊片的壓縮回彈性能，金屬環(huán)上下表面加工成相互錯開的波齒狀同心圓弧溝槽，復合一定厚度的柔性石墨后，使整個墊片既具有金屬線接觸密封，又具有多道柔性石墨環(huán)密封的雙重功能，大大提高了這種墊片的密封性能。通過調整和優(yōu)化波齒環(huán)面的齒深、齒距和齒尖厚度，可以使墊片只需要較小的預緊壓力，就可以密封很高壓力的介質。同時，這種特殊的結構，確保墊片具有非常優(yōu)異的抗蠕變性能，而且便于安裝和定位。

圖3 非對稱波齒環(huán)結構

2.波齒結構設計。金屬波齒環(huán)結構設計是這種新型墊片研制開發(fā)成功的關鍵。波形結構可以設計為“V”形槽、梯形槽和圓弧形槽，齒型又可以設計為對齒和錯齒兩種形式。為了探明金屬波齒環(huán)結構對墊片整體性能的影響，我們利用MAC/NASTRAN大型有限元分析程序，對不同結構的波齒環(huán)進行了受力分析。分析結果表明，圓弧型波齒環(huán)片的壓縮回彈性能是最好的，且抗拉強度和抗壓強度較高。因此，選定新型墊片的結構為圓弧型波齒結構。對于圓弧溝槽金屬波齒環(huán)，環(huán)面可以車制成圖2和圖3所示的結構。

由圖2和圖3可見，波齒結構設計不僅包括齒距、齒深和齒尖厚度三個參數(shù)的分析計算，還包括波形設計的內容。為了得到性能優(yōu)良的墊片，我們深入研究了波齒結構各參數(shù)對密封性能的影響。

3.波齒結構參數(shù)的確定和優(yōu)化。確定波齒結構參數(shù)是個多因素優(yōu)化問題。為了使分析結果準確可靠，采用正交試驗方法對各種波齒墊片結構進行組合分析，設計生產了不同規(guī)格的墊片試樣，通過理論計算和試驗測試相結合，詳細研究了各參數(shù)對墊片性能的影響。

（1）芯板厚度對波齒環(huán)力學性能的影響.。根據有限元分析結果，將2.5mm、3.0mm和4mm厚的波齒環(huán)在承受70MPa壓力時的最大應力和變形情況分別繪制如圖4和圖5。

圖4 芯板厚度對應力的影響

圖5 芯板厚度對變形的影響

從不同厚度波齒環(huán)（波齒結構相同）在受載時的應力和變形情況可見，當波齒深度較淺時，環(huán)上最大應力隨厚度的增加而減小，且厚度較大的波齒環(huán)上的應力分布也較均勻；隨著齒深的增加，厚度對波齒環(huán)上應力的影響趨向不明顯，這時，環(huán)上最大應力將主要由波齒結構決定。

對不同厚度的波齒環(huán)，當齒深較淺時，厚度較薄的波齒環(huán)的變形大。增大波齒波深，波齒受力變形先隨芯板厚度的增加而增大，而后趨于減小。相同厚度的波齒環(huán)，齒深較大的變形量也較大。

對比不同厚度波齒環(huán)的回彈性能，發(fā)現(xiàn)波齒結構相同的環(huán)板，芯板厚度對墊片回彈性能的影響不明顯。

（2）齒距對波齒環(huán)性能的影響。齒距對波齒墊性能的影響很大。圖6和圖7分別是具有不同齒距的4mm厚波齒環(huán)在承受70MPa預緊比壓時的環(huán)上應力和變形情況。

圖6 齒距對波齒環(huán)應力的影響

圖7 齒距對波齒環(huán)變形的影響

由圖可見，當齒距較小時，整個環(huán)上的應力分布較均勻，且齒尖上最大應力很小，受載變形較小，整個環(huán)的剛度較大。隨著齒距增大，齒尖上的應力迅速增加，整個環(huán)上的應力分布趨于不均勻，受載變形增大，整個環(huán)的剛度減小。因此，如何選擇芯板厚度與波齒結構是保證墊片具有良好壓縮變形能力和回彈能力的關鍵。

（3）齒深對波齒環(huán)性能的影響。波齒對波齒環(huán)性能的影響如圖8和圖9。由圖可見，齒深對波齒環(huán)的性能的影響非常明顯，波齒環(huán)上的應力和變形隨著齒深的加大，明顯增加。但在實際檢測時很難把握。一是由于在生產加工時，加工測量不便，二是由于齒深對波齒環(huán)性能的影響還與齒距及齒尖厚度有關。

（4）齒尖厚度對波齒環(huán)性能的影響。參照齒形組合墊片，在減小性能分析時，僅考察了齒尖厚度分別為1與0.1mm兩種情況。分析結果表明，隨著齒尖厚度的增加，環(huán)上應力迅速均化，總體變形減小。因此，在設計試樣的結構時，適當增加齒尖厚度，可以極大地提高墊片的承壓能力，但壓縮率和回彈率將有所減小。

圖9 齒深對波齒環(huán)變形的影響

經對不同波齒結構波齒環(huán)受力分析，優(yōu)化得到性能優(yōu)良的波齒結構。從波齒環(huán)的受力分析結果看，齒距、齒深、齒尖厚度以及波齒環(huán)厚度是相互關聯(lián)的，在制造時，應嚴格控制波齒環(huán)的結構尺寸。

二、復合工藝研究

波齒墊片由金屬波齒環(huán)和柔性石墨板材復合而成，其中金屬芯板具有很高的強度、很好的耐溫性能和良好的彈性；柔性石墨具有良好的抗介質腐蝕能力、壓縮變形能力和密封性能，是目前已知的性能最為優(yōu)良的密封材料之一。如何將二者的優(yōu)點結合起來，在很大程度上取決于波齒環(huán)與柔性石墨的復合工藝。傳統(tǒng)高溫墊片的制作工藝采用機械壓緊的方法將二者復合在一起，但金屬芯板與柔性石墨復合不牢固，在運輸或安裝過程中石墨板與波齒環(huán)很容易分離。為此，經過試驗，我們采用高溫粘結劑粘結與機械壓緊結合的復合工藝，取得了良好的效果。

三、墊片性能測試

參照柔性石墨金屬纏繞墊的技術條件，對新型柔性石墨波齒復合墊片進行了性能測試，測試結果見表2。

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從中可以清楚看出，新型波齒復合墊片的各項性能均達到或超過了GB4622.3-93的技術要求。

從結構穩(wěn)定性來看，新型波齒復合墊片穩(wěn)定性非常好，不存在發(fā)生散架、壓潰等問題，適宜于制作大直徑容器（或管道）墊片，且應力松弛率較低，較適合用于高溫的場合。而在這方面恰恰是纏繞墊所不具備的。

四、新型波齒復合墊片的試用情況

1.煉油廠二聯(lián)合芳烴抽提裝置的回收塔重沸器管箱法蘭密封。重沸器管箱密封面外徑φ1100mm，法蘭密封面為凹凸面。

原設計采用銅包墊，打壓時發(fā)現(xiàn)泄漏，更換強力 墊（也稱強力復合墊片）也無效，后用波齒復合墊片，才使裝置生產進入平穩(wěn)運行。6個月后檢測法蘭密封情況，性能良好。在隨后的一年里經兩次開停工及多次操作波動影響，一直保持良好的使用狀態(tài)。

2.EA101B氣化省煤器殼程法蘭密封。氣化省煤器為立式：型管式結構，公稱直徑為600mm，二管程、二殼程。設計壓力：殼程 11.8MPa，管程：6.6MPa。設計溫度：殼程 325℃，管程：430℃。操作介質：殼程 鍋爐水，管程：原料氣。原使用墊片為柔性石墨金屬纏繞墊，泄漏量大，使用壽命較短，由于多次出現(xiàn)泄漏而影響生產。2001年5月檢修時更換新型波齒復合墊片，使用至今，效果良好。

五、結論

通過研究和試用，成功開發(fā)了一種新型波齒復合墊片。墊片采用波齒芯板兩面復合柔性石墨結構，具有高強度、低松弛、回彈性能高、密封性能好的特點，且不會散架或被壓潰。性能檢測和試用結果表明，該墊片具有較好的應用前景，可廣泛應用于0～25MPa，0～650℃管道或容器法蘭連接。