非石棉密封墊片泄漏率預(yù)測(cè)及缺陷分析

姚炳洋，張 斌，周劍鋒，馮修成，邵春雷，顧伯勤

(1.江蘇省過(guò)程強(qiáng)化與新能源裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

螺栓法蘭結(jié)構(gòu)是工業(yè)、農(nóng)業(yè)及國(guó)防建設(shè)中廣泛應(yīng)用的設(shè)備及部件連接形式之一，其主要的失效形式為泄漏。嚴(yán)格控制泄漏不僅是國(guó)家節(jié)能減排政策的要求，也是確保設(shè)備安全運(yùn)行的必要條件［1-3］。墊片是密封連接的核心部分，良好的墊片性能可大幅提高連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，有必要開(kāi)展墊片密封性能的研究。

非石棉墊片強(qiáng)度高，具有良好的回彈和抗?jié)B透性能，是替代石棉墊片的環(huán)保密封墊片。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)非石棉墊片開(kāi)展了廣泛研究［4-6］。周茂榮等［7］對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行了改性，制備了綜合性能良好的非石棉墊片。謝蘇江等［8］制備了非石棉密封材料，對(duì)其蠕變性能進(jìn)行了大量研究，確定了材料的蠕變松弛理論模型。Bouzid等［9］對(duì)不同溫度下墊片的泄漏模型和失效機(jī)理開(kāi)展了大量研究，采用不同的流動(dòng)模型分析了泄漏率與氣體介質(zhì)的關(guān)系。Kwon等［10-12］對(duì)低溫環(huán)境下的墊片開(kāi)展了研究，提出了長(zhǎng)周期多參數(shù)墊片的壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)則。

這些研究總體上較為分散，文中綜合考慮氣體介質(zhì)壓力、預(yù)緊應(yīng)力和墊片規(guī)格等因素，對(duì)非石棉墊片泄漏率進(jìn)行試驗(yàn)分析和研究。

1 非石棉墊片泄漏率測(cè)試試驗(yàn)

1.1 試樣規(guī)格

試驗(yàn)用非石棉墊片試樣見(jiàn)圖1，為泰州市亞歐密封材料有限公司生產(chǎn)，牌號(hào)GP-150，產(chǎn)品主要組分為芳綸纖維、合成礦物纖維及耐油膠黏劑等，采取輥壓法制成。試驗(yàn)中選用墊片的尺寸規(guī)格共 5 種， 依次為 DN50 mm、DN65 mm、DN80 mm、DN100 mm和 DN125 mm。

圖1 試驗(yàn)用非石棉墊片試樣

1.2 測(cè)試方案

非石棉墊片試樣測(cè)試試驗(yàn)在自制的泄漏率測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行，該測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)的最大載荷量程為1 000 kN，測(cè)量精度為10-5mL/s，最大可測(cè)墊片外徑為252 mm。試驗(yàn)的介質(zhì)為高純氮?dú)?，最大介質(zhì)壓力為10 MPa。

按照GB/T 12385—2008《管法蘭用墊片密封性能試驗(yàn)方法》［13］，非石棉墊片試樣的泄漏率測(cè)試試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中施加的預(yù)緊應(yīng)力 SG等級(jí)分別為20、25和 30 MPa，介質(zhì)壓力 p等級(jí)分別為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)相同規(guī)格的墊片重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，以3次試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)測(cè)試值。

2 非石棉墊片泄漏率測(cè)試結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

2.1.1 DN50 mm墊片

測(cè)定DN50 mm墊片試樣在預(yù)緊應(yīng)力為20、25、30 MPa，介質(zhì)壓力為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa條件下的泄漏率。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成泄漏率-介質(zhì)壓力曲線，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 DN50 mm非石棉墊片泄漏率曲線

從圖2可以看出，DN50 mm墊片試樣的L值隨著p的提高而增大，隨SG的提高而降低。p從0.5 MPa增加到1 MPa時(shí)，L值增加的速率較快。當(dāng)SG為25 MPa和30 MPa時(shí)，其L值較為接近。在所選的試驗(yàn)條件下，DN50 mm墊片試樣的L值在 3.0×10-4～1.9×10-2mL/s。

2.1.2 DN65 mm墊片

測(cè)定DN65 mm墊片試樣在預(yù)緊應(yīng)力為20、25、30 MPa，介質(zhì)壓力為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa條件下的泄漏率，

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成泄漏率-介質(zhì)壓力曲線，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 DN65 mm非石棉墊片泄漏率曲線

從圖3可以看出，DN65 mm墊片與DN50 mm墊片的泄漏率變化規(guī)律大致相同，L值隨著p的提高而增大，但在SG為30 MPa、p為1.5 MPa處，泄漏率曲線出現(xiàn)了小幅波動(dòng)，隨著后續(xù)p的提高，L值緩慢增大。在預(yù)緊應(yīng)力和介質(zhì)壓力相同的情況下，DN65 mm墊片的泄漏率要大于DN50 mm墊片的。DN65 mm墊片試樣的泄漏率在 4.0×10-4～4.4×10-2mL/s。

2.1.3 DN80 mm墊片

測(cè)定DN80 mm墊片試樣在預(yù)緊應(yīng)力為20、25、30 MPa，介質(zhì)壓力為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa條件下的泄漏率。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成泄漏率-介質(zhì)壓力曲線，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 DN80 mm非石棉墊片泄漏率曲線

從圖4可以看出，DN80 mm墊片試樣的泄漏率分布規(guī)律與DN50 mm的基本相同。

2.1.4 DN100 mm墊片

測(cè)定DN100 mm墊片試樣在預(yù)緊應(yīng)力為20、25、30 MPa，介質(zhì)壓力為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa條件下的泄漏率。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成泄漏率-介質(zhì)壓力曲線，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 DN100 mm非石棉墊片泄漏率曲線

從圖5可以看出，DN100 mm墊片試樣在SG為30 MPa的情況下，泄漏率出現(xiàn)了一定的波動(dòng)，此現(xiàn)象與DN65 mm墊片試樣出現(xiàn)的泄漏率下降的情況相似。

2.1.5 DN125 mm墊片

測(cè)定DN125 mm墊片試樣在預(yù)緊應(yīng)力為20、25、30 MPa，介質(zhì)壓力為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa條件下的泄漏率。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成泄漏率-介質(zhì)壓力曲線，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 DN125 mm非石棉墊片泄漏率曲線

從圖6可以看出，DN125 mm墊片的泄漏率分布規(guī)律與DN50 mm、DN80 mm墊片的基本相同。

2.1.6 總體規(guī)律

SG和p相同情況下，墊片的L值會(huì)隨墊片尺寸的增大而增大。如在SG為30 MPa，p為0.5 MPa時(shí)，DN50 mm、DN65 mm、DN80 mm、DN100 mm 及 DN125 mm墊片 L 值分別為 3.0×10-4、4.0×10-4、6.0×10-4、7.0×10-4和 9.0×10-4mL/s。

墊片在相同預(yù)緊應(yīng)力作用下，其L值隨著p的提高而增大；在相同介質(zhì)壓力下，其L值隨著SG的提高而降低。隨著墊片尺寸的增大，L值呈增加趨勢(shì)，其主要原因是：當(dāng)密封面寬度接近時(shí)，隨著墊片外徑的增大，其泄漏通道數(shù)量隨之增加，最終導(dǎo)致泄漏率增大。

2.2 泄漏率試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

2.2.1 流動(dòng)模型

應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和流動(dòng)模型擬合泄漏率計(jì)算公式，可以在不具備泄漏率實(shí)測(cè)條件時(shí)提供相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)值。近年來(lái)研究者們對(duì)墊片的泄漏模型和失效機(jī)理開(kāi)展了大量研究，采用不同的流動(dòng)模型分析了泄漏率與氣體介質(zhì)的關(guān)系［14-15］。

多孔介質(zhì)模型是最常用的墊片泄漏模型，模型中包含了分子流與層流2個(gè)部分。文中研究的非石棉墊片泄漏類(lèi)型主要是層流泄漏，分子流部分的泄漏可忽略不計(jì)。所以泄漏模型的泄漏率L計(jì)算公式為：

式中，AL、nl為回歸系數(shù)；ηx為氣體動(dòng)力黏度，本試驗(yàn)中氣體介質(zhì)的 ηx為 1.75×10-5kg/(m·s)；SG0為預(yù)緊比壓，MPa；Dx為墊片的外徑，D0為DN 125 mm墊片的標(biāo)準(zhǔn)外徑，mm。

2.2.2 模型修正

基于式（1）的泄漏率模型，采用Statistica軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到 AL=5.63×10-9、nl=-6.36。擬合后的相關(guān)系數(shù)為0.83，與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較差，將泄漏率計(jì)算模型修正為以下公式。

式中，p0為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)壓力， 為 3.0 MPa；n1、ml、μl為回歸系數(shù)。

2.2.3 預(yù)測(cè)效果

基于式（2）的泄漏率計(jì)算模型修正計(jì)算式，通過(guò)擬合分析得到 AL=1.12×10-7、nl=-7.11、ml=2.08、μl=4.49。改進(jìn)后擬合得到的相關(guān)系數(shù)為0.97，與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。以DN125 mm非石棉墊片在SG為20 MPa下的情況為例，將試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與2個(gè)泄漏率模型進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。圖7表明，改進(jìn)后的泄漏率模型與試驗(yàn)結(jié)果具有更好的一致性。

圖7 非石棉墊片泄漏率試驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)模型對(duì)比曲線

2.3 含缺陷墊片泄漏率分析

以DN125 mm墊片試樣為試驗(yàn)對(duì)象，加工厚度約0.3 mm的裁刀，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（DDL-100）上施加不同的位移載荷來(lái)形成不同深度的徑向劃痕，設(shè)計(jì)的劃痕深度分別為0.05、0.1、0.15和 0.2 mm。通過(guò)奧林巴斯光學(xué)顯微鏡（GX51）對(duì)不同深度劃痕的寬度進(jìn)行測(cè)量，劃痕的顯微鏡照片見(jiàn)圖8。

圖8 非石棉墊片劃痕顯微鏡照片

在30 MPa的預(yù)緊應(yīng)力作用下，對(duì)4個(gè)不同劃痕深度的墊片進(jìn)行泄漏率測(cè)試，并與無(wú)劃痕墊片的泄漏率進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 不同劃痕深度的墊片泄漏率曲線

圖9表明，墊片劃痕深度較淺時(shí)（0.05 mm），泄漏率與無(wú)劃痕墊片的泄漏率相差不多，泄漏率曲線基本重合，輕微缺陷對(duì)墊片的密封效果影響不大。無(wú)劃痕墊片的L值最小為9.0×10-4mL/s；當(dāng)墊片的劃痕深度為0.05 mm時(shí)，墊片的L值最小為1.1×10-3mL/s；當(dāng)劃痕深度為0.1 mm時(shí)，墊片L值最小為1.8×10-3mL/s，墊片泄漏率增幅較為明顯。當(dāng)劃痕深度為0.15 mm時(shí)，墊片的L值最小為8.8×10-3mL/s，墊片泄漏率增幅顯著；當(dāng)劃痕深度達(dá)到0.2 mm時(shí)，墊片L值最小為2.1×10-3mL/s，此墊片在介質(zhì)壓力提高至3 MPa時(shí)，L值達(dá)到了0.27 mL/s，墊片密封失效。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)不同介質(zhì)壓力和預(yù)緊應(yīng)力工況下不同尺寸的非石棉墊片進(jìn)行了泄漏率測(cè)試，獲得了非石棉墊片L值與p、SG、墊片尺寸之間的定量關(guān)系。對(duì)現(xiàn)有泄漏率計(jì)算模型進(jìn)行修正，改進(jìn)后模型擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.97，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性。對(duì)含缺陷墊片的泄漏率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，輕微缺陷（劃痕深度小于0.05 mm）對(duì)墊片密封性能影響不大，隨著劃痕深度的增加，墊片密封效果變差。