柔性石墨金屬齒形墊和纏繞墊力學(xué)及密封性能試驗對比研究

王 璐,王 冰,薛吉林,陶家輝

(1.合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031；2.國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥 230031)

0 引言

柔性石墨金屬齒形墊和纏繞墊均是由柔性石墨和金屬復(fù)合而成的金屬-非金屬復(fù)合墊片。柔性石墨纏繞墊是由柔性石墨和金屬帶交替纏繞而成，是石化裝置設(shè)備及管道法蘭密封結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣的墊片型式[1]。目前纏繞墊片存在的主要問題是，當(dāng)墊片無內(nèi)部加強環(huán)時，纏繞部分容易向內(nèi)徑方向失穩(wěn)，從而導(dǎo)致泄漏[2-4]；此外，大尺寸的纏繞墊在運輸和安裝時容易發(fā)生散架。柔性石墨金屬齒形墊片是由具有同心鋸齒狀的金屬骨架和柔性石墨覆層材料組合而成。相較于纏繞墊片，金屬齒形墊片具有更高的抗壓強度以及在較小的墊片表面壓力下實現(xiàn)良好密封效果等優(yōu)點[5-6]；加之其整體加工的金屬骨架，使得該類墊片結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，在大尺寸墊片的搬運和安裝時不易發(fā)生散架。近年來，金屬齒形墊片在石化裝置中的應(yīng)用越來越廣泛，目前國外許多國家已經(jīng)采用它來代替柔性石墨纏繞墊片[7]。

國內(nèi)部分學(xué)者開展了柔性石墨金屬齒形墊片的力學(xué)及密封性能相關(guān)研究工作。梁瑞等[8]通過試驗與數(shù)值模擬研究了該類墊片在常溫下的壓縮回彈性能，對比了不同金屬骨架材料對壓縮回彈性能的影響。孔慈宇等[9]通過對不同尺寸的墊片泄漏率試驗，獲得了該類墊片泄漏率與預(yù)緊應(yīng)力、介質(zhì)壓力和墊片尺寸的關(guān)系，建立了泄漏率預(yù)測模型。姜峰等[10]采用正交試驗設(shè)計和有限元模擬方法，對比分析了柔性石墨纏繞墊片和柔性石墨金屬齒形墊片密封影響因素，為更加合理使用此兩種墊片提供依據(jù)和參考。賈丙中[11]研究了柔性石墨金屬齒形墊在不同結(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。盡管上述研究工作對了解該類墊片的性能提供了一定的幫助，但對墊片力學(xué)和密封性能研究尚不夠深入，尤其缺少柔性石墨金屬齒形墊和纏繞墊片詳細(xì)的性能試驗數(shù)據(jù)對比，使得工程人員難以對兩類墊片進(jìn)行選擇；加之現(xiàn)行的ASME Ⅷ規(guī)范和我國的GB/T 150—2011《壓力容器》中均未給出此類墊片推薦的墊片預(yù)緊比壓y和墊片系數(shù)m值，也給法蘭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了困擾。

本文通過試驗研究柔性石墨金屬齒形墊和纏繞墊的壓縮回彈及密封性能，對比分析兩種類型墊片的壓縮回彈曲線、回彈模量以及加載/卸載過程中墊片的泄漏率與墊片表面壓力的關(guān)系，試驗測得墊片預(yù)緊比壓y和墊片系數(shù)m，可為工程人員進(jìn)行墊片選型和法蘭設(shè)計計算提供依據(jù)。

1 試驗墊片及裝置

1.1 試驗墊片

試驗所用柔性石墨金屬齒形墊和纏繞墊的材料均為柔性石墨+316L不銹鋼，由寧波某密封件公司生產(chǎn)。金屬齒形墊為帶整體對中環(huán)型，墊片公稱直徑為DN80，公稱壓力為Class 300，墊片尺寸見表1；纏繞墊為帶內(nèi)環(huán)和定位環(huán)型，金屬帶結(jié)構(gòu)型式為V形，墊片公稱直徑為DN80，公稱壓力為Class 300，墊片尺寸見表2。試驗墊片的結(jié)構(gòu)型式和實物圖如圖1所示。

表1 柔性石墨金屬齒形墊結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Dimensions of flexible graphite serrated metal gasket

表2 柔性石墨纏繞墊結(jié)構(gòu)尺寸Tab.2 Dimensions of flexible graphite spiral wound gasket

(a)柔性石墨纏繞墊

1.2 試驗裝置

墊片力學(xué)性能、密封性能和墊片參數(shù)的試驗測試均在自主研制的墊片綜合性能試驗裝置上進(jìn)行，試驗裝置結(jié)構(gòu)和實物圖分別見圖2,3。該試驗裝置包括墊片加載系統(tǒng)、剛性模擬法蘭、介質(zhì)供給系統(tǒng)、變形測量系統(tǒng)、泄漏率測量系統(tǒng)。墊片載荷由電液伺服萬能試驗機提供，最大壓緊載荷2 000 kN。剛性模擬法蘭滿足GB/T 12385—2008《管法蘭用墊片密封性能試驗方法》的要求，法蘭外徑為200 mm。試驗介質(zhì)由高壓氣瓶提供，最高介質(zhì)壓力10 MPa。墊片變形測量由安裝在剛性模擬法蘭上的3個光柵位移傳感器(沿周向均勻布置)測量，最小分辨率為1 μm。

圖2 試驗裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of test rig

圖3 試驗裝置實物圖Fig.3 Physical picture of test rig

墊片泄漏率的測量可采用壓降法或氦質(zhì)譜真空檢漏法。當(dāng)介質(zhì)氣體為氮氣時，采用壓降法測量泄漏率；當(dāng)介質(zhì)氣體為氦氣時，采用壓降法和氦質(zhì)譜真空檢漏法相結(jié)合，可擴大泄漏率的測量范圍。當(dāng)采用壓降法測量泄漏率時，主要通過測量差壓傳感器的示值，根據(jù)氣體狀態(tài)方程計算泄漏率，差壓傳感器量程為500 kPa,最小分辨率為0.08 kPa;泄漏率測量范圍(測漏時間不超過1 h)為10～10-5cm3/s。氦質(zhì)譜真空檢漏法的泄漏率測量范圍為10-2～10-11cm3/s。

采用通道型真空標(biāo)準(zhǔn)漏孔對試驗裝置泄漏率測量系統(tǒng)的精度進(jìn)行分析，標(biāo)準(zhǔn)漏孔如圖4所示。經(jīng)分析，該裝置中采用差壓傳感器測量泄漏率的精度為±16.3%，采用氦質(zhì)譜真空檢漏法測量泄漏率的精度為±2.3%，兩種測量方法精度均小于ASTM F2836中規(guī)定的±25%。

圖4 通道型真空標(biāo)準(zhǔn)漏孔Fig.4 Channel type vacuum standard leak

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 壓縮-回彈性能試驗及結(jié)果分析

墊片壓縮-回彈性能試驗主要測量加載/卸載過程中的墊片表面壓力-變形曲線和卸載過程中的回彈模量。加載時，墊片初始表面壓力1 MPa，最大表面壓力160 MPa，加載速率為0.5 MPa/s。卸載時，墊片分別從20,40,60,80,100,120,140,160 MPa八個墊片表面壓力等級開始卸載，然后按0.5 MPa/s的速率卸載至初始表面壓力1 MPa。

2.1.1 壓縮特性

圖5示出柔性石墨金屬齒形墊和纏繞墊在加載過程中墊片表面壓力與墊片變形量之間的關(guān)系曲線。可以看出，金屬齒形墊片的壓縮曲線可大致分為3個階段：當(dāng)墊片表面壓力較小(小于17 MPa)時，加載曲線基本呈線性且斜率較小，表明墊片易產(chǎn)生壓縮變形，此階段主要是柔性石墨覆層的變形；隨墊片表面壓力的增加，加載曲線的斜率迅速增加，此階段的變形主要是柔性石墨和金屬齒尖的塑性變形；當(dāng)墊片表面壓力超過一定值(試樣1約為40 MPa，試樣2約為50 MPa)時，加載曲線呈線性且斜率不再增加，墊片較難產(chǎn)生壓縮變形，此階段主要是金屬骨架的彈性變形，但同時齒尖塑性變形也在增加。柔性石墨纏繞墊的加載曲線雖然也存在拐點，但拐點不明顯，且拐點對應(yīng)的墊片表面壓力大于金屬齒形墊。

圖5 柔性石墨金屬齒形墊和纏繞墊壓縮曲線Fig.5 Compression curves of flexible graphite serrated metal gasket and spiral wound gasket

對比兩種類型墊片加載曲線可知，在墊片表面壓力相對較小時，金屬齒形墊較纏繞墊更易產(chǎn)生壓縮變形；但隨著墊片表面壓力的增加，纏繞墊更易產(chǎn)生壓縮變形。

2.1.2 回彈特性

法蘭密封結(jié)構(gòu)在完成初始預(yù)緊后，由于操作介質(zhì)壓力、外加載荷及熱載荷等作用，法蘭密封面會發(fā)生相對的分離，墊片必須要有足夠的回彈以彌補法蘭密封面的分離。墊片的回彈性能直接影響操作工況下法蘭密封結(jié)構(gòu)的性能。圖6示出柔性石墨金屬齒形墊和纏繞墊在不同初始表面壓力下的卸載曲線。對兩種類型墊片，隨著墊片初始表面壓力的增大，回彈曲線的斜率越大，表明回彈性能越差；相同的初始墊片表面壓力下，金屬齒形墊卸載曲線的斜率大于纏繞墊，表明金屬齒形墊的回彈性能較纏繞墊更差。

(a)柔性石墨金屬齒形墊

回彈模量的大小反映卸載過程中墊片表面壓力的改變程度，即墊片彈性模量越小，相同回彈量下墊片應(yīng)力削弱越小，進(jìn)而彌補密封結(jié)構(gòu)因載荷波動、溫度變化等引起的瞬時墊片壓緊力不足[12]。為定量分析墊片回彈特性，按照EN 13555—2014中的方法計算不同初始表面壓力下兩種類型墊片的回彈模量，結(jié)果見圖7?？梢钥闯觯瑑煞N類型墊片的回彈模量均隨墊片初始表面壓力的增大而增大，齒形墊的回彈模量要遠(yuǎn)大于纏繞墊。

圖7 墊片回彈模量隨初始墊片表面壓力的變化曲線Fig.7 Variations of gasket unloading modulus of elasticity versus initial gasket surface pressure

2.2 密封性能試驗及結(jié)果分析

墊片密封性能試驗主要測量墊片加載/卸載過程中,不同墊片表面壓力對應(yīng)的泄漏率大小。試驗過程中，墊片加載/卸載速率均為0.5 MPa/s，試驗介質(zhì)為氦氣，試驗介質(zhì)壓力分別為2,4 MPa。

介質(zhì)壓力為4 MPa時，兩種類型墊片在加載過程中，泄漏率隨墊片有效表面壓力的變化關(guān)系曲線如圖8所示。兩種墊片的泄漏率均隨著墊片表面壓力的增大而減小，當(dāng)墊片表面壓力較小時，泄漏率的減小較為明顯；而隨著墊片表面壓力的增大，泄漏率的減小趨勢變得緩慢。相同的墊片表面壓力下，金屬齒形墊的密封性能要優(yōu)于纏繞墊，且隨著墊片表面壓力的增加，這一現(xiàn)象更加顯著。金屬齒形墊片在較小的墊片表面壓力下也可以實現(xiàn)良好的密封，其主要原因是齒形的金屬骨架結(jié)構(gòu)可以在密封面上形成多條同心圓狀的線密封，即使較小的壓縮載荷也可以在齒頂部位的石墨處產(chǎn)生較高的密封比壓。

圖8 介質(zhì)壓力4 MPa時，加載過程中泄漏率隨墊片有效表面壓力的變化關(guān)系曲線Fig.8 Variations of leakage rate with effective gasket surface pressure in loading process when the medium is at 4 MPa

圖9示出介質(zhì)壓力2 MPa時，兩種類型墊片在加載/卸載過程中泄漏率隨墊片有效表面壓力的變化關(guān)系曲線。加載過程中，兩種墊片泄漏率的變化趨勢與4 MPa介質(zhì)壓力時的變化趨勢基本一致;卸載過程中，兩種墊片的卸載曲線位于加載曲線下方，說明相同的墊片壓力下，卸載過程的泄漏率低于加載過程。對比加載/卸載過程中兩種類型墊片的泄漏率曲線可以發(fā)現(xiàn)，金屬齒形墊的卸載曲線與加載曲線比較接近，主要原因是由于金屬齒形墊的回彈模量較大造成的。

圖9 介質(zhì)壓力2 MPa時，加載/卸載過程中泄漏率隨墊片有效表面壓力的變化關(guān)系曲線Fig.9 Variations of leakage rate with effective gasket surface pressure in loading/unloading process when the medium is at 2 MPa

2.3 預(yù)緊比壓y和墊片系數(shù)m試驗結(jié)果及分析

壓力容器設(shè)計規(guī)范ASME Ⅷ和GB/T 150—2011在進(jìn)行法蘭設(shè)計時給出了工程上常用墊片類型的預(yù)緊比壓y和墊片系數(shù)m的推薦值，但這些推薦值是基于經(jīng)驗給出的，既沒有標(biāo)準(zhǔn)的試驗測試方法，也未與泄漏率相關(guān)聯(lián)。為解決這一問題，以美國PVRC為代表的國外機構(gòu)開展了大量研究，提出了新的基于泄漏率的墊片設(shè)計參數(shù)和法蘭設(shè)計方法。盡管該方法已被ASTM所采納形成標(biāo)準(zhǔn)，但是由于相應(yīng)的法蘭設(shè)計方法仍然未被ASME Ⅷ所接受，故目前的法蘭設(shè)計仍然采用傳統(tǒng)的方法。

隨著許多新型密封墊片(如柔性石墨金屬齒形墊)的工程應(yīng)用，如何獲得這些新型墊片的預(yù)緊比壓y和墊片系數(shù)m成為工程上要解決的問題。目前，國外主要依據(jù)ASTM F3149標(biāo)準(zhǔn)中的試驗方法，該標(biāo)準(zhǔn)在測定預(yù)緊比壓y時，試驗介質(zhì)壓力為0.014 MPa，墊片應(yīng)力從小到大以一定的數(shù)值逐級加載，測量每一級墊片應(yīng)力下的泄漏率，直至無法測量；在測定墊片系數(shù)m時，試驗介質(zhì)壓力為2 MPa，墊片應(yīng)力從大到小以一定的數(shù)值逐級卸載，測量每一級墊片應(yīng)力下的泄漏率，直至無法測量。根據(jù)試驗結(jié)果分別計算墊片預(yù)緊比壓y和墊片系數(shù)m值，繪制相應(yīng)曲線。y和m的取值準(zhǔn)則是基于設(shè)計要求的最大允許泄漏率或者泄漏率基本不再降低時對應(yīng)的y和m值。

為更好比較柔性石墨金屬齒形墊和纏繞墊的性能，按照ASTM F3149標(biāo)準(zhǔn)中的試驗方法分別測得兩種墊片的泄漏率隨預(yù)緊比壓y和墊片系數(shù)m的變化曲線，如圖10，11所示。圖10示出兩種墊片的泄漏率隨預(yù)緊比壓y的變化關(guān)系。依據(jù)ASTM F3149規(guī)定，預(yù)緊比壓y取墊片泄漏率為5.58×10-7cm3/(s·mm)時的對應(yīng)值，故柔性石墨金屬齒形墊的預(yù)緊比壓y=24.3 MPa，纏繞墊預(yù)緊比壓y大于齒形墊，為40.1 MPa。

圖10 泄漏率隨墊片預(yù)緊比壓y的變化關(guān)系曲線Fig.10 Variations of leakage rate with gasket yield factor y

圖11示出柔性石墨金屬齒形墊和纏繞墊的泄漏率隨墊片系數(shù)m的變化關(guān)系。泄漏率較小時，齒形墊的墊片系數(shù)m小于纏繞墊；泄漏率較大時，齒形墊的墊片系數(shù)m要略大于纏繞墊。依據(jù)ASTM F3149標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，墊片系數(shù)m取墊片泄漏率為5.58×10-5cm3/(s·mm)時對應(yīng)的值，故柔性石墨金屬齒形墊的墊片系數(shù)m=8.2，纏繞墊的墊片系數(shù)m=6.7。

圖11 泄漏率隨墊片系數(shù)m的變化關(guān)系曲線Fig.11 Variations of leakage rate with gasket maintenance factor m

ASME Ⅷ規(guī)范和GB/T 150—2011中推薦的柔性石墨纏繞墊的預(yù)緊比壓y=69 MPa，墊片系數(shù)m=3，對比可以發(fā)現(xiàn)，ASTM F3149試驗測得的y偏小，而墊片系數(shù)m偏大。造成這一問題的主要原因在于，ASTM F3149中測量y時，介質(zhì)壓力僅為0.014 MPa，故測得的泄漏率偏小，導(dǎo)致y值偏小；而預(yù)緊比壓y和墊片系數(shù)m之間是相互關(guān)聯(lián)的，預(yù)緊比壓y越小，則所需的墊片系數(shù)m越大。盡管ASME Ⅷ規(guī)范和GB/T 150—2011中推薦的預(yù)緊比壓y和墊片系數(shù)m是經(jīng)驗值，但是大量的工程實踐已證明了其正確性。因此，參考柔性石墨纏繞墊，推薦的柔性石墨金屬齒形墊的預(yù)緊比壓y大于試驗測試值，建議y取40～50 MPa；墊片系數(shù)m小于試驗測試值，建議m取3～4。

3 結(jié)論

(1)柔性石墨金屬齒形墊和纏繞墊的加載曲線均存在拐點，但齒形墊的拐點較為明顯且拐點對應(yīng)的墊片表面壓力小于金屬纏繞墊；當(dāng)墊片表面壓力相對較小時，齒形墊較纏繞墊更易產(chǎn)生壓縮變形；但當(dāng)墊片表面壓力較大時，纏繞墊更易產(chǎn)生壓縮變形。兩種墊片的回彈模量均隨墊片初始表面壓力的增大而增大；相同的初始墊片表面壓力下，齒形墊的回彈模量要遠(yuǎn)大于纏繞墊，表明金屬齒形墊的回彈性能較纏繞墊更差。

(2)兩種墊片的泄漏率均隨著墊片表面壓力的增大而減??；當(dāng)墊片表面壓力較小時，泄漏率的變化較為明顯，當(dāng)墊片表面壓力增大到一定值時，泄漏率的減小變得緩慢；墊片表面壓力較小時，相同的墊片表面壓力下兩種墊片泄漏率相差不大，當(dāng)墊片表面壓力較大時，齒形墊的密封性能要優(yōu)于纏繞墊。

(3)依據(jù)ASTM F3149標(biāo)準(zhǔn)測得的柔性石墨金屬齒形墊的預(yù)緊比壓y小于纏繞墊，墊片系數(shù)m略大于纏繞墊；對柔性石墨金屬齒形墊，推薦的預(yù)緊比壓y為40～50 MPa，墊片系數(shù)m為3～4。