基于石墨墊片的壓縮回彈特性研究進(jìn)展

殷小明

( 上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062)

0 引言

螺栓法蘭接頭是壓力容器和管道中應(yīng)用最廣泛的一種可拆卸靜密封連接形式，其主要有螺栓、法蘭和墊片組成。其中墊片是控制螺栓法蘭接頭泄露的關(guān)鍵非線性部件，其復(fù)雜的壓縮回彈特性對(duì)設(shè)備的密封性能起著至關(guān)重要的作用，對(duì)墊片的壓縮回彈特性的研究，可減少系統(tǒng)的泄露，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而石墨是一種結(jié)晶形碳的非金屬脆性材料，因其良好的導(dǎo)熱性、腐蝕性、抗輻照、蠕變松弛率低及柔性性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)被用于核電、石油及化工行業(yè)[1～2]，但其本身的強(qiáng)度、塑形及硬度較低，直接用作密封材料無法適應(yīng)高溫及高壓的環(huán)境且易散架，常跟一些金屬材料形成復(fù)合增強(qiáng)板或金屬墊片，石墨墊片常見的分類及型式[3]：①柔性石墨與金屬的復(fù)合板材②柔性石墨復(fù)合于石棉橡膠板兩側(cè)③柔性石墨金屬纏繞墊片④柔性石墨金屬齒形墊片⑤金屬接觸型石墨復(fù)合墊片（帶金屬支撐環(huán)），其中國內(nèi)使用較多的屬于①和③。為了更深入研究石墨墊片的壓縮回彈特性，大量的學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)及理論研究，并獲得一定的成果。

1 研究方法

基于石墨墊片的壓縮回彈特性研究，相關(guān)的學(xué)者主要采用有限元仿真模擬、試驗(yàn)及將兩者結(jié)合的方法，研究了不同結(jié)構(gòu)和類型的石墨墊片、預(yù)緊力大小、溫度及加載（卸載）速率對(duì)其壓縮回彈特性的影響。

1.1 有限元仿真模擬

對(duì)螺栓法蘭連接系統(tǒng)可采用模型主要有面對(duì)稱模型、二維軸對(duì)稱模型、三維及模壓成型有限元模型，石墨墊片采用彈塑性模型、加載段位多線性或者雙線性等向強(qiáng)化模型。大多數(shù)情況下建立模型時(shí)需要對(duì)螺栓法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行簡化，有利于模型的建立及網(wǎng)格的劃分，墊片的壓縮回彈過程可看作兩個(gè)階段: 加載階段（墊片被壓縮），卸載階段（墊片回彈），對(duì)墊片不同的載荷、預(yù)緊力及溫度等進(jìn)行模擬可求解相應(yīng)的結(jié)果并擬合得到曲線進(jìn)行分析。

Jaszak[4]進(jìn)行石墨- 金屬纏繞墊片的壓縮回彈性能有限元模擬研究，采用Blatz-Ko 超彈模型模擬石墨材料，改變金屬帶的截面形狀來降低其表面應(yīng)力優(yōu)化墊片性能。李軍等[5]采用有限元模擬的方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的柔性石墨波齒復(fù)合墊片的壓縮回彈性能進(jìn)行研究討論，驗(yàn)證了波齒深度和波齒數(shù)量對(duì)提高墊片的壓縮回彈性能影響并找到最佳值。有限元仿真模擬的方法用于石墨墊片的壓縮回彈性能研究，在某種程度上，節(jié)省成本，減少不必要的損耗，關(guān)鍵對(duì)其性能可以做一定的預(yù)測，擬合的曲線有助于學(xué)者進(jìn)一步的開發(fā)和應(yīng)用。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)于石墨墊片的壓縮回彈性能研究，大量的學(xué)者也采用試驗(yàn)的方法去驗(yàn)證其性能以便更好的應(yīng)用，試驗(yàn)裝置一般采用專業(yè)的墊片性能測試裝置及配備相關(guān)的儀器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)條件盡可能按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如《核電廠核級(jí)石墨密封墊片試驗(yàn)方法》、B/T12622《管法蘭用墊片壓縮率和回彈量試驗(yàn)方法》及GB/T 19066.3—2003《柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片技術(shù)條件》。為了盡可能讓實(shí)驗(yàn)的結(jié)果準(zhǔn)確，可對(duì)實(shí)驗(yàn)工況采用三因子三水平(Lp(3)4) 或正交試驗(yàn)的方法以減少干擾性。

滕加莊等[6]采用不同寬度平鋼帶設(shè)計(jì)出3 種柔性石墨金屬纏繞墊片，對(duì)其進(jìn)行三因子三水平壓縮回彈性能優(yōu)化試驗(yàn)研究，尋找出影響壓縮回彈特性的重要參數(shù)，找出性能的最佳參數(shù)組合。

陳慶等[7]建立波齒結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，進(jìn)行三因子三水平壓縮- 回彈性能優(yōu)化試驗(yàn)研究，尋找性能最佳影響因素組合。陳冉等[8]試驗(yàn)研究了不同溫度、不同墊片下石墨纏繞墊片的壓縮回彈性能，發(fā)現(xiàn)墊片的回彈量和回彈率具有明顯伴隨溫度上升而上升趨勢，壓縮量和壓縮率略有下降趨勢。

楊書益[9]對(duì)核電用石墨密封墊片的壓縮回彈性能開展試驗(yàn)研究，施加35 MPa 的應(yīng)力載荷，發(fā)現(xiàn)此時(shí)的試驗(yàn)效果較好，為石墨墊片的選取提供了理論依據(jù)。

1.3 模擬及試驗(yàn)結(jié)合的方法

為對(duì)石墨墊片的壓縮回彈性能研究更加準(zhǔn)確及深入，相關(guān)學(xué)者采用有限元仿真模擬及試驗(yàn)結(jié)合的方法，一般先采用有限元仿真模擬分析其結(jié)果并擬合相應(yīng)的曲線，對(duì)曲線進(jìn)行拓展，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律，使其結(jié)果具有更普遍性，其次采用試驗(yàn)的方法對(duì)模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，增強(qiáng)其說服力，同時(shí)也為石墨墊片性能的研究提供另一種途徑。

周先軍等[10]通過正交試驗(yàn)及有限元方法研究了石墨纏繞墊片的壓縮回彈性能，結(jié)果表明石墨纏繞墊片經(jīng)過預(yù)壓縮具有更好的性能。

王琪瑤[11]采用試驗(yàn)及有限元模擬相結(jié)合的方法研究核級(jí)石墨密封片的壓縮回彈特性，在壓縮回彈性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，利用數(shù)據(jù)分析，改進(jìn)了核級(jí)石墨密封墊片壓縮曲線和回彈曲線的解析表達(dá)式，得到方程回歸系數(shù)，從而探究不同因素對(duì)壓縮回彈性能的影響，并建立螺栓- 法蘭- 墊片密封結(jié)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)一步驗(yàn)證了擬合方法得到的壓縮回彈特性的正確性和在工程中的可操作性。

王修慧等[12]以柔性石墨- 不銹鋼金屬纏繞墊片為研究對(duì)象，采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究墊片的壓縮- 回彈性能，結(jié)果表明試驗(yàn)結(jié)果與有限元數(shù)值模擬得到墊片的非線性壓縮- 回彈曲線吻合，并發(fā)現(xiàn)與工程常用的柔性石墨- 不銹鋼金屬纏繞墊片結(jié)構(gòu)相比，減少石墨帶寬度可以在不同程度上提高螺栓法蘭連接系統(tǒng)的密封性能。

2 影響石墨墊片壓縮回彈性能的因素

石墨墊片壓縮回彈性能的可通過壓縮量、壓縮率、回彈量及回彈率來表征。墊片受壓縮應(yīng)力的作用，在初始?jí)嚎s后，其厚度的改變量為其壓縮性，表征了墊片柔軟性的大小，其實(shí)質(zhì)體現(xiàn)了墊片的承載能力強(qiáng)弱，通常在相關(guān)的研究中，用壓縮率表示墊片的承載能力，其公式:

δ0為墊片在總載荷下的壓縮量，mm ； t 為墊片的厚度，mm。

墊片在卸載應(yīng)力后，從被壓縮狀態(tài)恢復(fù)其相應(yīng)厚度的回復(fù)量為其回彈性，表征對(duì)密封面分離后的補(bǔ)償能力，體現(xiàn)了墊片的回彈能力，通常用回彈率表示，其公式：

δ0為墊片在總載荷下的壓縮量，mm，δ1為墊片在卸載后的壓縮量，mm。

影響石墨墊片壓縮回彈特性的因素很多，相關(guān)學(xué)者對(duì)石墨墊片的壓縮回彈特性展開了大量研究，包括不限于研究了不同的結(jié)構(gòu)和類型石墨墊片、預(yù)緊力、溫度及加載（卸載）速率對(duì)壓縮- 回彈性能的影響，可將這些影響因素分為外部因素和內(nèi)部因素，內(nèi)部因素主要有石墨墊片的結(jié)構(gòu)及類型，外部因素包括預(yù)緊力、溫度計(jì)加載（卸載）速率等。

2.1 內(nèi)部因素

墊片的結(jié)構(gòu)及類型也會(huì)影響其壓縮回彈特性，由于石墨本身的強(qiáng)度、塑形及硬度較低，常跟一些金屬材料形成復(fù)合增強(qiáng)板或金屬墊片，而石墨復(fù)合墊片的結(jié)構(gòu)和類型本身的內(nèi)部因素對(duì)其壓縮回彈性能產(chǎn)生較大的影響。

李多民等[13]試驗(yàn)研究了三種不同結(jié)構(gòu)尺寸的石墨金屬波齒復(fù)合墊片在常溫下的壓縮回彈性能，并測得壓縮回彈性能曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，墊片的厚度、外徑及內(nèi)徑影響其壓縮回彈性能且發(fā)現(xiàn)波齒復(fù)合墊片的壓縮率及回彈率滿足設(shè)備對(duì)密封的要求。

劉華等[14]通過有限元分析和模擬對(duì)石墨波齒復(fù)合墊片的壓縮回彈性能進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)在相同的波深下，隨著波齒距的增大，其壓縮率相應(yīng)增大，而回彈率卻相應(yīng)減少。

勵(lì)行根等[15]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)石墨墊片的壓縮回彈特性受石墨的裝配密度、容積及壓縮厚度等因素影響，在相同外部條件下，裝配密度越大，壓縮率越??；容積越大的石墨環(huán)，其儲(chǔ)存的彈性性能越多，回彈性能更好。周期律[16]對(duì)核級(jí)石墨密封墊片進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)墊片的壓縮量同樣保持與墊片通徑大小的正相關(guān)性，壓縮率明顯隨著通徑的增大而增大，其回彈特性也更好。

針對(duì)石墨墊片的內(nèi)部因素對(duì)其壓縮回彈性能影響，除了石墨本身的裝配密度、容積及壓縮厚度等有關(guān)，還有石墨墊片的幾何尺寸，如通徑及復(fù)合墊片的形狀，但目前的研究需要更深入，尋找出最佳的組合以在工程中應(yīng)用更廣。

2.2 外部因素

溫度、加載（卸載）速率及載荷等也會(huì)影響石墨墊片的壓縮回彈性能，從而影響其密封特性，石墨墊片在工程設(shè)備中應(yīng)用的范圍廣，有時(shí)使用環(huán)境惡劣，研究外部因素對(duì)其性能的影響十分有必要。

賈曉紅等[17]仿真及試驗(yàn)研究了核電極柔性石墨復(fù)合墊片的壓縮回彈特性，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性，并發(fā)現(xiàn)加載過程接觸應(yīng)力的大小和分布特性可以作為確定預(yù)緊力大小的依據(jù)，在保證接觸剛度足夠的情況選擇盡可能小的預(yù)緊力。

周期律[16]研究了石墨密封墊片的循環(huán)壓縮回彈性能，從試驗(yàn)加卸載速率及試驗(yàn)溫度對(duì)其性能進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。分析常溫下，三種加卸載速率 0.25 MPa/s、0.50 MPa/s、1.00 MPa/s 對(duì)石墨密封墊片性能的影響，發(fā)現(xiàn)墊片的回彈性能在常溫下主要受最大壓縮量的影響，溫度對(duì)墊片的壓縮回彈性能有顯著的影響，高溫下墊片更容易累積變形。

王琪瑤等[18]研究了加載方式及工作溫度對(duì)核級(jí)石墨密封墊片壓縮回彈性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)分級(jí)加載的加載方式使得墊片的最大壓縮量明顯提升，而墊片的回彈率大幅下降，因此，核級(jí)石墨密封墊片更適合采用一次性加載或少量分級(jí)加載的方式施加載荷，在高溫環(huán)境下，墊片具有較好的壓縮回彈性能，溫度的升高使得墊片的石墨密封環(huán)發(fā)生軟化。

楊書益等[19]試驗(yàn)研究了在常溫環(huán)境中不同應(yīng)力水平對(duì)石墨密封墊片的壓縮回彈性能的影響，鑒于墊片發(fā)生金屬與金屬接觸的門檻應(yīng)力，得出35 MPa 的試驗(yàn)應(yīng)力較適合核級(jí)石墨密封墊片的特點(diǎn)。

范淑玲[20]研究了石墨密封墊片在室溫和高溫下的壓縮回彈性能，發(fā)現(xiàn)在金屬與金屬接觸后，不同溫度下墊片的壓縮回彈曲線比較接近，說明石墨墊片的壓縮回彈性能受溫度的影響較小，墊片的高溫性能比較穩(wěn)定，主要由于金屬支撐，可以耐受更高的溫度。

從相關(guān)的學(xué)者研究中，可以發(fā)現(xiàn)溫度、預(yù)緊力及加載（卸載）速度對(duì)石墨墊片的壓縮回彈性能產(chǎn)生影響，從而影響其密封特性，且受石墨墊片的形狀、復(fù)合墊片的類型及應(yīng)用場合等原因，在使用時(shí)都存在一個(gè)最佳的使用工況，使其具有更好的壓縮率及回彈率，表現(xiàn)更好的性能。

3 結(jié)論

石墨墊片的壓縮回彈性能對(duì)其密封性能起至關(guān)重要的作用，其主要通過壓縮率及回彈率來表征。通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)石墨墊片的壓縮回彈性能的研究主要采用試驗(yàn)、有限元仿真模擬及試驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法，模擬預(yù)測石墨墊片的性能，擬合性能曲線，試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，增強(qiáng)說服力。影響石墨墊片的壓縮回彈性能的因素很多，將其分為外部因素和內(nèi)部因素，具體分析了石墨墊片的壓縮回彈特性的因素及機(jī)理，且提出了未來的研究方向。