柔性石墨金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)密封墊片研究進(jìn)展

樊志斌，張雷，袁奕琳，李寧波，戴宵宵，呂賢明，賈飛

(1.中國機(jī)械總院集團(tuán)寧波智能機(jī)床研究院有限公司，浙江 寧波 315700；2.中國機(jī)械科學(xué)研究總院南方中心，浙江 寧波 315700；3.寧波易天地信遠(yuǎn)密封技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315700)

0 引言

近年來，法蘭密封結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在設(shè)備連接、管道連接之中，法蘭安全可靠性會對設(shè)備運(yùn)行安全性產(chǎn)生直接影響。在設(shè)備運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)異常變化時，法蘭密封結(jié)構(gòu)的安全可靠性面臨著比較大的挑戰(zhàn)。因此，在航空航天、核工業(yè)、石油化工、電站等行業(yè)，對高溫、高壓苛刻使用條件下的密封泄漏率等性能要求極高。

密封元件主要包括法蘭以及螺栓等，墊片性能也會對設(shè)備連接的可靠性產(chǎn)生影響[1-3]。柔性石墨因其高耐候、抗輻射和良好的自潤滑性而得到廣泛應(yīng)用，被譽(yù)為“當(dāng)代密封之王”。但由于柔性石墨的多孔性、吸油性、低強(qiáng)度等缺點(diǎn)導(dǎo)致服役中易出現(xiàn)壓潰、散架狀況，制約了該材料的應(yīng)用推廣和范圍。柔性石墨金屬復(fù)合材料兼具石墨和金屬兩者的優(yōu)異性能，能夠形成多道密封，逐漸成為航空航天、石油、化工、汽車、核電等領(lǐng)域極端工況下應(yīng)用頻率比較高的密封材料。

1 柔性石墨金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)密封墊片研究現(xiàn)狀

1.1 柔性石墨材料

作為一種新型的功能性碳素材料，柔性石墨于20 世紀(jì)60 年代由美國聯(lián)合碳化物公司發(fā)明制造。柔性石墨以天然鱗片石墨為原料，利用石墨的層狀結(jié)構(gòu)，在適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件下，將插層劑插入到鱗片石墨內(nèi)部，形成具有新的層間性質(zhì)且沒有破壞石墨層狀結(jié)構(gòu)的石墨層間化合物，經(jīng)過高溫、膨化制成膨脹石墨，最后再經(jīng)過模壓形成[4-5]。

1.2 柔性石墨密封結(jié)構(gòu)

柔性石墨密封性能雖然很好，但由于柔性石墨的多孔性、吸油性、低強(qiáng)度等缺點(diǎn)導(dǎo)致服役中易出現(xiàn)壓潰、散架狀況，制約了該材料的應(yīng)用推廣。柔性石墨復(fù)合材料兼具石墨和金屬兩者的優(yōu)異性能，能夠形成多道密封，逐漸成為石油、化工、汽車、核電等領(lǐng)域極端工況下首選密封材料。目前，復(fù)合結(jié)構(gòu)形式主要包括三類：第一類，柔性石墨金屬纏繞墊片；第二類，柔性金屬波齒復(fù)合墊片；第三類，金屬接觸型石墨墊片。

1.2.1 柔性石墨金屬纏繞墊片

在應(yīng)用金屬纏繞式墊片的時候，一般需要通過纏繞的方式將金屬、非金屬纏繞帶采取交替纏繞方式，在密封面上搭配使用金屬內(nèi)環(huán)、金屬外環(huán)，可以順利組成復(fù)合墊片。金屬纏繞式墊片中的填充帶主要以柔性石墨材料為主，又可以被稱之為柔性金屬纏繞墊片，應(yīng)用優(yōu)勢在于比較柔軟、密封性比較強(qiáng)，回彈能力比較強(qiáng)，密封效果比較好、吸收壓力比較大，屬于金屬纏繞片中使用頻率比較高的墊片。柔性石墨金屬纏繞墊片如圖1 所示。

圖1 柔性石墨金屬纏繞墊片

一些科研人員對石墨纏繞墊片開展了大量的研究，研究側(cè)重點(diǎn)主要聚焦在墊片密封性能、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。密封墊片的主要性能包括力學(xué)性能(壓縮性能、回彈性能、應(yīng)力松弛性能)和密封性能。陳慶等[6-8]在研究流體莫風(fēng)技術(shù)以及V 形結(jié)構(gòu)纏繞墊片時，應(yīng)該先創(chuàng)建好力學(xué)模型，在完善好力學(xué)分析工作以后，應(yīng)當(dāng)使用優(yōu)化試驗方式，重點(diǎn)研究W 形柔性石墨墊片的密封效果，尋找出會對墊片密封性能產(chǎn)生直接影響的因素。顧伯勤等[9]試驗分析了柔性石墨填充纏繞式墊片具備的壓縮回彈能力、蠕變能力、密封能力，借助回歸分析方式可以順利獲得墊片高溫性能表達(dá)式。陳冉等[10]試驗分析各種墊片在不同溫度下石墨纏繞墊具備的壓縮回彈能力。王修慧等[11]將石墨不銹鋼金屬纏繞墊片視為主要研究對象，綜合運(yùn)用試驗以及數(shù)值模擬方式，重點(diǎn)分析墊片的壓縮性能、回彈能力，使用墊片外緣位置最小壓應(yīng)力作為主要指標(biāo)，用來研究螺栓法蘭的密封效果。

1.2.2 柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片

柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的構(gòu)成部分包括柔性石墨以及金屬骨架，若是按照結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，可以將其分類為基本型柔性石墨墊片、帶定位環(huán)型復(fù)合墊片、帶隔條型復(fù)合墊片。柔性石墨復(fù)合墊片中的金屬骨架主要會發(fā)揮出支撐作用，在螺栓、法蘭位置施加一定的預(yù)緊力，柔性石墨會漸漸地被壓入到骨架以及法蘭的溝槽位置，此時金屬骨架中的齒尖會和法蘭產(chǎn)生直接接觸，在繼續(xù)進(jìn)行壓縮處理時，金屬骨架將會出現(xiàn)彈性變形，柔性石墨處在不斷被壓縮處理的狀態(tài)，能夠?qū)饘俸头ㄌm之間的環(huán)形空間進(jìn)行密封處理，從而順利形成融合運(yùn)用金屬材料以及柔性石墨的多重密封。柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片如圖2 所示。

圖2 柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片

在研究柔性石墨波齒復(fù)合墊片的時候，大都會使用有限元模擬分析方式、試驗分析方式，對墊片的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及力學(xué)性能展開全面分析。在有限元模擬分析時，謝蘇江等[12]重點(diǎn)研究了石墨復(fù)合墊片的結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)性能、墊片實(shí)際使用情況，使用不銹鋼材料制造的波齒復(fù)合墊片金屬骨架的波齒間距可以處在3～5 mm 之間，需要運(yùn)用厚度達(dá)到1.3 mm 的柔性金屬，這種復(fù)合墊片的力學(xué)性能比較好、壓縮回彈能力比較強(qiáng)。楊棟君等[13]使用ABAQUS 軟件可以分別對梯形波齒墊片、V 形波齒墊片、波紋波齒墊片和圓弧形波齒墊片展開深入分析，分別研究這四種墊片的齒深、齒厚、載荷變形特點(diǎn)。陳慶等[14-15]在展開有限元應(yīng)力分析時，需要對結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異性的柔性石墨復(fù)合墊片展開壓縮回彈性能試驗。羅偉[16]著重研究金屬骨架厚度對復(fù)合墊片回彈能力產(chǎn)生的影響，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)墊片金屬骨架在厚度處在2.0～2.5 mm 時，圓弧半徑處在3 mm 時，波齒深度達(dá)到1.2 mm 時，墊片具有的回彈性能相對比較好。

在試驗分析方面，桑聰?shù)萚17]研究了疲勞載荷下柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊的力學(xué)性能和蠕變性能，通過計算壓縮模量和卸載模量分析了其壓縮回彈特性，探索了蠕變-疲勞的交互作用對墊片的影響。

1.2.3 金屬接觸型石墨墊片

金屬接觸型石墨墊片主要制造材料是性能比較高的柔性石墨材料，直接將柔性石墨材料置于凹凸型模具中，在加工成型以后，可以將石墨環(huán)嵌入在不銹鋼環(huán)內(nèi)，能夠順利制造出密封墊片。在規(guī)劃設(shè)計這種墊片時，將內(nèi)外環(huán)或是金屬環(huán)視為限位環(huán)，如圖3 所示，即墊片結(jié)構(gòu)構(gòu)成情況。在螺栓預(yù)緊載荷影響下，上下位置的法蘭會和金屬出現(xiàn)直接接觸，會制約石墨環(huán)的壓縮效果。金屬環(huán)主要通過吸收管件、熱震載荷產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力來提升墊片密封效果，這類墊片適合運(yùn)用在存在溫度波動、壓力波動變化的場地之中，有助于進(jìn)一步提高法蘭接頭的可靠性以及密封效果。

圖3 金屬接觸型石墨墊片

國內(nèi)外雖然針對金屬接觸型石墨墊片展開了大量的試驗研究，但是研究主要聚焦在墊片的力學(xué)性能方面。范淑玲等[18]重點(diǎn)研究金屬接觸型石墨密封墊片在高溫環(huán)境下具有的力學(xué)性能，主要研究了這種墊片具備的壓縮能力、回彈能力、蠕變松弛能力，能夠順利獲得墊片力學(xué)性能曲線、石墨墊片在不同溫度下接觸金屬時產(chǎn)生的接觸應(yīng)力。王琪瑤[19]主要將研究側(cè)重點(diǎn)置于墊片壓縮回彈能力方面，通過對比分析壓縮回彈曲線以及墊片壓縮率、墊片回彈率，能夠確定溫度、尺寸對金屬石墨墊片壓縮回彈能力產(chǎn)生的影響。楊書益[20]通過試驗分析發(fā)現(xiàn)，將應(yīng)力載荷控制為35 MPa 時進(jìn)行壓縮回彈試驗以及應(yīng)力松弛試驗時，墊片應(yīng)用效果最好。

2 結(jié)語

在我國石化領(lǐng)域、核電領(lǐng)域發(fā)展水平不斷提高的背景下，受到環(huán)境因素、能源因素的限制性影響，對大型工業(yè)設(shè)備的安全穩(wěn)定性要求比較高。目前，柔性石墨已經(jīng)成為密封處理時應(yīng)用的主要墊片，但是一些應(yīng)用問題也逐漸暴露出來。盡管我國具備豐富的煤礦資源，但是存在很多低質(zhì)量的石墨礦，在將石墨礦作為原料制備純度比較高的石墨密封材料時，制備難度比較大，將會制約石墨墊片發(fā)展水平的提升。因此，相關(guān)研究人員應(yīng)提高對柔性石墨復(fù)合墊片的研究力度，分別研究各種柔性石墨復(fù)合墊片的力學(xué)性能，按需選用最為合適的復(fù)合墊片使用，進(jìn)一步提高石墨復(fù)合墊片結(jié)構(gòu)連接位置的密封效果和連接效果。