新型梯形波齒復(fù)合墊片的密封性能研究

根據(jù)據(jù)統(tǒng)計，在過去10年日本石油公司發(fā)生的70%多起火災(zāi)中，密封失敗導(dǎo)致的介質(zhì)泄漏超過10個。因此,要保證煉油廠眾多的連接點密封可靠,避免發(fā)生事故,選擇性能合適的墊片是至關(guān)重要的。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看,對密封元件進行新結(jié)構(gòu)和新材料的開發(fā)研究是改善密封性能和密封效果最直接、最有效的2個途徑。波齒墊片是20世紀90年代出現(xiàn)的新型法蘭密封墊片,它是以金屬波齒環(huán)為骨架,以柔性石墨覆層為密封面構(gòu)成的復(fù)合式墊片。由于柔性石墨覆層本身作為密封面具有優(yōu)良的密封性能,而金屬波齒環(huán)相當(dāng)于彈性元件又具有多道密封作用,因而波齒復(fù)合墊片密封效果良好。波齒墊片的一體化結(jié)構(gòu)克服了纏繞式墊片易于散架和壓潰的缺點,便于安裝、定位及運輸,已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。作者在試驗的基礎(chǔ)上,對新型結(jié)構(gòu)的梯形波齒墊片進行了深入研究和分析。結(jié)果證明,該梯形墊片具有優(yōu)良的力學(xué)性能和密封性能,是1種非常合理的墊片結(jié)構(gòu)。1結(jié)構(gòu)與分析1.1波齒復(fù)合墊片結(jié)構(gòu)設(shè)計墊片密封的基本原理是當(dāng)介質(zhì)通過密封口的阻力大于密封元件兩側(cè)的介質(zhì)壓力差時,介質(zhì)就被密封住。因此,要保證墊片具有良好的密封性,必須具有適宜的壓縮性能和足夠的回彈性能。金屬骨架的材質(zhì)及其結(jié)構(gòu)型式是影響波齒復(fù)合墊片壓縮回彈性能的主要因素。試驗用墊片為不銹鋼骨架,結(jié)構(gòu)見圖1。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為:墊片內(nèi)徑D1=89mm,墊片外徑D2=138mm,墊片厚度δ=4.97mm。為使骨架具有足夠的剛性,能及時地釋放或儲存溫度壓力波動時所引起的彈性變形能,基于材料力學(xué)和彈塑性力學(xué)原理,波齒結(jié)構(gòu)設(shè)計為梯形,見圖2。主要參數(shù)有波齒距B、齒頂寬b、梯形頂角α、波谷深h和波谷底圓直徑等。1.2波齒的彎曲強度工作時,螺栓載荷和介質(zhì)壓力作用于墊片的密封面上,墊片產(chǎn)生的變形包括壓縮變形和骨架的撓曲變形。如取1個波齒為研究對象,可視其為中部一定寬度上受分布載荷作用的簡支梁。把齒尖上的集中力變?yōu)檫m當(dāng)面積上的分散力可以改善骨架的受力情況,有效地提高其彎曲強度,增大其剛性。梯形墊片的力學(xué)模型和受力效果分析見圖3。2試驗結(jié)果及分析2.1系統(tǒng)位移分辨率試驗采用全自動剛性試驗裝置,包括加載系統(tǒng)、介質(zhì)壓力供給系統(tǒng)、泄漏檢測系統(tǒng)、微機數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等。其位移分辨率為0.001mm,泄漏分辨率為1×10-6?cm3/s。密封試驗介質(zhì)為N2,試驗溫度為13~18℃。2.2墊片的壓縮率試驗為了檢測墊片及其骨架的力學(xué)性能,試驗按照GB4622.3—93《纏繞式墊片技術(shù)條件》中規(guī)定的方法和條件進行墊片的壓縮回彈試驗,即在一定的預(yù)緊應(yīng)力下,檢測墊片的壓縮率與回彈率。墊片的壓縮率:CR=DG/T0×100%(1)式中,DG為墊片壓縮變形量,T0為墊片原始厚度,mm。墊片的回彈率:ER=DG?D′GDG×100ER=DG-DG′DG×100%(2)式中,D′G為墊片殘余壓縮量,mm。2.3殘余變形量的測定厚度為3.10mm不銹鋼金屬骨架的壓縮回彈試驗曲線見圖4,在70MPa應(yīng)力下壓縮變形量約為0.240mm,卸載后的殘余變形量約為0.104mm。墊片骨架的壓縮率為7.74%,回彈率為64.21%。2.4u3000梯形波齒墊片的壓縮率和回彈率經(jīng)預(yù)壓,厚度約為5.30mm的梯形波齒墊片壓縮回彈性能曲線見圖5。在70MPa的應(yīng)力下,墊片的壓縮變形量約0.78mm,卸載后的殘余變形量約0.348mm。墊片的壓縮率為15.7%,墊片回彈率為55.3%,參考纏繞墊片的國家標(biāo)準,可知梯形波齒墊片的壓縮回彈率是優(yōu)良的。在金屬骨架上覆合質(zhì)地較軟的柔性石墨層后,壓縮率大為增大,而回彈率略有下降。2.5兩組患者的泄漏率為檢測墊片的密封性能,對其進行了m試驗。墊片的m試驗是在一定的組裝應(yīng)力和介質(zhì)壓力下通過逐級降低墊片應(yīng)力,來考察墊片操作應(yīng)力的變化(減小)對密封性能的影響。介質(zhì)壓力保持在2.5MPa,組裝應(yīng)力從30~50MPa,每隔5MPa依次取點。得到對應(yīng)的泄漏率分別為8.75、7.78、5.56、4.26和3.86(單位均為×10-6?cm3/s)。試驗結(jié)果表明,該梯形波齒墊片的泄漏率為10-6量級,達到國家規(guī)定的2級泄漏率水平。說明墊片具有良好的操作回彈性能,能較好地適用于壓力具有波動的場合。3波齒墊片的優(yōu)化設(shè)計梯形波齒墊片綜合了纏繞式墊片和齒形墊片的優(yōu)點,特殊的梯形結(jié)