高溫波齒復合墊片的循環壓縮回彈性能

鄭小濤，文　翔，桑　聰，喻九陽，徐建民化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430205

高溫波齒復合墊片的循環壓縮回彈性能

鄭小濤，文翔，桑聰，喻九陽，徐建民化工裝備強化與本質安全湖北省重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430205

研究了柔性石墨金屬波齒復合墊片在500℃時的加載速度對循環壓縮回彈性能的影響.在試驗溫度為500℃時，對墊片進行加載速率分別為0.5 MPa/s和1 MPa/s的循環加載試驗，得到墊片的應力-變形量曲線；通過計算壓縮率和壓縮模量，再擬合出相應的壓縮-回彈本構方程.結果表明，500℃時波齒復合墊片的壓縮模量隨加載速率增大而增大；經過第一次壓縮后，在隨后的循環壓縮過程中墊片的壓縮模量變化較小，但顯著高于初始壓縮模量；墊片的最大壓縮量均隨循環次數而增加，表現出明顯的棘輪效應，為保證連接緊密性需考慮墊片變形量；根據文章擬合的回歸系數可以推測出在不同加載速率下，該類型波齒復合墊片的壓縮回彈性能.

波齒復合墊片；加卸載速率；壓縮率；壓縮模量

1　引言

螺栓法蘭接頭是壓力容器和管道應用最廣泛的可拆卸密封連接形式，主要由螺栓、法蘭和墊片組成；其中墊片具有復雜的非線性壓縮回彈特性，是控制螺栓法蘭接頭泄漏的關鍵部件，常在高溫波動載荷條件下使用柔性石墨金屬波齒復合墊片，實踐證明，該墊片具有良好的密封性能［1-2］.經不同加卸載速率及循環載荷后，柔性石墨金屬波齒復合墊片的壓縮回彈性能有較大的差異.目前國內對該墊片在高溫條件下的加載速率及循環載荷下的壓縮回彈特性研究很少，陸曉峰和顧伯勤等［3］在之前研究的基礎上，考慮墊片蠕變、螺栓應力松弛以及法蘭的緊密性要求，提出了高溫法蘭接頭的可靠性算法和壽命預測方法. GB/T 12622-2008《管法蘭墊片壓縮率及回彈率試驗方法》［4］中規定波形金屬墊片的加卸載速度為0.5 MPa/s，Bouzid A，Nechache A［5-6］等人采用理論分析和數值模擬方法對法蘭連接熱瞬態和熱穩態條件下的應力分布規律進行了詳細的研究. Bouzid等人［7-8］提出了一種計算松馳的方法，用以評估墊片蠕變對螺栓力、墊片力松弛的影響. Alkelani等［9］系統研究了墊片蠕變對高溫法蘭連接系統應力松弛行為的影響.關于墊片的加載速率（v）缺乏系統的研究，特別是高溫下載荷的加載速度對波齒復合墊片的壓縮回彈性能影響的研究.為此，本文選取了0.5 MPa/s和1 MPa/s兩種加載速率分別進行500℃時波齒復合墊片的循環壓縮回彈試驗，來研究加載速率對墊片的壓縮回彈性能的影響.

2　實驗部分

2.1試驗儀器及墊片

試驗采用長春機械研究院生產的PRL50蠕變疲勞試驗機（見圖1）進行實驗，其中墊片夾具為自主設計，夾具上下端設計為可以抽離的鋼塊，下端與中心軸接觸的面加工為球面，使其在加載時能夠自主調節水平度，達到載荷均勻分布在試樣上的目的.

圖1　實驗裝置Fig.1　Experimental device

試驗墊片采用的柔性石墨波齒復合金屬墊片由中菲密封墊片廠生產加工，試驗后的墊片如圖2所示，墊片金屬骨架的材質為304不銹鋼，按照標準GB/T19066-2008加工而成，由于加工得到的實際墊片尺寸有一定的誤差，經多次測量得到的平均值如表1所示.

圖2　試驗后的墊片Fig.2　Gasket after test

表1　波齒復合墊片實際尺寸Tab.1　Actual dimensions of the flexible graphite corrugated metal gaskets　mm

2.2實驗方案

根據GB/T 12622-2008的規定和實驗要求，為了保證試驗過程中溫度的均勻性，本試驗采用電阻加熱爐，用3根熱電偶分別測量爐內上中下3個位置的溫度，整個過程中溫度波動不超過±2℃.試驗開始前，先對墊片加熱至500℃，然后保溫20 min，使試樣充分熱膨脹后再施加軸向載荷.試驗參數如表2所示.

表2　試驗參數Tab.2　Test parameters

加載速率的選取：本試驗標準GB/T 12622-2008中的加卸載速率為0.5 MPa/s，因此另外選取1 MPa/s，試驗選取的墊片應力均為平均應力，初始墊片應力為0.77 MPa.

3　結果與討論

3.1試驗測試結果

墊片的壓縮量、壓縮率、壓縮模量、回彈量、回彈率和回彈模量都是墊片壓縮回彈性能的重要指標.由試驗得到波齒復合墊片前10次的應力-變形量曲線，如圖3所示.

圖3　墊片應力-變形量曲線Fig.3　Stress-deformation curves of the gasket

圖3a和圖3b中小窗口部分為加卸載的放大圖，能更清晰的看出：1）隨著循環系數的增加，最大變形量和殘余變形逐漸變大；2）隨著循環次數的增加，加載曲線的斜率增大和卸載曲線的斜率增大，這是由于循環次數增加會導致塑性應變累積，使墊片發生硬化.圖3c對比兩種加載速率下第一次循環的壓縮回彈性能，可以明顯的看出兩條曲線的趨勢相同，但隨著加載速率的增大，壓縮量減小.

3.2分析與討論

為了更直觀的表達墊片性能的變化規律，計算出墊片的壓縮率S和壓縮模量 ELD［6］，結果如圖4所示.

式（1）～（2）中，S為墊片的壓縮率；T1為墊片的試樣在初載荷下的厚度；T2為墊片的試樣在總載荷下的厚度；T3為每次循環墊片的初始厚度；ELD為墊片的壓縮模量；σmax和δ1為最大墊片壓縮應力及其相應的墊片壓縮量的增量.

從圖4a中可以看出，波齒復合金屬墊片的壓縮率隨時間而增大，隨加載速率增大而增大；由圖4b可以看出，第二循環后，壓縮率緩慢增大，由圖4c中可以看出波齒墊的壓縮模量隨加載速率增大而增大，隨循環次數增大.

將試驗的第一次循環曲線做擬合，并考慮加卸載速率的影響，得到如下壓縮回彈曲線公式：

式（3）～（4）中，SG為墊片壓緊應力；DG為變形量；SK為墊片預緊應力；DK為不考慮蠕變時的最大變形量；V為試驗加卸載速率；AC、BC、NC、AS、BS、AV、BV均為回歸系數.

不銹鋼柔性石墨波齒復合墊片的回歸系數及相關系數R見表3和表4.

由擬合結果中相關系數R可看出擬合結果較好.由公式（3）、（4）及表3、表4中的回歸系數即可推測任意加載速率下波齒復合墊片的壓縮回彈性能.對墊片可采取只做一種加載速率試驗的方法，再通過本試驗得到的結果進行類比，可以推測出其他加載速率下波齒復合墊片的性能.

圖4　墊片前10次循環的計算結果Fig.4　Calculated results of the first 10 cycles of the gasket

表3　墊片的壓縮曲線回歸系數及相關系數RTab.3　Regression coefficients of compression curve of the gasket and its correlation coefficient

表4　墊片的回彈曲線回歸系數及相關系數RTab.3　Regression coefficients of rebound curve of the gasket and its correlation coefficient

4　結　語

試驗溫度為500℃時，對波齒復合墊進行循環加卸載試驗研究，在加卸載速率分別為0.5 MPa/s和1 MPa/s時，得到以下結論：

1）波齒復合墊片的壓縮模量隨加載速率增大而增大，這是由于墊片最大壓縮量的增量隨加載速率的增大而減小.

2）經過第一次壓縮后，在隨后的循環壓縮過程中墊片的壓縮模量變化較小，但顯著高于初始壓縮模量.

3）墊片的最大壓縮量均隨循環次數而增加，而循環次數增加會導致塑性應變累積，出現明顯的棘輪效應.因此，在研究連接緊密性時需考慮墊片變形量.

4）根據文章擬合的回歸系數可以推測出在不同加載速率下，該類型波齒復合墊片的壓縮回彈性能.

［1］ 仇性啟，周先軍.柔性石墨波齒復合墊片的常溫性能研究［J］.潤滑與密封，2001（3）：33-34.

CHOU X Q，ZHOU X J.Study on behavior of flexible graphite gaskets reinforced by corrugated metal sheet at room temperature［J］.Lubrication and seal，2001（3）：33-34.

［2］桑聰，鄭小濤，文翔.等.疲勞載荷下高溫柔性石墨金屬波齒復合墊片的蠕變波動行為［J］.武漢工程大學學報，2016，38（1）：78-81.

SANG C，ZHENG X T，WEN X，et al.Creep fluctuation behavior of high temperature flexible graphite corrugated metal gasket under fatigue loading［J］.Journal of Wuhan institute of technology，2016（1）：78-81.

［3］陸曉峰，沈軼.高溫法蘭密封接頭的可靠性分析［J］.壓力容器，2007，23（9）：20-23.

LU X F，SHEN Y.Reliability analysis of high temperature flange sealing joint［J］.Pressure vessel，2007，23 （9）：20-23.

［4］中國國家標準化管理委員會.管法蘭墊片壓縮率及回彈率試驗方法：GB/T12622-2008［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［5］BOUZID A，NECHACHE A.An analytical solution for evaluating gasket stress change in bolted flange connections subjected high temperature loading［J］.Journal of pressure vessel technology，2005，127（4）：414-427.

［6］BOUZID A，NECHACHE A.Thermally induced deflections in bolted flanged connections［J］.ASME journal of pressure vessel technology，2005，127（4）：394-401.

［7］BOUZID A，CHAABAN A.An accurate method for evaluating relaxation in bolted flanged connections［J］. Journal of pressure vessel technology，1997，119（4）：10-17.

［8］ NECHACHE A，BOUZID A H.On the use of plate theory to evaluate the load relaxation in bolted flanged joints subjected to creep［J］.International journal of pressure vessels and piping，2008，85（7）：486-497.

［9］ ALKELANI A A，HOUSARI B A，NASSAR S A.A proposed model for predicting clamp load loss due to gasket creep relaxation in bolted joints［J］.ASME journal of pressure vessel technology，2012，134（2）：517-522.

［10］ 蔡仁良，蔡暖姝，章南珠，等.螺栓法蘭接頭安全密封技術（二）［J］.化工設備與管道，2012，49（5）：1-10.

CAI R L，CAI N S，ZHANG N Z，et al.Safe sealing technology for bolted flange connection（2）［J］.Process equipment and piping，2012，49（5）：1-10.

本文編輯：陳小平

Cyclic Compression-Resilience of Flexible Graphite Corrugated Metal Gaskets at High Temperature

ZHENG Xiaotao，WEN Xiang，SANG Cong，YU Jiuyang，XU Jianmin

Hubei Key Laboratory of Chemical Equipment Intensification and Intrinsic Safety（Wuhan Institute of Technology），Wuhan 430205，China

The effect of loading speed on the cyclic compression and resilience performance of flexible graphite metal corrugated composite gasket was studied.The stress-deformation curves of the gasket were obtained at the loading rate of 0.5MPa/s and 1MPa/s respectively，under temperature of 500℃.By calculating the compression ratio and modulus，the corresponding compression resilience constitutive equation was fitted.The results show that the compression modulus of the flexible graphite corrugated metal gaskets increases with the loading rates increasing.After the first compression，the compression modulu of the gasket changes a little but it is significantly higher than the initial compression modulus.The maximum compression of the gasket increases with the increase of cycle number，which shows a significant effect of the ratchet wheel.The ratchet deformation of gaskets should be considered to ensure the tightness of bolted-flange joints.And according to the fitted coefficient，the compression resilience performance of this type of corrugated composite gasket can be inferred at different loading rates.

flexible graphite corrugated metal gasket；loading and unloading rate；compression ratio；compression modulus

鄭小濤，博士，副教授.E-mail：xiaotaozheng@163.com

TB125

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.04.013

1674-2869（2016）04-0382-04

2016-03-14

國家自然科學基金（51305310）；湖北省教育廳科學研究計劃（Q20131506）；武漢工程大學研究生創新基金項目（CX2015023）