柔性石墨金屬W形纏繞墊片密封性能優化研究

劉書麟+陳慶

摘 要：在力學分析基礎上，對5.5 mm、6.0 mm、6.5 mm的、材質為06Cr18Ni10的3種平鋼帶進行W形設計，然后通過性能優化試驗，對標準4.5 mm厚度的W形柔性石墨不銹鋼纏繞墊片進行密封性能研究，從而找出結構和工藝參數對密封性能的影響規律和最佳性能參數組合，開發出高密封性能的產品。

關鍵詞：柔性石墨不銹鋼纏繞墊片；力學分析；W形結構；密封性能

中圖分類號：TH136 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.051

由于柔性石墨不銹鋼纏繞墊片的性能優良，被廣泛應用于石油、化工、冶金、發電等過程工業的設備、管道和閥門等螺栓法蘭連接密封系統中。據不完全統計，柔性石墨不銹鋼纏繞墊片作為密封元件，國內外市場占有率平均達到50%～60%以上。柔性石墨不銹鋼纏繞墊片主要有V形和W形2種結構。工程領域普遍使用的纏繞墊片以V形結構為主，但在一些高端場合（高溫、高壓等特殊環境）使用W形結構更加可靠。目前，關于V形結構的研究成果比較多，且廣泛應用于生產一線。但是，關于W形結構，受技術水平、試驗條件等多方面因素的影響，國內的研究比較落后。在實際工作中，往往不分工況場合，隨意生產（或者仿制）、任意選擇某種結構的纏繞墊片，缺乏科學依據。這種現象給企業安全生產帶來隱患。

本課題組在長期從事流體密封技術和V形結構纏繞墊片研究的基礎上，科學建立力學模型，進行科學的力學分析，并采用優化試驗等方法，系統地研究了W形柔性石墨不銹鋼內外環纏繞墊片的密封性能，找出影響密封性能的主要因素，得出最佳參數，明確結構和工藝參數對密封性能的影響規律，從而針對具體工況選擇相應的參數開發出高性能的產品。同時，通過對V形和W形結構的性價比較，可以為工程實踐中經濟、合理地選擇纏繞墊片提供一定的科學依據。

密封墊片的主要性能包括力學性能（壓縮性能、回彈性能、應力松弛性能）和密封性能，對于纏繞墊片來說，各性能之間有著密切的聯系，相輔相成，缺一不可。其中，密封性能直接反映了密封效果，其他性能直接或間接影響密封性能。雖然目前的試驗手段是在實驗室的剛性法蘭上進行的，試驗條件與實際工況存在一定的偏差，但是，試驗結果仍能說明密封方面的重要的問題。因此，以此方法和手段研究墊片的性能對工程實踐有重要的指導意義。本文作為文獻[1]的續篇，關于W形纏繞墊片結構、力學模型的建立、結構設計、優化試驗（試驗條件、結構和工藝參數、優化試驗方法）等相關細節內容已在文獻中給出，本文只做簡要介紹。

1 結構設計和力學模型

W形結構簡圖如圖1所示，簡化力學模型如圖2所示，W形柔性石墨金屬纏繞墊片結構如圖3所示。

2 優化試驗條件、因素水平表和試驗結果

2.1 試驗條件

試件規格為4.5 mm厚度級別的內外環墊片DN80 PN5.0；技術要求參照GB 4622.3—2008；材料為06Cr18Ni10+柔性石墨，內外環為3.0 mm厚度的碳鋼板；溫度為常溫；壓緊應力為70.0 MPa，試驗裝置為全自動墊片綜合性能試驗臺；試驗介質為氮氣；介質壓力為5.5 MPa。

2.2 因素水平表

因素水平情況如表1所示。

2.3 試驗結果

采用三因子三水平（L9（3）4）密封性能優化試驗，試驗結果和分析結果如表2、表3所示。

3 結果分析和結論

由三因子三水平優化試驗結果和方差分析可知，在影響密封性能的因素中，A（鋼帶角度）、C（纏繞壓緊力）相對于B（鋼帶拉緊力）是顯著的。這一結論與文獻[1]中對壓縮回彈性能的影響是一致的。這再一次證明了結構和工藝參數對整體性能的影響符合纏繞墊片的性能之間的關系。

從正交試驗表影響因子中3個水平密封性能和的最小值中可以看出，參數組合中A2B2C3、A2B1C3所對應的泄漏率最小。其中，表中出現了A2B2C3組合，其泄漏率為0.80×10-5 cm3/s。雖然A2B1C3未出現在表中，但這一組合的試驗結果為0.81×10-5 cm3/s，也是最優的結果。2種組合同為最優，主要原因是A、C2個因素相同，因素B的影響相對比較弱。從方差分析表中也可以得出這樣的結論。

從整個結果看，在其他因素不變的情況下，隨影響因素C的增大，泄漏率降低，密封性能提高。研究所得這一重要規律，對于不同工況下生產纏繞墊片參數的選擇具有重要的指導意義。

在此需要注意的是，在選擇參數時，不能僅考慮密封性能，還要考慮其他性能。比如文獻[1]中的研究表明，參數C的增大，墊片的剛度、強度提高了。為了達到初始密封，就要提高螺栓載荷。對于壓力級別比較低的法蘭，過大的螺栓載荷可能會產生翹曲變形，使其結果適得其反。因此，要想保證纏繞墊片各項性能綜合指標最優，就必須全面考慮參數對各種性能的影響程度及其規律，同時，將實驗室的試驗條件結果與工程實際情況有機結合起來，對比分析，這樣才能真正設計、生產出高性能且滿足工程實際工況需要的密封產品。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕