金屬O形環(huán)力學(xué)性能仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

張文昌 勵(lì)行根2 魏世軍2 賈曉紅 郭 飛

(1.清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084；2.寧波天生密封件有限公司 浙江寧波 315302)

金屬O形環(huán)(以下簡(jiǎn)稱O形環(huán))是核反應(yīng)堆壓力容器中常用的密封，具有大接觸應(yīng)力、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。O形環(huán)密封系統(tǒng)主要由封頭或上法蘭、筒體端部或下法蘭、O形環(huán)及其他必要的緊固件組成。O形環(huán)一般采用金屬圓管彎制焊成，常在外表面涂或鍍銀等塑性較好的材料以提高密封性能。

O形環(huán)自身的力學(xué)性能對(duì)其密封性能影響顯著。密封環(huán)通過形變，增加工質(zhì)在密封界面的流動(dòng)阻力從而形成密封。受到軸向載荷時(shí)O形環(huán)的壓縮特性反映了密封環(huán)表面與法蘭表面形成初始密封的能力。而當(dāng)密封系統(tǒng)在實(shí)際工況下，由于螺栓及法蘭的形變，使得法蘭接觸面與O形環(huán)接觸面產(chǎn)生了相對(duì)分離的趨勢(shì)。此時(shí)O形環(huán)的回彈能力對(duì)于該密封系統(tǒng)連接的緊固程度有較大的影響[1]。

通過研究O形環(huán)的力學(xué)性能可以為其產(chǎn)品設(shè)計(jì)和改進(jìn)、質(zhì)量監(jiān)督、密封性能監(jiān)控等工作提供依據(jù)。自1960年美國(guó)首次將空心金屬O形環(huán)應(yīng)用于反應(yīng)堆始，各國(guó)研究者陸續(xù)針對(duì)O形環(huán)密封特性[2]、形變特性[3]、截面結(jié)構(gòu)[4]以及材料的超塑性[5]、低溫高周疲勞性能[6]、長(zhǎng)時(shí)間組織穩(wěn)定性[7]等開展了大量研究，同時(shí)總結(jié)了大量經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法并開展了相關(guān)仿真分析方法研究[8-11]。但主要研究成果集中于O形環(huán)的壓縮回彈特性的試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

本文作者旨在以核反應(yīng)堆壓力容器用金屬O形環(huán)為研究對(duì)象，考慮密封環(huán)的復(fù)合結(jié)構(gòu)、材料彈塑性特征和工況條件，采用有限元方法建立O形環(huán)力學(xué)性能仿真模型，分析密封環(huán)的壓縮回彈特性、應(yīng)力應(yīng)變特征、接觸特性以及銀層的作用，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 有限元模型和試驗(yàn)方法

壓力容器中采用了雙道O形環(huán)，由于內(nèi)側(cè)與外側(cè)O形環(huán)力學(xué)特性相同，在此只選取內(nèi)側(cè)O形環(huán)進(jìn)行建模。O形環(huán)主體部分是φ12.7 mm×1.27 mm的空心環(huán)，由Inconel 718合金管材無縫焊接而成，表面鍍有厚度為0.15～0.22 mm的銀層。

O形環(huán)的力學(xué)仿真涉及材料彈塑性、密封圈結(jié)構(gòu)大變形以及接觸非線性，根據(jù)O形環(huán)結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，建立如圖1所示的平面二維軸對(duì)稱模型以提高計(jì)算效率。

圖1 金屬O形環(huán)密封系統(tǒng)的有限元模型

上下法蘭為線彈性不銹鋼材料，O形環(huán)Inconel718合金及銀層采用多線性等向強(qiáng)化(MISO)材料模型。幾何模型繞軸線(Y軸)為對(duì)稱軸，施加對(duì)稱約束條件，上法蘭與擋圈施加UX=0位移，在上法蘭施加Y向位移載荷。取最大壓縮量為2.4 mm，由于上下法蘭對(duì)稱性，上法蘭壓縮量為1.2 mm；卸載時(shí)，將原施加UY=-1.2 mm載荷逐漸減小，直至O形環(huán)與法蘭脫離，模擬密封系統(tǒng)使用過程容器內(nèi)充氣、 容器內(nèi)壓的變化等因素引起的法蘭分離。加卸載過程為準(zhǔn)靜態(tài)。

壓縮回彈特性測(cè)量試驗(yàn)在圖2所示的墊片綜合性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，包括液壓機(jī)(YJN-100)、位移傳感器NS-WY02-20-5(精度：0.05%)、力傳感器BLR-1(靈敏度：1 mV/V)。參照GB/T 12622中墊片壓縮回彈特性的測(cè)量方法，在室溫20 ℃環(huán)境下以0.5 MPa/s的速率加載卸載，測(cè)量墊片的應(yīng)力與變形關(guān)系。由于仿真環(huán)和實(shí)驗(yàn)環(huán)直徑不同，采用線比壓進(jìn)行比較，如圖3(a)所示。

圖2 墊片綜合性能試驗(yàn)機(jī)示意圖

2 力學(xué)特性結(jié)果分析

2.1 壓縮回彈特性

O形環(huán)的壓縮回彈特性反映了預(yù)緊狀態(tài)下初始密封的形成能力和操作工況下密封的保持能力和裕量，是衡量O形環(huán)力學(xué)性能的主要指標(biāo)。O形環(huán)的軸向載荷F-壓縮率η曲線反映了O形環(huán)的壓縮回彈特性，圖3(b)給出了F-η壓縮回彈曲線。

圖3(b)所示曲線包括了彈性變形區(qū)、塑性變形區(qū)和法蘭接觸區(qū)，仿真計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量的各段區(qū)域分界點(diǎn)和變化趨勢(shì)具有很好的一致性。以最大壓縮率

為18.5%時(shí)的O形環(huán)壓縮回彈特性曲線為例。加載過程可以分為3個(gè)區(qū)域：(1)加載初期，載荷隨壓縮率呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，此時(shí)為彈性變形區(qū)；(2)加載中期，當(dāng)壓縮率達(dá)到2%附近時(shí)，開始進(jìn)入塑性變形區(qū)，O形環(huán)鍍層與合金層作為整體，其整體剛度降低；(3)加載后期，上下法蘭發(fā)生接觸后繼續(xù)加載，進(jìn)入法蘭接觸區(qū)，由于法蘭剛度較大，軸向載荷突然增大，且與壓縮率呈線性關(guān)系陡增，當(dāng)達(dá)到最大壓縮率18.5%時(shí)軸向載荷已經(jīng)達(dá)到105kN量級(jí)。

圖3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及O形環(huán)壓縮回彈曲線

卸載過程，由于法蘭處于彈性變形范圍，因此加載卸載曲線均與壓縮率呈近似線性關(guān)系；持續(xù)卸載O形環(huán)進(jìn)入塑性變形區(qū)后，O形環(huán)的塑性形變保留，彈性形變開始恢復(fù)，O形環(huán)產(chǎn)生回彈，最終完全卸載后仍然有部分殘余形變。不同曲線在加載段幾乎重合，卸載段卸載起點(diǎn)不同，但卸載段除進(jìn)入法蘭接觸區(qū)的部分受到剛性較大的法蘭的影響，其余卸載段曲線基本互相平行。

2.2 接觸特性

圖4給出了加載過程中O形環(huán)和上法蘭接觸壓力的變化規(guī)律，取壓縮率分別為0、1%、3%、7%、10%，以及完全加載即壓縮率為18.5%，作出接觸壓力曲線。橫軸為有限元模型中的X坐標(biāo)，零點(diǎn)表示O形環(huán)原始外徑最高點(diǎn)，即與法蘭的切點(diǎn)。

圖4 加載過程接觸壓力變化

O形環(huán)經(jīng)過有限元離散化處理并非嚴(yán)格的圓形，法蘭和O形環(huán)初始相切的位置，也有很小的接觸壓力，這屬于離散化帶來的誤差。因?yàn)閿?shù)值很小，所以可以忽略不計(jì)。當(dāng)壓縮率較小(載荷較小)時(shí)，O形環(huán)徑向最高點(diǎn)與法蘭接觸，接觸壓力分布近似為倒U形；隨著載荷增大，接觸寬度和接觸壓力都隨之增大。當(dāng)壓縮率達(dá)到約3%時(shí)，接觸寬度進(jìn)一步增大，但是接觸壓力則有所減小，尤其接觸區(qū)中間壓力更小，出現(xiàn)內(nèi)凹。隨著壓縮率進(jìn)一步增加，接觸區(qū)寬度增大，最大接觸壓力減小，接觸壓力內(nèi)凹程度也繼續(xù)增大。當(dāng)壓縮率達(dá)到17.8%時(shí)，法蘭和擋環(huán)開始接觸。可以看出，當(dāng)法蘭和擋環(huán)開始接觸后，O形環(huán)與法蘭的接觸區(qū)中間部分近似脫離接觸，接觸區(qū)中間開始凹陷，在凹陷區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)對(duì)稱的2個(gè)接觸區(qū)；隨著壓縮率的增大，O形環(huán)與法蘭之間的接觸壓力基本不變，增大的載荷由擋環(huán)承擔(dān)，所以擋環(huán)與法蘭之間的壓力隨載荷增大而增大。

接觸寬度在加載和卸載過程中也因塑性變形而變化。分析接觸寬度的變化會(huì)發(fā)現(xiàn)其與圖3所示的壓縮回彈特性曲線具有相同的特征。

2.3 應(yīng)力應(yīng)變特征

圖5所示為等效彈性應(yīng)變最大值、等效塑性應(yīng)變最大值及等效應(yīng)變最大值隨壓縮率變化的曲線。

圖5 O形環(huán)等效應(yīng)變最大值變化

可以看出彈性應(yīng)變?cè)诩虞d初期較快地接近其最大值，在壓縮率為0～1%之間，彈性應(yīng)變最大值呈線性增長(zhǎng)，壓縮率達(dá)到1%附近后其最大彈性應(yīng)變達(dá)到0.005即其屈服極限，應(yīng)變值上下抖動(dòng)，材料開始發(fā)生塑性變形，進(jìn)入流動(dòng)階段；繼續(xù)增加壓縮率，O形環(huán)進(jìn)入強(qiáng)化階段，材料恢復(fù)了對(duì)變形的抵抗能力。卸載時(shí)由于O形環(huán)發(fā)生了塑性形變，因此塑性應(yīng)變最大值保持不減，卸載階段彈性應(yīng)變最大值隨卸載而減小，但并未完全消失，而是由于各部分變形量不同，回彈過程中各部分要恢復(fù)的彈性變形不同，各部分之間為了變形協(xié)調(diào)就會(huì)產(chǎn)生一定的相互約束，導(dǎo)致了在完全卸載后仍然留下一定的殘余應(yīng)變。

圖6給出了O形環(huán)完全加載時(shí)各節(jié)點(diǎn)的位移矢量。可以看出：O形環(huán)中心部分節(jié)點(diǎn)以Y軸位移為主，左側(cè)部分節(jié)點(diǎn)以X軸位移為主，且徑向位移小于軸向位移。位移矢量長(zhǎng)度最小節(jié)點(diǎn)約處在截面40°處，其位移矢量方向基本與初始輪廓相切。

圖6 完全加載各節(jié)點(diǎn)位移矢量

3 鍍銀層影響分析

鍍層的存在及其厚度是影響O形環(huán)力學(xué)特征的一個(gè)因素，圖7給出了3種鍍層狀態(tài)及不同鍍層厚度下O形環(huán)的壓縮回彈曲線。3種狀態(tài)分別為：(1)公稱尺寸狀態(tài)，即存在鍍層，外徑d=13 mm，鍍層厚度γ=0.15 mm；(2)無鍍層狀態(tài)，即僅存在合金層，O形環(huán)外徑d=12.7 mm；(3)加厚合金層狀態(tài)，即僅存在合金層，但O形環(huán)外徑與狀態(tài)(1)保持相同，d=13 mm。

圖7 不同鍍層壓縮回彈特性曲線

比較狀態(tài)(1)與狀態(tài)(2)，在加載階段，二者壓縮回彈曲線非常接近，失去銀層的O形環(huán)在相同壓縮率下由于外徑減小，因此上法蘭位移更大，上下法蘭更早接觸，壓縮回彈曲線更早進(jìn)入法蘭接觸區(qū)。因此，O形環(huán)的結(jié)構(gòu)剛度主要取決于合金層，相同的合金層厚度下，鍍層有無對(duì)壓縮回彈曲線的總體趨勢(shì)影響不大。同時(shí)比較狀態(tài)(1)與狀態(tài)(3)也可以看出同樣規(guī)律。

圖8中比較的是狀態(tài)(1)與狀態(tài)(3)不同壓縮率下對(duì)應(yīng)的接觸壓力分布。可以發(fā)現(xiàn)狀態(tài)(1)與狀態(tài)(3)各自接觸壓力分布隨壓縮率的變化趨勢(shì)相同，狀態(tài)(1)與狀態(tài)(3)具有相似的接觸壓力分布變化規(guī)律，鍍銀層對(duì)該規(guī)律基本無影響。但是在相同壓縮率下，無鍍銀層的O形環(huán)其接觸壓力峰值更高，接觸壓力分布在峰值附近更為集中。這是因?yàn)殄冦y層材料較合金層更易發(fā)生形變，材料塑性更好，對(duì)于接觸壓力的分布起到了均化的作用，增大了接觸寬度，更好地填補(bǔ)了泄漏通道，利于形成密封。

圖8 有無鍍層O形環(huán)加載時(shí)接觸壓力分布(外徑d=13 mm)

4 結(jié)論

(1)建立金屬O形環(huán)的平面二維軸對(duì)稱有限元模型，仿真得到的壓縮回彈特性與試驗(yàn)結(jié)果具有良好一致性，表明該有限元模型可用于O形環(huán)力學(xué)性能的分析。

(2)利用該有限元模型進(jìn)行了O形環(huán)力學(xué)性能的分析，包括接觸特性、應(yīng)變特性及壓縮回彈特性。分析結(jié)果表明：O形環(huán)接觸壓力分布與壓縮率有關(guān)，壓縮率過大或過小都將導(dǎo)致密封性能下降；整個(gè)壓縮回彈過程可分為彈性變形、塑性變形、法蘭接觸及回彈4個(gè)階段，O形環(huán)的回彈補(bǔ)償性能由其壓縮率決定。

(3)討論了O形環(huán)表面鍍銀層對(duì)于其力學(xué)特性的影響，表明鍍銀層主要對(duì)O形環(huán)密封的接觸壓力分布起均化作用，而對(duì)O形環(huán)總體的壓縮回彈特性影響不大。

(4)建立的模型和分析方法可用于其他法蘭墊片密封系統(tǒng)的力學(xué)特性研究。