新型波齒復(fù)合墊片的研制開(kāi)發(fā)

◎張孟福安源勝

通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式金屬波齒環(huán)的分析、測(cè)試，證明波齒環(huán)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響波齒墊片力學(xué)性能和密封性能的關(guān)鍵。經(jīng)使用 證明波齒復(fù)合墊片具有良好的壓縮回彈性能和可靠的密封性能，是高溫、高壓和一些苛刻工況的理想墊片。

螺栓法蘭連接方式應(yīng)用廣泛，墊片是其中重要的密封元件，其性能的好壞將直接影響安全文明生產(chǎn)。目前常用的一些墊片或多或少存在著這樣或那樣的缺陷，很難滿(mǎn)足各種各樣的密封要求，容易出現(xiàn)跑冒滴漏，尤其是中高壓（高溫）容器和管道接頭密封的問(wèn)題，普通墊片很難解決。

在調(diào)研國(guó)內(nèi)外墊片發(fā)展的最新情況的基礎(chǔ)上，我們研制開(kāi)發(fā)了新型波齒復(fù)合墊片。

一、墊片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)密封機(jī)理，墊片首先應(yīng)具有良好的壓縮變形能力，受壓后能夠產(chǎn)生變形，填充法蘭密封面間的間隙和法蘭面的凹凸不平。其次，墊片應(yīng)該具有良好的回彈能力，在使用過(guò)程中能夠隨法蘭面壓緊力的減少而回彈，迅速填補(bǔ)由于介質(zhì)應(yīng)力的升高造成的法蘭面間增大的間隙，始終保持墊片與法蘭面的貼合。再次，墊片應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和耐溫、耐介質(zhì)腐蝕的能力，保證墊片在使用過(guò)程中不會(huì)被介質(zhì)吹裂或吹掉，不會(huì)被高溫熔化掉，也不會(huì)被介質(zhì)腐蝕掉。目前常用墊片如橡膠板墊、纏繞墊和金屬齒形墊等不耐溫、易散架、易壓潰和預(yù)壓緊力較高，新開(kāi)發(fā)的墊片要求既要具有較高的強(qiáng)度（不散架、不壓潰）和耐高溫（＞400℃）能力，又要具有較好的壓縮回彈能力，適用于介質(zhì)壓力、溫度較高且波動(dòng)較大的場(chǎng)合。參考國(guó)內(nèi)外最新墊片研制開(kāi)發(fā)的信息，將墊片基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圓弧槽波齒環(huán)與柔性石墨板材的復(fù)合結(jié)構(gòu)。如圖1。

由圖1可見(jiàn)，整個(gè)墊片以金屬環(huán)為骨架，上下表面復(fù)以石墨板材。為了提高墊片的壓縮回彈性能，金屬環(huán)上下表面加工成相互錯(cuò)開(kāi)的波齒狀同心圓弧溝槽，復(fù)合一定厚度的柔性石墨后，使整個(gè)墊片既具有金屬線(xiàn)接觸密封，又具有多道柔性石墨環(huán)密封的雙重功能，大大提高了這種墊片的密封性能。通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化波齒環(huán)面的齒深、齒距和齒尖厚度，可以使墊片只需要較小的預(yù)緊壓力，就可以密封很高壓力的介質(zhì)。同時(shí)，這種特殊的結(jié)構(gòu)，確保墊片具有非常優(yōu)異的抗蠕變性能，而且便于安裝和定位。

圖3 非對(duì)稱(chēng)波齒環(huán)結(jié)構(gòu)

2.波齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。金屬波齒環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是這種新型墊片研制開(kāi)發(fā)成功的關(guān)鍵。波形結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)為“V”形槽、梯形槽和圓弧形槽，齒型又可以設(shè)計(jì)為對(duì)齒和錯(cuò)齒兩種形式。為了探明金屬波齒環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)墊片整體性能的影響，我們利用MAC/NASTRAN大型有限元分析程序，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的波齒環(huán)進(jìn)行了受力分析。分析結(jié)果表明，圓弧型波齒環(huán)片的壓縮回彈性能是最好的，且抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較高。因此，選定新型墊片的結(jié)構(gòu)為圓弧型波齒結(jié)構(gòu)。對(duì)于圓弧溝槽金屬波齒環(huán)，環(huán)面可以車(chē)制成圖2和圖3所示的結(jié)構(gòu)。

由圖2和圖3可見(jiàn)，波齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅包括齒距、齒深和齒尖厚度三個(gè)參數(shù)的分析計(jì)算，還包括波形設(shè)計(jì)的內(nèi)容。為了得到性能優(yōu)良的墊片，我們深入研究了波齒結(jié)構(gòu)各參數(shù)對(duì)密封性能的影響。

3.波齒結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定和優(yōu)化。確定波齒結(jié)構(gòu)參數(shù)是個(gè)多因素優(yōu)化問(wèn)題。為了使分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，采用正交試驗(yàn)方法對(duì)各種波齒墊片結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合分析，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了不同規(guī)格的墊片試樣，通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合，詳細(xì)研究了各參數(shù)對(duì)墊片性能的影響。

（1）芯板厚度對(duì)波齒環(huán)力學(xué)性能的影響.。根據(jù)有限元分析結(jié)果，將2.5mm、3.0mm和4mm厚的波齒環(huán)在承受70MPa壓力時(shí)的最大應(yīng)力和變形情況分別繪制如圖4和圖5。

圖4 芯板厚度對(duì)應(yīng)力的影響

圖5 芯板厚度對(duì)變形的影響

從不同厚度波齒環(huán)（波齒結(jié)構(gòu)相同）在受載時(shí)的應(yīng)力和變形情況可見(jiàn)，當(dāng)波齒深度較淺時(shí)，環(huán)上最大應(yīng)力隨厚度的增加而減小，且厚度較大的波齒環(huán)上的應(yīng)力分布也較均勻；隨著齒深的增加，厚度對(duì)波齒環(huán)上應(yīng)力的影響趨向不明顯，這時(shí)，環(huán)上最大應(yīng)力將主要由波齒結(jié)構(gòu)決定。

對(duì)不同厚度的波齒環(huán)，當(dāng)齒深較淺時(shí)，厚度較薄的波齒環(huán)的變形大。增大波齒波深，波齒受力變形先隨芯板厚度的增加而增大，而后趨于減小。相同厚度的波齒環(huán)，齒深較大的變形量也較大。

對(duì)比不同厚度波齒環(huán)的回彈性能，發(fā)現(xiàn)波齒結(jié)構(gòu)相同的環(huán)板，芯板厚度對(duì)墊片回彈性能的影響不明顯。

（2）齒距對(duì)波齒環(huán)性能的影響。齒距對(duì)波齒墊性能的影響很大。圖6和圖7分別是具有不同齒距的4mm厚波齒環(huán)在承受70MPa預(yù)緊比壓時(shí)的環(huán)上應(yīng)力和變形情況。

圖6 齒距對(duì)波齒環(huán)應(yīng)力的影響

圖7 齒距對(duì)波齒環(huán)變形的影響

由圖可見(jiàn)，當(dāng)齒距較小時(shí)，整個(gè)環(huán)上的應(yīng)力分布較均勻，且齒尖上最大應(yīng)力很小，受載變形較小，整個(gè)環(huán)的剛度較大。隨著齒距增大，齒尖上的應(yīng)力迅速增加，整個(gè)環(huán)上的應(yīng)力分布趨于不均勻，受載變形增大，整個(gè)環(huán)的剛度減小。因此，如何選擇芯板厚度與波齒結(jié)構(gòu)是保證墊片具有良好壓縮變形能力和回彈能力的關(guān)鍵。

（3）齒深對(duì)波齒環(huán)性能的影響。波齒對(duì)波齒環(huán)性能的影響如圖8和圖9。由圖可見(jiàn)，齒深對(duì)波齒環(huán)的性能的影響非常明顯，波齒環(huán)上的應(yīng)力和變形隨著齒深的加大，明顯增加。但在實(shí)際檢測(cè)時(shí)很難把握。一是由于在生產(chǎn)加工時(shí)，加工測(cè)量不便，二是由于齒深對(duì)波齒環(huán)性能的影響還與齒距及齒尖厚度有關(guān)。

（4）齒尖厚度對(duì)波齒環(huán)性能的影響。參照齒形組合墊片，在減小性能分析時(shí)，僅考察了齒尖厚度分別為1與0.1mm兩種情況。分析結(jié)果表明，隨著齒尖厚度的增加，環(huán)上應(yīng)力迅速均化，總體變形減小。因此，在設(shè)計(jì)試樣的結(jié)構(gòu)時(shí)，適當(dāng)增加齒尖厚度，可以極大地提高墊片的承壓能力，但壓縮率和回彈率將有所減小。

圖9 齒深對(duì)波齒環(huán)變形的影響

經(jīng)對(duì)不同波齒結(jié)構(gòu)波齒環(huán)受力分析，優(yōu)化得到性能優(yōu)良的波齒結(jié)構(gòu)。從波齒環(huán)的受力分析結(jié)果看，齒距、齒深、齒尖厚度以及波齒環(huán)厚度是相互關(guān)聯(lián)的，在制造時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制波齒環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸。

二、復(fù)合工藝研究

波齒墊片由金屬波齒環(huán)和柔性石墨板材復(fù)合而成，其中金屬芯板具有很高的強(qiáng)度、很好的耐溫性能和良好的彈性；柔性石墨具有良好的抗介質(zhì)腐蝕能力、壓縮變形能力和密封性能，是目前已知的性能最為優(yōu)良的密封材料之一。如何將二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，在很大程度上取決于波齒環(huán)與柔性石墨的復(fù)合工藝。傳統(tǒng)高溫墊片的制作工藝采用機(jī)械壓緊的方法將二者復(fù)合在一起，但金屬芯板與柔性石墨復(fù)合不牢固，在運(yùn)輸或安裝過(guò)程中石墨板與波齒環(huán)很容易分離。為此，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，我們采用高溫粘結(jié)劑粘結(jié)與機(jī)械壓緊結(jié)合的復(fù)合工藝，取得了良好的效果。

三、墊片性能測(cè)試

參照柔性石墨金屬纏繞墊的技術(shù)條件，對(duì)新型柔性石墨波齒復(fù)合墊片進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

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從中可以清楚看出，新型波齒復(fù)合墊片的各項(xiàng)性能均達(dá)到或超過(guò)了GB4622.3-93的技術(shù)要求。

從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性來(lái)看，新型波齒復(fù)合墊片穩(wěn)定性非常好，不存在發(fā)生散架、壓潰等問(wèn)題，適宜于制作大直徑容器（或管道）墊片，且應(yīng)力松弛率較低，較適合用于高溫的場(chǎng)合。而在這方面恰恰是纏繞墊所不具備的。

四、新型波齒復(fù)合墊片的試用情況

1.煉油廠(chǎng)二聯(lián)合芳烴抽提裝置的回收塔重沸器管箱法蘭密封。重沸器管箱密封面外徑φ1100mm，法蘭密封面為凹凸面。

原設(shè)計(jì)采用銅包墊，打壓時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，更換強(qiáng)力 墊（也稱(chēng)強(qiáng)力復(fù)合墊片）也無(wú)效，后用波齒復(fù)合墊片，才使裝置生產(chǎn)進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行。6個(gè)月后檢測(cè)法蘭密封情況，性能良好。在隨后的一年里經(jīng)兩次開(kāi)停工及多次操作波動(dòng)影響，一直保持良好的使用狀態(tài)。

2.EA101B氣化省煤器殼程法蘭密封。氣化省煤器為立式：型管式結(jié)構(gòu)，公稱(chēng)直徑為600mm，二管程、二殼程。設(shè)計(jì)壓力：殼程 11.8MPa，管程：6.6MPa。設(shè)計(jì)溫度：殼程 325℃，管程：430℃。操作介質(zhì)：殼程 鍋爐水，管程：原料氣。原使用墊片為柔性石墨金屬纏繞墊，泄漏量大，使用壽命較短，由于多次出現(xiàn)泄漏而影響生產(chǎn)。2001年5月檢修時(shí)更換新型波齒復(fù)合墊片，使用至今，效果良好。

五、結(jié)論

通過(guò)研究和試用，成功開(kāi)發(fā)了一種新型波齒復(fù)合墊片。墊片采用波齒芯板兩面復(fù)合柔性石墨結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度、低松弛、回彈性能高、密封性能好的特點(diǎn)，且不會(huì)散架或被壓潰。性能檢測(cè)和試用結(jié)果表明，該墊片具有較好的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于0～25MPa，0～650℃管道或容器法蘭連接。