非石棉密封墊片泄漏率預測及缺陷分析

姚炳洋，張 斌，周劍鋒，馮修成，邵春雷，顧伯勤

(1.江蘇省過程強化與新能源裝備技術重點實驗室，南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816；2.常熟理工學院 機械工程學院，江蘇 常熟 215500)

螺栓法蘭結構是工業、農業及國防建設中廣泛應用的設備及部件連接形式之一，其主要的失效形式為泄漏。嚴格控制泄漏不僅是國家節能減排政策的要求，也是確保設備安全運行的必要條件［1-3］。墊片是密封連接的核心部分，良好的墊片性能可大幅提高連接結構的穩定性。因此，有必要開展墊片密封性能的研究。

非石棉墊片強度高，具有良好的回彈和抗滲透性能，是替代石棉墊片的環保密封墊片。國內外學者對非石棉墊片開展了廣泛研究［4-6］。周茂榮等［7］對玄武巖纖維進行了改性，制備了綜合性能良好的非石棉墊片。謝蘇江等［8］制備了非石棉密封材料，對其蠕變性能進行了大量研究，確定了材料的蠕變松弛理論模型。Bouzid等［9］對不同溫度下墊片的泄漏模型和失效機理開展了大量研究，采用不同的流動模型分析了泄漏率與氣體介質的關系。Kwon等［10-12］對低溫環境下的墊片開展了研究，提出了長周期多參數墊片的壽命預測準則。

這些研究總體上較為分散，文中綜合考慮氣體介質壓力、預緊應力和墊片規格等因素，對非石棉墊片泄漏率進行試驗分析和研究。

1 非石棉墊片泄漏率測試試驗

1.1 試樣規格

試驗用非石棉墊片試樣見圖1，為泰州市亞歐密封材料有限公司生產，牌號GP-150，產品主要組分為芳綸纖維、合成礦物纖維及耐油膠黏劑等，采取輥壓法制成。試驗中選用墊片的尺寸規格共 5 種， 依次為 DN50 mm、DN65 mm、DN80 mm、DN100 mm和 DN125 mm。

圖1 試驗用非石棉墊片試樣

1.2 測試方案

非石棉墊片試樣測試試驗在自制的泄漏率測試平臺上進行，該測試平臺設計的最大載荷量程為1 000 kN，測量精度為10-5mL/s，最大可測墊片外徑為252 mm。試驗的介質為高純氮氣，最大介質壓力為10 MPa。

按照GB/T 12385—2008《管法蘭用墊片密封性能試驗方法》［13］，非石棉墊片試樣的泄漏率測試試驗在室溫下進行，試驗過程中施加的預緊應力 SG等級分別為20、25和 30 MPa，介質壓力 p等級分別為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa。為保證試驗數據的可靠性，對相同規格的墊片重復進行3次試驗，以3次試驗的平均值作為試驗測試值。

2 非石棉墊片泄漏率測試結果與討論

2.1 試驗數據曲線

2.1.1 DN50 mm墊片

測定DN50 mm墊片試樣在預緊應力為20、25、30 MPa，介質壓力為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa條件下的泄漏率。

將試驗數據繪制成泄漏率-介質壓力曲線，結果見圖2。

圖2 DN50 mm非石棉墊片泄漏率曲線

從圖2可以看出，DN50 mm墊片試樣的L值隨著p的提高而增大，隨SG的提高而降低。p從0.5 MPa增加到1 MPa時，L值增加的速率較快。當SG為25 MPa和30 MPa時，其L值較為接近。在所選的試驗條件下，DN50 mm墊片試樣的L值在 3.0×10-4～1.9×10-2mL/s。

2.1.2 DN65 mm墊片

測定DN65 mm墊片試樣在預緊應力為20、25、30 MPa，介質壓力為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa條件下的泄漏率，

將試驗數據繪制成泄漏率-介質壓力曲線，結果見圖3。

圖3 DN65 mm非石棉墊片泄漏率曲線

從圖3可以看出，DN65 mm墊片與DN50 mm墊片的泄漏率變化規律大致相同，L值隨著p的提高而增大，但在SG為30 MPa、p為1.5 MPa處，泄漏率曲線出現了小幅波動，隨著后續p的提高，L值緩慢增大。在預緊應力和介質壓力相同的情況下，DN65 mm墊片的泄漏率要大于DN50 mm墊片的。DN65 mm墊片試樣的泄漏率在 4.0×10-4～4.4×10-2mL/s。

2.1.3 DN80 mm墊片

測定DN80 mm墊片試樣在預緊應力為20、25、30 MPa，介質壓力為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa條件下的泄漏率。

將試驗數據繪制成泄漏率-介質壓力曲線，結果見圖4。

圖4 DN80 mm非石棉墊片泄漏率曲線

從圖4可以看出，DN80 mm墊片試樣的泄漏率分布規律與DN50 mm的基本相同。

2.1.4 DN100 mm墊片

測定DN100 mm墊片試樣在預緊應力為20、25、30 MPa，介質壓力為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa條件下的泄漏率。

將試驗數據繪制成泄漏率-介質壓力曲線，結果見圖5。

圖5 DN100 mm非石棉墊片泄漏率曲線

從圖5可以看出，DN100 mm墊片試樣在SG為30 MPa的情況下，泄漏率出現了一定的波動，此現象與DN65 mm墊片試樣出現的泄漏率下降的情況相似。

2.1.5 DN125 mm墊片

測定DN125 mm墊片試樣在預緊應力為20、25、30 MPa，介質壓力為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa條件下的泄漏率。

將試驗數據繪制成泄漏率-介質壓力曲線，結果見圖6。

圖6 DN125 mm非石棉墊片泄漏率曲線

從圖6可以看出，DN125 mm墊片的泄漏率分布規律與DN50 mm、DN80 mm墊片的基本相同。

2.1.6 總體規律

SG和p相同情況下，墊片的L值會隨墊片尺寸的增大而增大。如在SG為30 MPa，p為0.5 MPa時，DN50 mm、DN65 mm、DN80 mm、DN100 mm 及 DN125 mm墊片 L 值分別為 3.0×10-4、4.0×10-4、6.0×10-4、7.0×10-4和 9.0×10-4mL/s。

墊片在相同預緊應力作用下，其L值隨著p的提高而增大；在相同介質壓力下，其L值隨著SG的提高而降低。隨著墊片尺寸的增大，L值呈增加趨勢，其主要原因是：當密封面寬度接近時，隨著墊片外徑的增大，其泄漏通道數量隨之增加，最終導致泄漏率增大。

2.2 泄漏率試驗數據擬合

2.2.1 流動模型

應用試驗數據和流動模型擬合泄漏率計算公式，可以在不具備泄漏率實測條件時提供相對準確的預測值。近年來研究者們對墊片的泄漏模型和失效機理開展了大量研究，采用不同的流動模型分析了泄漏率與氣體介質的關系［14-15］。

多孔介質模型是最常用的墊片泄漏模型，模型中包含了分子流與層流2個部分。文中研究的非石棉墊片泄漏類型主要是層流泄漏，分子流部分的泄漏可忽略不計。所以泄漏模型的泄漏率L計算公式為：

式中，AL、nl為回歸系數；ηx為氣體動力黏度，本試驗中氣體介質的 ηx為 1.75×10-5kg/(m·s)；SG0為預緊比壓，MPa；Dx為墊片的外徑，D0為DN 125 mm墊片的標準外徑，mm。

2.2.2 模型修正

基于式（1）的泄漏率模型，采用Statistica軟件對試驗數據進行擬合，得到 AL=5.63×10-9、nl=-6.36。擬合后的相關系數為0.83，與試驗結果吻合度較差，將泄漏率計算模型修正為以下公式。

式中，p0為標準介質壓力， 為 3.0 MPa；n1、ml、μl為回歸系數。

2.2.3 預測效果

基于式（2）的泄漏率計算模型修正計算式，通過擬合分析得到 AL=1.12×10-7、nl=-7.11、ml=2.08、μl=4.49。改進后擬合得到的相關系數為0.97，與試驗結果吻合度較高。以DN125 mm非石棉墊片在SG為20 MPa下的情況為例，將試驗得到的數據與2個泄漏率模型進行對比分析，結果見圖7。圖7表明，改進后的泄漏率模型與試驗結果具有更好的一致性。

圖7 非石棉墊片泄漏率試驗數據與預測模型對比曲線

2.3 含缺陷墊片泄漏率分析

以DN125 mm墊片試樣為試驗對象，加工厚度約0.3 mm的裁刀，在萬能試驗機（DDL-100）上施加不同的位移載荷來形成不同深度的徑向劃痕，設計的劃痕深度分別為0.05、0.1、0.15和 0.2 mm。通過奧林巴斯光學顯微鏡（GX51）對不同深度劃痕的寬度進行測量，劃痕的顯微鏡照片見圖8。

圖8 非石棉墊片劃痕顯微鏡照片

在30 MPa的預緊應力作用下，對4個不同劃痕深度的墊片進行泄漏率測試，并與無劃痕墊片的泄漏率進行比較，結果見圖9。

圖9 不同劃痕深度的墊片泄漏率曲線

圖9表明，墊片劃痕深度較淺時（0.05 mm），泄漏率與無劃痕墊片的泄漏率相差不多，泄漏率曲線基本重合，輕微缺陷對墊片的密封效果影響不大。無劃痕墊片的L值最小為9.0×10-4mL/s；當墊片的劃痕深度為0.05 mm時，墊片的L值最小為1.1×10-3mL/s；當劃痕深度為0.1 mm時，墊片L值最小為1.8×10-3mL/s，墊片泄漏率增幅較為明顯。當劃痕深度為0.15 mm時，墊片的L值最小為8.8×10-3mL/s，墊片泄漏率增幅顯著；當劃痕深度達到0.2 mm時，墊片L值最小為2.1×10-3mL/s，此墊片在介質壓力提高至3 MPa時，L值達到了0.27 mL/s，墊片密封失效。

3 結語

對不同介質壓力和預緊應力工況下不同尺寸的非石棉墊片進行了泄漏率測試，獲得了非石棉墊片L值與p、SG、墊片尺寸之間的定量關系。對現有泄漏率計算模型進行修正，改進后模型擬合相關系數達到0.97，模型的預測結果與試驗結果有較好的一致性。對含缺陷墊片的泄漏率進行測試，結果表明，輕微缺陷（劃痕深度小于0.05 mm）對墊片密封性能影響不大，隨著劃痕深度的增加，墊片密封效果變差。