金屬纏繞墊片結構參數對壓縮-回彈性能的影響

王修慧 李慧芳 錢才富

摘要：為分析金屬纏繞墊片結構參數對螺栓法蘭連接系統密封失效的影響規律，以柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片為研究對象，采用試驗與數值模擬相結合的方法研究墊片的壓縮-回彈性能，并以墊片外緣最小壓應力為指標分析螺栓法蘭連接系統的密封性能，考核墊片結構參數對墊片外緣最小壓應力和密封性能的影響。結果表明：試驗與有限元數值模擬得到的柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片的非線性壓縮-回彈曲線吻合很好;與工程常用的柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片結構參數相比，適當減小金屬帶寬度、石墨帶寬度、纏繞層數及金屬帶角度可以在不同程度上提高螺栓法蘭連接系統的密封性能。

關鍵詞：金屬纏繞墊片;壓縮;回彈;壓應力;金屬帶;結構參數

中圖分類號：TP391.99;TQ051.3

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2021）03-0055-06

DOI：10.13340/j.cae.2021.03.010

Abstract：To?analyze?the?influence?of?structural?parameters?of?metal?spiral?gasket?on?sealing?failure?of?bolted?flange?connection?system，?the?flexible?graphite-stainless?steel?spiral?gasket?is?studied.?The?compression-rebound?performance?of?the?gasket?is?studied?by?means?of?test?and?numerical?simulation.?Taking?the?minimum?compressive?stress?at?the?outer?edge?of?the?gasket?as?the?index，?the?sealing?performance?of?the?bolted?flange?connection?system?is?analyzed，?and?the?influence?of?gasket?structural?parameters?on?the?minimum?compressive?stress?of?gasket?outer?edge?and?sealing?performance?is?studied.?The?results?show?that?the?nonlinear?compression-rebound?curves?of?flexible?graphite-stainless?steel?spiral?gasket?obtained?by?finite?element?numerical?simulation?agree?well?with?the?test?results.?Compared?with?the?structural?parameters?of?flexible?graphite-stainless?steel?metal?spiral?gasket?commonly?used?in?engineering，??the?sealing?performance?of?bolted?flange?connection?system?can?be?improved?to?varying?degrees?by?appropriately?reducing?the?width?of?metal?belt，?the?width?of?graphite?belt，?the?number?of?winding?layers?and?the?angle?of?metal?belt.

Key?words：metal?spiral?gasket;compression;rebound;compressive?stress;metal?belt;structural?parameter

由于墊片的工作過程有壓縮和回彈2個階段，因此設置2個載荷步進行模擬。第一個載荷步模擬壓縮過程，對上法蘭施加軸向位移載荷;第二個載荷步模擬卸載過程，使上法蘭回到初始位置。為得到多條卸載曲線，對上法蘭分別施加0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8?mm的位移載荷進行模擬。

1.3?有限元模擬結果

1.3.1?墊片壓應力計算

墊片的實際承載體是其纏繞部分，標準中規定沒有柔性石墨帶填充的金屬帶不計入密封面，因此，墊片的實際密封面積

式中：S為墊片纏繞部分面積，mm2;D3為墊片纏繞部分外徑，mm;D2為墊片纏繞部分內徑，mm。

墊片上的壓應力

式中：F為墊片上的壓力，即下法蘭的支反力。

按式（2）可計算出不同位移階段墊片上的壓應力，從而得到柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片的壓縮-回彈性能曲線，結果見圖6。對于墊片壓縮-回彈性能曲線：給定位移對應的壓應力越大，表明墊片剛性越大;卸載后的殘余變形（位移）越大，表明塑性變形越大，彈性變形越小，即墊片回彈性能越差。

1.3.2?模擬結果與試驗結果對比

采用上述結果處理方法，將施加0.5和0.7?mm位移載荷分析得到的墊片壓縮-回彈模擬曲線與試驗得到的曲線進行對比，結果見圖7。由此可知，有限元模擬結果與試驗結果吻合很好，可以認為本文的纏繞式墊片壓縮-回彈有限元模擬可信。

1.3.3?螺栓法蘭連接系統密封性能評價

螺栓法蘭連接系統能夠形成密封的關鍵是墊片上形成壓應力，即密封比壓。對于給定結構和材料的墊片，其壓應力能反映法蘭連接系統的密封性能。王修慧等[11]研究發現，在預緊工況和操作工況下，法蘭連接系統中墊片的壓應力均呈現沿徑向不均勻的環帶狀分布，且外緣環帶壓應力絕對值最大。所以，對于界面密封，墊片密封面上外緣的最小壓應力是法蘭連接系統密封性能的決定性因素。本文采用操作工況下墊片外緣的最小壓應力評價螺栓法蘭連接系統的密封性能。

為更符合工程實際結構，建立公稱直徑為DN300的柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片二維有限元模型，金屬帶寬度、石墨帶寬度、金屬帶角度均與第1.2.1節有限元模型相同。分析得到不同結構參數下墊片的壓縮-回彈曲線，并將該曲線應用于文獻[11]介紹的螺栓法蘭連接系統有限元模型的墊片材料設置中，分析得到不同結構參數下法蘭連接系統的墊片外緣最小壓應力。為定量比較，以金屬帶寬度為0.24?mm、石墨帶寬度為0.48?mm、纏繞層數為15層、金屬帶V形角度為110°的墊片作為對比墊片（該尺寸接近工程上常用的柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片），計算各參數變化后墊片外緣的最小壓應力與對比墊片外緣的最小壓應力之間的相對變化率，進而分析螺栓法蘭連接系統的密封性能。墊片外緣最小壓應力相對變化率定義為參數變化后墊片外緣最小壓應力減去對比墊片外緣最小壓應力的差值與對比墊片外緣最小壓應力的比值。

顯然，若參數變化使得相對變化率為正，則意味著墊片外緣最小壓應力增大，螺栓法蘭連接系統的密封性能提高;反之，若參數變化使得相對變化率為負，則表明墊片外緣最小壓應力減小，螺栓法蘭連接系統的密封性能下降。

2?金屬纏繞墊片結構參數分析

2.1?金屬帶寬度對墊片密封性能的影響

金屬帶是柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片的骨架，起主要支撐作用。《鋼制管法蘭用纏繞式墊片》（HG/T?20610—2009）規定，纏繞墊片金屬帶寬度為0.20?mm±0.02?mm。在有限元模型中，保證石墨帶的寬度為0.48?mm不變，金屬帶寬度分別取0.18、0.20、0.22和0.24?mm，其他墊片結構參數和有限元模型的設置均不改變，模擬得到各金屬帶寬度對應的壓縮-回彈性能曲線，分析金屬帶寬度對纏繞式墊片壓縮-回彈性能和法蘭連接系統密封性能的影響。位移載荷為0.60?mm時模擬得到的壓縮-回彈性能曲線見圖8。

由此可知，當其他參數不變時，在相同位移載荷作用下：金屬帶越寬，墊片壓應力越大，即墊片抵抗變形的能力越強;隨著金屬帶寬度增加，墊片的回彈性能略有降低。

墊片外緣最小壓應力及其相對變化率隨金屬帶寬度的變化見圖9。由此可以看出，隨著金屬帶寬度的減小，墊片外緣最小壓應力增大。由相對變化率曲線可以看出，與金屬帶寬度0.24?mm的對比墊片相比，當金屬帶寬度減小到0.18?mm時，墊片外緣最小壓應力提高10%以上，這表明墊片密封性能也有較大提高。

2.2?石墨帶寬度對密封性能的影響

取金屬帶寬度為0.24?mm，其他墊片結構參數和有限元模型的設置均不改變，對石墨帶寬度分別為0.40、0.48、0.60、0.70和0.80?mm的墊片進行壓縮-回彈有限元模擬，得到不同石墨帶寬度對應的墊片壓縮-回彈性能曲線。位移載荷為0.60?mm時模擬得到的壓縮-回彈性能曲線見圖10。由此可知，當其他參數不變時，在相同位移載荷下，不同石墨帶寬度的墊片壓應力幾乎一致，說明石墨帶寬對墊片的壓縮性能幾乎無影響，但隨著石墨帶寬增加，墊片的回彈性能明顯增強。

墊片外緣最小壓應力及其相對變化率隨石墨帶寬度的變化見圖11。隨著石墨帶寬度的增大，墊片外緣最小壓應力減小。由相對變化率曲線可以看出，與石墨帶寬度0.48?mm的對比墊片相比，若將石墨帶寬度增加到0.80?mm，墊片外緣最小壓應力可減小10%，意味著密封性能也有所降低;反之，若將石墨帶寬度減小到0.40?mm，墊片外緣最小壓應力可增加10%，意味著密封性能也有所提高。

2.3?金屬帶纏繞層數對密封性能的影響

柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片的金屬帶纏繞層數沒有明確的規定，通常由生產廠家根據實際尺寸進行合理設計。在墊片二維有限元模型中，金屬帶寬度保持0.24?mm，石墨帶寬度保持0.48?mm，其他參數和設置均不變，內附柔性石墨帶的金屬帶纏繞層數分別取13、14、15、16和17層，分析纏繞層數對墊片性能和法蘭密封性能的影響。位移載荷為0.60?mm時的模擬結果見圖12。

由此可知，當其他參數不變時，在相同位移載荷作用下，隨著金屬帶纏繞層數增加，墊片壓應力值略有增大，墊片抵抗變形的能力增強，但墊片回彈性能保持不變。

墊片外緣最小壓應力及其相對變化率隨墊片金屬帶纏繞層數的變化見圖13。隨著纏繞層數增加，墊片外緣最小壓應力下降。由相對變化率曲線可以看出：與15層纏繞層的對比墊片相比，若將纏繞層數增加到17層，墊片外緣最小壓應力減小10%以上，意味著密封性能有所降低;反之，若將纏繞層數減小到13層，墊片外緣最小壓應力增加約18%，意味著密封性能明顯提高。

2.4?金屬帶角度對密封性能的影響

本文研究的柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片的金屬帶為V形，V形的角度在標準中沒有明確規定，通常由生產廠家合理選擇。取其他參數不變，模擬V形金屬帶角度分別為90°、100°、110°、120°和130°的纏繞墊片的壓縮-回彈過程。位移載荷為0.60?mm時墊片的壓縮-回彈曲線見圖14。

由此可知，當其他參數不變時，在相同位移載荷下，隨著金屬帶角度增大，墊片壓應力明顯增大，墊片抵抗變形的能力增強，但隨著金屬帶角度增大，墊片的回彈性能略有降低。

墊片外緣最小壓應力及其相對變化率隨金屬帶角度的變化見圖15。

由此可知，當其他參數不變時，隨著金屬帶角度增大，墊片外緣最小壓應力降低。由相對變化率曲線可以看出，與金屬帶角度110°的對比墊片相比，若將金屬帶角度增加到130°，墊片外緣最小壓應力減小3.3%，意味著密封性能也會有所降低;反之，若將金屬帶角度減小到90°，墊片外緣最小壓應力增加不到2%，意味著密封性能僅稍有提高。

3?結?論

金屬纏繞墊片在工程上應用廣泛，其壓縮-回彈性能是影響墊片密封性能的關鍵參數之一。本文對金屬纏繞墊片的壓縮-回彈性能進行試驗和數值模擬，并研究墊片結構參數對墊片外緣最小壓應力的影響，結論如下。

（1）試驗測量柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片的非線性壓縮-回彈曲線，采用有限元數值模擬建立金屬纏繞墊片二維軸對稱模型，模擬墊片壓縮-回彈過程，試驗與模擬結果吻合較好。

（2）與工程常用的柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片結構參數相比，適當減小金屬帶寬度、石墨帶寬度、纏繞層數及金屬帶角度可以在不同程度上提高螺栓法蘭連接系統的密封性能;反之，增加金屬帶寬度、石墨帶寬度、纏繞層數及金屬帶角度會在一定程度上使系統的密封性能下降。

（3）螺栓法蘭連接系統的密封問題非常復雜，既與墊片性能有關，又與介質特性以及連接系統中各構件的剛度有關。本文僅研究金屬纏繞墊片壓縮回彈性能及結構參數影響，更深入的研究應以螺栓法蘭連接系統為對象，以泄漏率為指標，進行試驗測試和數值模擬。

參考文獻：

[1]?顧伯勤，?陳永林，?陸曉峰.?墊片密封技術研究現狀與展望[J].?石油化工設備，?2001（5）：41-44.

[2]?朱四化.?淺談石油管道連接法蘭密封泄漏的分析與預防措施[J].?化工管理，?2014（29）：211.?DOI：10.3969/j.issn.1008-4800.2014.29.183.

[3]?王銘松，?李居海.?靜密封失效分析及墊片選型[J].?聚酯工業，?2007，?20（4）：54-56.?DOI：10.3969/j.issn.1008-8261.2007.04.017.

[4]?黃秀寬，?楊彤，?寧波.?反應堆一回路法蘭密封失效原因分析及改進[J].?設備管理與維修，?2017（6）：21-22.?DOI：10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.06.07.

[5]?KRISHNA?M?M，?SHUNMUGAM?M?S，?PRASAD?N?S.?A?study?on?sealing?performance?of?bolted?flange?joints?with?gaskets?using?finite?element?analysis[J].?International?Journal?of?Pressure?Vessels?and?Piping，?2007，?84（6）：349-357.?DOI：10.1016/j.ijpvp.2007.02.001.

[6]?JASZAK?P.?Adaptation?of?a?highly?compressible?elastomeric?material?model?to?simulate?compressed?expanded?graphite?and?its?application?in?optimization?of?graphite-metallic?structure[J].?Journal?of?Brazilian?Society?of?Mechanical?Sciences?and?Engineering，?2020，?42：224-268.?DOI：10.1007/s40430-020-02311-8.

[7]?喬天星.?柔性石墨金屬纏繞墊片壓縮回彈性能影響因素研究[D].?太原：太原理工大學，?2015.

[8]?梁宇翔.?螺栓法蘭接頭墊片安全密封性能分析[D].?蘭州：蘭州理工大學，?2017.

[9]?王振北.?Ⅰ+Ⅱ復合型裂紋在奧氏體不銹鋼O6Cr19Ni10中擴展的研究[D].?北京：北京化工大學，?2014.

[10]?楊棟君，?顧伯勤.?不同金屬骨架變形特性對柔性石墨復合墊片力學性能的影響[J].?南京工業大學學報（自然科學版），?2013，?35（4）：105-109.?DOI：10.3969/j.issn.1671-7627.2013.04.022.

[11]?王修慧，?李慧芳，?錢才富.?不均勻預緊對螺栓法蘭墊片接頭密封性能的影響[J].?北京化工大學學報（自然科學版），?2021，?48（2）：75-83.?DOI：10.13543/j.bhxbzr.2021.02.010.

（編輯?武曉英）