柔性石墨金属波齿复合垫片金属骨架结构参数的研究

刘宏超，任建民

（辽宁石油化工大学机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

柔性石墨金属波齿复合垫片金属骨架结构参数的研究

刘宏超，任建民

（辽宁石油化工大学机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

在金属波齿复合垫片的金属骨架上，施加一定的压紧应力（45 MPa）。在三组的不同结构参数下，采用有限元法对三种不同齿尖厚度做对比分析，了解它的密封性能。分析结果表明，在齿尖部位，随着其厚度的增加，波齿环上的应力出现迅速均化的现象，整体变形减小。可知，适当的齿尖厚度，能够使波齿垫片的承载能力得到极大的提高。

金属骨架；结构参数；有限元应力分析

垫片密封是过程工业装置中压力容器、工艺设备、动力机器和连接管道等可拆连接处最主要的静密封型式。目前常用的一些垫片如橡胶板垫、缠绕垫、包覆垫和金属齿形垫等存在易散架、易压溃和预压紧力较高等缺陷［1］，基本上难以满足各种各样的密封要求。

波齿复合垫片是近年来在石油化工等过程工业中应用较广泛的静密封元件之一，其主体是由带多道同心圆波齿的金属骨架和两侧的柔性石墨覆层复合而成。具有密封性能优异、回弹性能好、使用寿命长、安全可靠性高、适应性广等一系列优点，已广泛用于石油化工等行业的法兰连接设备和管道静密封上［2］。然而对垫片性能起决定作用的金属骨架结构，绝大多数厂家仅凭经验生产，缺乏科学的理论分析，致使垫片性能差异很大，安全可靠性得不到保证。因此，合理设计骨架的波齿结构是非常必要的。

1 垫片结构型式与密封原理

1.1 结构型式

柔性石墨金属波齿复合垫片的结构型式分为基本型、带定位环型和带隔条型［3］。金属波齿垫片骨架结构分为“V”形槽、梯形槽和圆弧形槽，齿型分为对齿和错齿两种形式［4］。金属骨架材料有08(10)或类似低碳钢、1Crl3、0Crl8Ni9或类似奥氏体不锈钢、蒙奈尔合金或其他特殊材料。基本型垫片的结构及组成如图1所示，垫片整体厚度为T, 圆弧半径为R，齿间距为P，齿深为h，齿厚度为t，D2为内径，D3为外径，网格处为柔性石墨层。

图1 基本型柔性石墨金属波齿复合垫片Fig.1 Basic type of flexible graphite metal toothed compound gasket

1.2 密封原理

柔性石墨金属波齿复合垫片的金属骨架具有良好的压缩性和回弹性，使用时在螺栓法兰上施加一定的预紧应力，将柔性石墨材料压入骨架和法兰的沟槽中，金属骨架上下表面的环形齿尖和法兰紧密接触。当法兰被进一步加大应力时金属骨架产生弹性变形，会使膨胀石墨受到压缩，使其封闭在金属骨架和法兰面之间形成的环形密闭空间里［5］。于此，整个波齿复合垫片就形成了多道的金属材料和膨胀石墨材料相结合的双重密封。

2 波齿垫片金属骨架的性能研究

2.1 数值模拟计算

根据我国2003年12月出版发行的中华人民共和国国家试验标准，波齿垫片骨架的试样规格是φ 120.5 mm×φ84 mm×3.0 mm［6］。本文作者主要研究基本型垫片，其内径D2=84 mm、外径D3=120.5 mm、骨架厚度t=3 mm、齿尖厚度分别为0 mm、0.05 mm和0.1 mm。金属波齿复合垫片的骨架结构，其具体结构尺寸如表1。

表1 本研究中的波齿复合垫片结构尺寸Table 1 Structure size of the wave tooth composite gasket

ANSYS结构分析是有限元分析中最常用的一个应用领域，主要用于确定结构或部件上引起的位移、应力、应变、变形和力等，正符合研究垫片的形变和应力分布情况。由于垫片只承受轴向载荷力的作用，而在几何和载荷方面均属于轴对称，所以可以看作平面问题分析，齿尖宽为0.1 mm波齿垫片骨架横截面示意图如图 2。前期处理中，单元类型采用“plane42”，材料的弹性模量为 2.06el1，泊松比为0.3［7］。边界条件和载荷方面，在模型两端沿x方向固定、上表面限制y方向移动、下表面y向施加轴向载荷45 MPa［8］。划分可采用自由网格划分方法，单元采用四边形单元，由于各种垫片在结构参数上的差异，各个垫片骨架模型网格划分后，节点数1 000左右，四边形单元数在900左右，齿尖宽为0.1 mm波齿垫片骨架单元网格划分情况见图3。

图2 波齿垫片骨架横截面示意图Fig.2 Corrugated gasket skeleton cross-sectional schematic

图3 波齿垫片骨架单元网格划分Fig.3 Corrugated gasket skeleton unit mesh

2.3 加载求解

计算模型所加的载荷和边界条件，0.1 mm 齿尖宽波齿垫片骨架承载见图4，3种规格垫片其边界条件是相同的。

图4 波齿垫片骨架承载Fig.4 Corrugated gasket skeleton carrying

3 波齿垫片骨架数值分析结果

通过对垫片金属骨架进行数值模拟得出金属骨架受力后的轴向应力分布和变形，由此分析不同结构参数对垫片金属骨架力学性能的影响，图5是齿尖宽为0.1 mm波齿复合垫片骨架变形图；图6-14分别是齿尖宽为0 mm、0.05 mm和0.1 mm波齿复合垫片骨架沿垫片骨架下表面(加载面)节点的轴向应力分布等值线图。

图5 垫片骨架变形图Fig.5 Gasket skeleton deformation Figure

3.1 0 mm齿尖宽结构

图6 R=2 mm轴向应力等值线图Fig.6 R = 2 mm axial stress contour map

图7 R=2.5mm轴向应力等值线图Fig.7 R = 2.5 mm axial stress contour map

图8 R=3 mm轴向应力等值线图Fig.8 R = 3 mm axial stress contour map

3.2 0.05 mm齿尖宽结构

图9 R=2 mm轴向应力等值线图Fig.9 R = 2 mm axial stress contour map

图10 R=2.5 mm轴向应力等值线图Fig.10 R = 2. mm axial stress contour map

图11 R=3mm轴向应力等值线图Fig.11 R = 3mm axial stress contour map

3.3 0.1 mm齿尖宽结构

图12 R=2 mm轴向应力等值线图Fig.12 R = 2 mm axial stress contour map

图13 R=2.5 mm轴向应力等值线图Fig.13 R = 2.5 mm axial stress contour map

图14 R=3 mm轴向应力等值线图Fig.14 R = 3 mm axial stress contour map

4 结果分析

（1）从图6-8中可以看出，在齿尖厚度为0 mm时，在齿距比较小的时候，整个波齿环上的受力分布比较均匀，且齿尖应力比较集中，最大应力很小，可以看出，整体的受载变形不大，整个波齿环的刚度比较大。当齿距增大的时候，齿峰的应力增加比较迅速，整个波齿环上的应力分布趋于分散，受载变形趋于增大，整个波齿环上的刚度变小。

（2）从图9-14中可以看出，在齿尖部位，随着厚度的增加，齿环上的应力出现了迅速均化现象，整体变形减小，可知，适当的齿尖厚度在某种程度上可以提高垫片的承载能力。同时，随着半径圆弧的R值的增大，相应点的最大应力值也增大，说明大圆弧条件下的承载能力削弱，柔性增大，有利于形成预紧密封，可知，小圆弧多齿数的波齿复合垫片具有更好的承载能力，且最大应力均作用在齿尖部。

（3）应用 ansys软件对波齿环进行数值模拟的分析结果来看，波齿垫片的受力状况随着齿尖厚度、圆弧半径、齿距和齿数的变化而变化，所以在生产制造时，对于波齿环结构的具体尺寸必须进行严格的控制。

5 结 论

运用有限元软件对波齿环进行数值模拟计算，根据应力的分布情况，可知波齿环的结构参数，对波齿复合垫片的性能有直接的影响，结构参数的优化和新型垫片的开发需要通过实验进一步论证。下一步的主要任务就是在金属骨架方面，选用各种不同的齿尖厚度、圆弧半径、金属骨架厚度及齿深，在标准的实验压紧应力条件下进行对比分析，从而获得最佳结论。

［1］ 顾伯勤. 静密封设计技术[M]. 北京: 中国标准出版社, 2004.

［2］ 刘宗良，刘东. 金属波纹垫片及其发展[J]. 石油化工设备技术, 2001, 22(5): 39-40.

［3］ GB/T 19066.1-2003柔性石墨金属波齿复合垫片分类[S]. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2003-12.

［4］ 张文娟，段兹华. 石墨波齿复合垫片的密封性能[J].化工进展，2006，25：625-627.

［5］ 李多民，段兹华，仇性启.波齿复合垫片常温压缩回弹性能实验研究[J].润滑与密封，2009，34（3）：91-93．

［6］ GB/T 19066.3-2003柔性石墨金属波齿复合垫片技术条件[S]. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2003-12.

［7］ 李多民．石墨金属波齿复合垫片力学性能的有限元分析[J].润滑与密封，2009，34(11)：64-67．

［8］ 尚庆军，周先军．波齿复合垫片结构参数研究[J].压力容器，2003，20（7）：13-15．

Study on Metal Skeleton Structural
Parameters of Flexible Graphite Corrugated Metal Gaskets

LIU Hong-chao，REN Jian-min
（School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Exerting a certain degree of compression stress（45 MPa）on metal skeleton of the composite corrugated metal gasket，under three groups of different structural parameters,three different tooth tip thicknesses were compared and analyzed by the finite element method to understand the sealing performance. The analysis results show that at the tooth tip site, with the increase of its thickness, the stress on the wave gear ring appears the phenomenon of rapid homogenization, the overall deformation decreases. The results show that suitable tooth tip thickness can increase the carrying capacity of the corrugated gasket.

Metal skeleton；Structural parameter；Finite element stress analysis

TB 42

A

1671-0460（2012）06-0617-03

2012-03-17

刘宏超（1984-），男，辽宁凌源人，辽宁石油化工大学在读硕士研究生，研究方向：密封技术。E-mail：13842357469@163.com。