柔性石墨金属波齿复合垫片的分级研究

陈 元, 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的分级研究

陈 元, 任建民

（辽宁石油化工大学 机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

对柔性石墨金属波齿复合垫片的标准进行了剖析，发现同一压力级别不同名义尺寸的垫片，绝大部分的预紧比压在某一应力水平附近波动，同一名义尺寸不同压力级别的垫片预紧比压各不相同。利用ANSYS WORKBENCH对柔性石墨金属波齿复合垫片进行有限元数值模拟，计算出在规定预紧比压下不同结构参数的柔性石墨金属波齿复合垫片的压缩率，结果表明在相同预紧比压作用下不同结构的垫片压缩率各不相同。即可以通过调整垫片结构参数达到调整垫片压缩回弹性能的目的。据此，可以实现柔性石墨金属波齿复合垫片生产按压力等级区分。

金属骨架; 等级划分; 有限元分析

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。虽然法兰接头与泵轴、阀杆、搅拌器轴等密封相比，其泄露量不及它们大，但法兰接头的数量则比它们多得多，因此它们成为过程装备泄露的主要来源［1］。波齿复合垫片是用于静密封的垫片之一，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。自20世纪90年代应用以来，因其具有密封性能优异、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的密封上［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，不区分压力等级使用，致使垫片性能差异很大，安全可靠性得不到保证。因此，研究波齿复合垫片的分级技术是非常必要的。

柔性石墨金属波齿复合垫片的性能很大程度上受构造材料、结构设计、制造工艺、使用工况等多种因素的影响。GB/T 12622-2008中柔性石墨金属波齿复合垫片以45 MPa预紧比压来评价压缩率、回弹率及密封性能，而未考虑工况的影响，这导致了低压力级别的法兰连接中由于螺栓尺寸较小，数量较少，柔性石墨金属波齿复合垫片的压缩刚度较大而不能被完全压缩；高压力级别法兰连接中，螺栓尺寸较大，数量较多，柔性石墨金属波齿复合垫片刚性较小而被压溃，从而影响该产品的安全使用。

1 垫片结构型式和密封原理

柔性石墨金属波齿复合垫片的结构型式有基本型、带定位环型和带定位耳型。基本型柔性石墨金属波齿复合垫片适用于榫槽面和凹凸面法兰，带定位环型和带定位耳型柔性石墨金属波齿复合垫片适用于全平面和突面法兰［3］。柔性石墨金属波齿复合垫片在预紧力作用下，柔性石墨被压缩并填补法兰密封面上的缺陷，金属骨架上的一道道环状齿峰与法兰密封面形成线密封。显然，要产生初始密封的基本要求是压缩垫片，使其与密封面间产生足够的压力（即垫片预紧应力），以阻止介质通过材料本身的渗透，同时保证垫片对连接件有较大的顺应性，即垫片材料受压缩后发生的弹性或弹塑性变形能够填塞密封面的变形和表面粗糙度，以堵塞界面泄露的通道［1］。

2 预紧比压的计算

表1 Class 300～1 500垫片的预紧比压Table 1 The initial compression stress of the gaskets under Class 300～1 500

传统垫片设计是根据施加足够大小的螺栓载荷将垫片压缩到规定的厚度。柔性石墨金属波齿复合垫片的预紧比压参考ASME B16.5［4］和ASME B16.20［5］。进行计算。螺栓法兰连接系统中，法兰选自HG/T 20615-2009《钢制管法兰（Class系列）》凹凸面带颈对焊钢制管法兰，垫片选自GB 19066.1-2008《柔性石墨金属波齿复合垫片》凹凸面法兰用基本型柔性石墨金属波齿复合垫片。公式计算如下：

式中：

AB、AG—螺栓根径截面积、垫片全接触面积；

FB、FTB—螺栓拉伸载荷、螺栓总拉伸载荷；

DB、DO、DI—螺栓根径、垫片外径和垫片内径；

NB—螺栓个数；

SB—螺栓预紧应力(≤M22 mm, SB=174 MPa;M24～M48, SB=203 MPa)；

SG—垫片预紧应力（或预紧比压）。

按式（1）-（5）计算得到与不同压力级别对应的各个名义尺寸的垫片预紧比压，如表1所示。

为了更清楚地说明同一压力级别的垫片不同名义尺寸和预紧比压的关系以及同一名义尺寸的垫片不同压力级别与预紧比压的关系，把压力级别为Class900各名义尺寸的垫片预紧比压和名义尺寸为100 mm各压力级别的垫片预紧比压示于图1、图2中。

图1 Class 900下名义尺寸与预紧比压的关系Fig.1 The relationship between DN and initial compression stress in Class900

图2 DN100下压力等级与预紧比压的关系Fig.2 The relationship between Classes and initial compression stress in Class 900

由图1和图2可以看出，同一压力级别不同名义尺寸的垫片，绝大部分的预紧比压在某一应力水平附近波动。同一名义尺寸不同压力级别的垫片预紧比压各不相同。据此，柔性石墨波齿复合垫片按压力等级进行区分是可行的。

3 柔性石墨金属波齿复合垫片的有限元分析

Workbench 是ANSYS软件中的一个重要模块，与CAD软件无缝衔接，可以方便地导入非常复杂的三维模型进行分析。尤其在对大型复杂的装配件进行分析时，网格划分独具特色，其智慧化的网格建立技术，可以依据模型几何形状建立出高品质的网格，有效缩短求解运算的时间，确保分析精度及准确性。

3.1 结构参数

垫片选自GB 19066.1-2008中的Class900、DN100凹凸面法兰用基本型柔性石墨金属波齿复合垫片。其结构如图3所示，尺寸如表2所示。

图3 柔性石墨金属波齿复合垫片的几何图Fig.3 Geometric figure of flexible graphite coveredwave-serrated metal gaskets

表2 垫片的结构尺寸Table 2 The structural dimensions of the gasket mm

3.2 各元件材料特性

波齿复合垫片的金属骨架材料采用线性强化弹塑性本构，柔性石墨材料采用理想弹塑性本构［6］。金属骨架和柔性石墨材料属性见表3。石墨材料与金属骨架间的接触类型设为Bond。

表3 各非线弹性元件的材料性质Table 3 Material properties of nonlinear elastic parts

3.3 有限元分析及结果

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，所以将其简化为平面问题分析。当预紧比压为100.8 MPa时，垫片的应力及变形图如4-5所示。垫片的压缩量为1.089 5 m m，压缩率为36.3%。同样地，改变垫片金属骨架的齿距p、齿深h和齿厚t，计算得到在各种结构参数下的垫片压缩量和压缩率。AMSE和GB/T19066. 3-2003中规定垫片的压缩率在35%左右，这里将压缩率为35%作为参考指标。其结果如表4所示。

图4 垫片的应力分布图Fig.4 Stress distribution of the gasket

图5 垫片的变形图Fig.4 Deformation of the gasket

表4 金属骨架与压缩率的关系Table 4 The relationship between metal skeleton and compressibility

从表4中可以看出在保持齿距p、齿深h不变时，垫片的压缩率随着齿厚t的增大而减小。随着齿厚的增大，金属骨架变厚，相反，石墨层厚度减小，压缩量减小。故说明垫片的压缩量主要由石墨层提供。保持齿距p、齿厚t不变时，垫片的压缩率随着齿深h的增大而增大。随着齿深的增大，波齿的曲率半径变小，金属骨架的变形能力增强。由此说明通过调整柔性石墨金属波齿复合垫片的金属骨架结构能够达到调整垫片的压缩性能的目的，从而验证了按压力等级区分的可行性。

4 结 论

本文对柔性石墨金属波齿复合垫片按压力等级划分进行了初步探索，计算出不同压力等级不同公称直径垫片的预紧比压。提出柔性石墨波齿复合垫片可以按压力等级进行区分。接着利用ansys workbench对金属骨架的结构参数进行了研究。计算出在规定预紧比压下不同结构参数的柔性石墨金属波齿复合垫片的压缩率，结果表明在相同预紧比压作用下不同结构的垫片压缩率各不相同。在计算所得出的预紧比压下通过调整垫片金属骨架的结构参数可以达到调整垫片的压缩率的目的。从而验证了柔性石墨波齿复合垫片按压力等级区分的可行性。

［1］ 蔡仁良，顾伯勤，宋鹏云,等.过程装备密封技术[M]. 北京：化学工业出版社，2006.5.

［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 19066.1-2008 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疫总局，2008.

［4］ ASME B16，5-1993 Pipe Flanges and Flanged Fittings[S].

［5］ ASME B15.20-1993 Metallic Gaskets for Pipe Flanges[S].

［6］ 杨栋君，顾伯勤.不同金属骨架变形特性对柔性石墨复合垫片力学性能的影响[J].南京工业大学学报（自然科学版），2013,35(4):105-109.

［7］ Mathan G,Prasad N S.Evaluation of effective material properties of spiral wound gasket through homogenization[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,2010,87:704-713.

Research on Classification of Flexible Graphite Covered Wave-Serrated Metal Gaskets

CHEN Yuan , REN Jian-min
(Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

Standards of flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets were analyzed. It’s found that the gasket pretightening in the condition of same pressure levels and different nominal size fluctuated around a certain value,gasket pretightening in the condition of same nominal size and different pressure levels were not identical.The finite element simulation of flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets was carried out by using ANSYS WORKBENCH. The compression ratio of flexible graphite corrugated metal gaskets under different structural parameters was calculated. The result shows that the gaskets can be classified by pressure through adjusting the structural parameters. Accordingly, flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets can be classified according to pressure.

Metal skeleton; Classification; Finite element analysis

TQ 42

： A

： 1671-0460（2015）02-0356-03

2014-08-23

陈元（1988-），男，湖北荆门人，硕士，2015年毕业于辽宁石油化工大学化工过程机械专业，研究方向：密封技术。E-mail：coolboy_cy@163.com。