柔性石墨波齿复合垫片压缩回弹性能研究*

李 军,李 翔,何兴建

[1.中国特种设备检测研究院,北京 100013；2.中国石油大学(北京) 化学工程学院,北京 102249]

自20世纪60年代新型密封材料柔性石墨问世以来，以柔性石墨波齿复合垫片为代表的新型复合垫片不断出现。柔性石墨波齿复合垫片是由冲齿的金属骨架和柔性石墨复合而成。该垫片具有密封性能好、压缩回弹性能好、耐高低温及抗腐蚀能力强、适用范围广、使用寿命长等特点，广泛运用到石油化工、冶金、制药及电力等行业。对于石墨复合垫片压缩回弹性能的研究，国外主要有Bazergui等人[1]采用实验的方法对一种石墨复合垫片的性能进行研究，Sawa等人[2]对缠绕式垫片接触面的应力分布进行了实验和有限元分析，而国内，华东理工大学蔡仁良等人[3-4]对柔性石墨波齿复合垫片的类型、应用状况及石墨性能进了概述和研究，中国石油大学(华东)周先军等人[5-6]对波齿复合垫片的密封性能进行了实验研究以及郭滨诗等人[7]采用实验的方法对3种不同尺寸石墨复合垫片的蠕变和应力松弛特性进行了研究。

目前，国内对柔性石墨波齿复合垫片的结构尺寸尚未明确规定及垫片所采用的柔性石墨性能各不相同，垫片的质量参差不齐。作者通过对复合垫片进行相关的研究，分析复合垫片相关结构尺寸及石墨性能对垫片压缩回弹性能的影响，为垫片的生产制造提供参考。

1 柔性石墨复合垫片数值研究

1.1 数值计算模型构建

通过有限元分析，对柔性石墨波齿复合垫片的压缩回弹性能进行研究，垫片的试样、剖面结构示意图及相关参数，见图1、图2。采用的数值计算单元为plane182。由于垫片的几何结构及所承担载荷特性，将垫片压缩回弹特性研究简化为平面问题，通过ANSYS软件构建垫片模型，采用四边形网格对模型进行网格划分，网格数为13 915。模型及网格划分见图3和图4。

图1 柔性石墨复合垫片试样图

图2 垫片剖面结构图

图3 垫片有限元模型

图4 模型网格划分

1.2 材料选取及边界条件

柔性石墨复合垫片采用的金属骨架材料为不锈钢，其性能参数见表1。柔性石墨的材料性能见参考文献[8]。在垫片压缩回弹性能实验，法兰为刚性法兰。为保证垫片表面轴向位移的一致，在模拟计算中，把垫片上表面所有节点的轴向位移相耦合，并约束下表面所有节点的轴向位移。

表1 不锈钢性能参数

1.3 结果分析

通过模拟计算，得到垫片预紧力30 MPa条件下，柔性石墨波齿复合垫片的压缩回弹曲线，见图5红色曲线，垫片压缩率和回弹率数值见表2。

表2 石墨复合垫片压缩率及回弹率比较

垫片应变ε图5 30 MPa载荷条件下垫片压缩回弹曲线

为验证有限元分析的正确性，进行了垫片压缩回弹性能实验，实验采用的设备为微机控制电子万能实验机，实验机的型号为WDW-300E，实验步骤参照GB/T12622—2008《管法兰用垫片压缩率及回弹率试验方法》，实验载荷为30 MPa，得到的压缩回弹曲线见图5黑色曲线。

由数值计算和实验所得曲线及压缩率与回弹率数据分析可知：模拟结果与实验吻合，最大误差为4.62%。

2 模拟结果讨论

2.1 垫片波齿数的影响研究

柔性石墨波齿复合垫片压缩回弹性能随垫片波齿数的变化趋势，见图6。

垫片波齿数/个图6 垫片压缩回弹性能随波齿数变化

由图6垫片的压缩率曲线可知，当复合垫片波齿个数少于10个时，由于垫片骨架齿槽较宽，能够填充的柔性石墨较多，压缩时石墨的变形量较大，故波齿数较少时，垫片的压缩率较大，但垫片压缩率并非随着波齿数的减小而单调变化，而是存在一个压缩率极值点，即垫片存在一个最佳波数；由于柔性石墨的特殊性质，石墨的回弹率较小，导致波齿数在10以下复合垫片的石墨层回弹量变化相对较小，故不同波齿数条件下复合垫片的回弹率变化不大。

2.2 垫片波齿深度的影响研究

柔性石墨波齿复合垫片压缩回弹性能随垫片波齿深度的变化规律，见图7。

垫片波齿深度/mm图7 垫片压缩回弹性能随波齿深度变化

由图7可见，垫片压缩率随着波齿深度的增加而略有增大，主要原因是波齿深度的增大使得填充石墨的量增大；而随着垫片波齿深度的增大，垫片回弹率的增大幅度大于垫片压缩率，故复合垫片波齿深度对于垫片回弹率的影响要大于垫片的压缩率。

2.3 柔性石墨性能的影响研究

4种不同密度的柔性石墨波齿复合垫片的压缩回弹性能曲线见图8。

ρ(柔性石墨)/(g·cm-3)图8 垫片压缩回弹性能随石墨密度变化

由图8曲线的变化趋势可知，石墨层的特性对复合垫片性能的影响较大，对于石墨密度越大的波齿复合垫片，由于密度越大的石墨，其内部空隙就愈小，压缩时石墨的变形量就越小，但石墨的回弹量随着密度的增大而增大，故垫片的压缩率随着石墨密度的增大而减小，但垫片的回弹率却随着石墨密度的增大而增大。

3 结 论

(1) 柔性石墨波齿复合垫片存在一个最佳的波齿数，在该波齿数下，复合垫片的压缩率达到极值，而波齿数的变化对于垫片回弹率的影响相对较小；

(2) 柔性石墨波齿复合垫片的波齿深度对复合垫片压缩率的影响较小，而对垫片回弹率的影响较为明显；

(3) 柔性石墨波齿复合垫片的压缩率随着石墨密度的增大而减小，而垫片回弹率随着石墨密度的增大而增大，合理地选择石墨，对于制造高品质的石墨复合垫片意义重大。

[ 参 考 文 献 ]

[1] Bazergui A，J Winter J R.Room temperature and elevated temperature tests of a metal corrugated gasket with flexible graphite fill[A].American Society of Mechanical Engineers，Pressure Vessels & Piping Division[C].New York：ASME，1989(158)：33-40．

[2] T Sawa，N Ogata，T Nishida,et al.Stress analysis and determination of bolt preload in pipe flange connections with gaskets under internal pressure[J].Journal of pressure vesseltechnology，2002(124)：385-396．

[3] 蔡仁良，谢苏江.柔性石墨金属复合密封垫片材料的性能研究[J].新型碳材料，1998(13)：54-60．

[4] 谢江苏，蔡仁良，黄建中.柔性石墨金属波齿复合垫片的结构、性能和应用[J].化工装备技术，2000，21(4)：51-53．

[5] 仇性启，周先军.柔性石墨波齿复合垫片的常温性能研究[J].润滑与密封，2001(3)：33-34．

[6] 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)：13-15．

[7] 郭滨诗，姜敏夫，刘金义.金属波齿柔性石墨复合垫片蠕变-应力松弛性能研究[J].化工科技，2013，4：58-60．

[8] 史林章，方幼申.柔性石墨材料[J].润滑与密封,1981，5：17-24．