柔性石墨波齿复合垫片密封性能试验研究

李 军

（中国石油大学（北京）化学工程学院，北京 102249）

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[1]，由于其特殊的结构特点及材料组成，在法兰密封结构中，垫片的石墨层与法兰接触，能够有效地填补法兰表面的微小间隙，金属骨架保持良好的弹性使得垫片具有良好的密封性能，故在现役装置中使用广泛。

国内外对于柔性石墨复合垫片的性能展开了大量的研究。20 世纪80 年代Bazergui[2]采用试验的方法研究了常温及高温状态下一种填充式柔性石墨的金属波齿复合垫片的压缩回弹性能，试验结果表明，填充式柔性石墨波齿复合垫片具有良好的压缩回弹性能。2003 年尚庆军等人[3]对复合垫片的波齿宽度﹑波深及波数3 个参数进行了正交试验，采用试验和有限元的方法分析了金属骨架的压缩回弹性能，结果表明，影响金属骨架的压缩回弹性能的最大因素是垫片的波数，其次是波深；随着垫片波数的增大，复合垫片的应力逐渐减小，骨架变形的最大位置位于垫片中部的波峰上。M. Derenne 等人[4]采用试验的方法对高温螺栓法兰连接用垫片进行了研究，结果表明，高温条件下垫片在发生蠕变松弛和纯松弛时垫片的紧密性没有明显差异。张利涛[5]对柔性石墨复合垫片的基本结构进行了研究，结果表明，柔性石墨复合增强垫片有比较好的密封性能﹑耐热性能和压缩回弹性能[5]。2013 年，陈庆等人[6]对3种不同的石墨波齿复合垫片的应力松弛特性进行了实验研究，结果表明，波齿圆弧半径对垫片的应力松弛特性影响最大，在圆弧半径较大时，垫片的蠕变随内应力的增大而越发严重。

本文针对柔性石墨波齿复合垫片的密封性能进行试验研究，分析垫片密封性能与垫片压紧力及介质内压之间的关系，为法兰连接结构设计提供一定的参考。

1 试验装置与垫片参数

1.1 试验装置

试验装置由机架﹑试验法兰﹑垫片加载系统﹑试验介质给定系统﹑泄漏率测量系统以及数据采集系统等组成。本试验采用的加载设备为WDW-300E型微机控制电子万能试验机，试验采用的法兰是刚性的。装置实物如图1 和图2 所示。试验步骤参照GB/T 12622-2008《管法兰用垫片压缩率及回弹率试验方法》。

图1 试验装置实物图

图2 试验法兰

1.2 垫片参数

柔性石墨波齿复合垫片的结构如图3 所示，本文采用的垫片如图4 所示，垫片的结构参数见表1。

图3 垫片结构示意图

图4 垫片实物图

表1 垫片结构参数 /mm

2 结果分析与讨论

2.1 垫片压紧力影响分析

对垫片压紧力SK为10MPa﹑20MPa 及30MPa，介质压力P（氮气）分别为2MPa﹑3MPa 和4MPa 条件下的垫片泄漏率LR进行测试，并对所得数据进行取对数处理，得到lnSK-lnLR的关系如图5 所示。由图5 可知，垫片的泄漏率随着垫片压紧力的增大而减小，lnSK-lnLR成负的正比例关系，则垫片泄漏率LR与垫片压紧力SK之间存在一个负指数关系，且该指数不随介质压力的变化而变化。

图5 lnSK-lnLR 关系图

2.2 介质压力影响分析

垫片压紧力SK分别为10MPa﹑20MPa 和30MPa条件下的垫片泄漏率LR与介质压力P 之间的关系如图6 所示。垫片的泄漏率与垫片介质压力近似呈正比例关系，随着垫片压紧力的增大，垫片泄漏率及比例系数都减小，原因是试验采用的介质为氮气，气体在泄漏通道内的流动为层流流动和分子流流动，根据层流流动和分子流流动理论[7-8]，流动的速率与垫片内外两侧的压力差成正比。而随着压力的增大，垫片受挤压程度增大，垫片与法兰间的泄漏通道随之减小，气体在泄漏通道内的流动趋于稳定，所以比例系数逐渐减小并趋于稳定。

图6 介质压力与泄漏率的变化规律图

3 结论

1）垫片泄漏与垫片压紧力呈负指数关系，该指数不受介质压力的影响，为一个定值；

2）垫片泄漏率与介质压力之间近似于正比例关系，且该比例系数随着垫片压紧力的增大而减小并逐渐趋于一个稳定值；

3）根据实验所得数据可知石墨波齿复合垫片的单位外直径泄漏率在10-4～10-6cm3·(s·cm)-1之间，密封性能良好。

[1] 李力驳，张铱鈖，李多民.柔性石墨金属波齿复合垫片研究进展[J].化工机械，2013，40（3）：293-296.

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

[3] 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.

[4] M. Derenne, L. Marchand, J. R. Payne, et al. Elevated Temperature Testing of Gaskets for Bolted Flanged Connections[R]. WRC Bulletin, 1994(391):1-37.

[5] 张利涛，徐海涛.柔性石墨复合增强垫片的性能及应用[J].黑龙江科技信息，2012(7)：102.

[6] 陈庆，陈利强.柔性石墨金属波齿复合垫片应力松弛特性试验研究[J].化工机械，2013，40（3）：306-308.

[7] 蔡仁良，顾伯勤，宋鹏云.过程装备密封技术[M].北京：化学工业出版社，2002.

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