W形柔性石墨金属缠绕垫片压缩—回弹性能试验与优化研究

滕加庄+陈庆

摘 要：通过使用不同宽度平钢带设计出3种W形柔性石墨金属缠绕垫片，在不同缠绕压紧力和拉紧力下，对304钢内外环柔性石墨缠绕垫片进行三因子三水平压缩—回弹性能优化试验研究，从而找出显著影响该结构垫片的重要参数及其对性能的影响规律，找出性能最佳参数组合。

关键词：W形 石墨金属缠绕垫片 压缩—回弹 优化

中图分类号：TQ055.8 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（c）-0064-02

柔性石墨金属缠绕垫片使用性能优良，广泛应用于石油化工管道和设备的螺栓法兰连接密封系统[1]。据不完全统计，柔性石墨金属缠绕垫片在国内外密封元件市场平均占有率达到50%以上。缠绕垫片主要有V形和W形两种结构，目前，在国内工程领域，普遍使用的缠绕垫片以V形结构为主，只有在一些高端场合（高温、高压等特殊环境）才能更多地见到W形结构，且多数随设备进口[2]。

柔性石墨金属缠绕垫片的使用性能包括密封可靠性、使用寿命和可维护性[3]；决定该垫片使用性能的重要指标是垫片的压缩回弹特性。目前国内对柔性石墨金属缠绕垫片的压缩回弹特性的研究与测试还不够深入，文章结合工程实践、理论研究，对柔性石墨金属W形缠绕垫片的回弹特性进行测试和理论分析，有助于垫片参数的优化和使用优化，从而使垫片具有更好的性能，为工程实践中经济、合理地选择缠绕垫片提供一定的科学依据。

1 结构设计

1.1 建立力学模型

内外环柔性石墨缠绕垫片示意图如图1所示。简化力学模型如图2所示，Q为压紧力，Q1与Q2分别为沿着斜边和垂直斜边的分力。

1.2 W形几何结构的设计

以国家标准中5 mm厚度缠绕垫片为设计、试验研究对象。选用厚度为0.2 mm，宽度分别为5.00 mm、5.50 mm和6.00 mm的3种平钢带，制作3种W形结构，成型后的W形结构及具体尺寸如图3及表1所示。

2 优化试验

2.1 试验条件

技术要求：GB4622.3～2008。

垫片规格：5 mm厚度级别内外环垫片，DN80 PN5.0；

材料：密封面为304钢加柔性石墨，内外环为3.0 mm厚度的304钢板。

温度：常温。

压紧应力：72.0 MPa。

试验装置：状态方程法全自动垫片综合性能试验台。

2.2 试件的结构及工艺参数

试件的结构参数：3种钢带角度为A1 =108.56°，A2 =102.64°，A3=82.82°；工艺参数：3个缠绕拉紧力为B1=15.0 N，B2=18.0 N，B3=20.0 N。3个缠绕压紧力C1=0.20 MPa，C2=0.25 MPa，C3=0.30 MPa。

2.3 优化试验

采用三因子三水平（L9（3）4）压缩—回弹性能优化试验，试验结果如表2所示。

3 试验结果分析

试验结果表明：

（1）规律显示压缩率过大，回弹率降低，在国家标准GB4622.3中规定的压缩率（18%～30%）范围内，以中间压缩率为佳选择的原则，压缩率性能最佳组合为A2B3C1，其压缩率/回弹率为19.75/27.92，这种组合的回弹率与国标要求的回弹率≥17%高出近11个百分点；（2）从表2中出现的组合中A2B2C3、A2B1C2的压缩率和回弹率也是比较好的；（3）大角度W结构，压紧力参数C2较好，小角度下，C3较好；（4）方差分析表明（见表3），角度和压紧力对压缩率的影响分别为显著和一般显著，对回弹率的影响虽然从显著性讲并不显著，但相对而言，角度的影响较大。

从试验结果可以得到如下结论：

（1）在C1、C2、C3条件下，压缩率依次降低。其主要原因是压紧力大，垫片的强度和刚度相应增大。两种结构不同之处在于，W形的压紧力对压缩率的影响从数学的角度上显示出了显著性；（2）对于W形结构来说，结构的角度对压缩率的影响是显著的，对回弹率的影响也较其他两个因素明显。从数据上看，角度大压缩率相对降低，回弹率相对高。这主要是因为，角度的增大，提高了垫片的刚性，压缩回弹的非线性关系更加趋于“线性”，弹性变形较大，塑性变形相对较小；（3）就W形而言，压紧力对压缩率的影响是显著的，对回弹率的影响一般。同等条件下角度小和压紧力小，压缩率都会增大，也就是说，小角度和小的压紧力叠加，其结果压缩率会过分增大而超出标准的要求；（4）值得注意的是，影响不显著不等于没影响，影响的规律性是存在的。显著性的影响是指影响的敏感性，也就说，微小的变化影响较大。但在工程应用中，更有指导意义的应该是某一规律性对性能影响的明显性。

参考文献

[1] 王乐勤，杨晖，励行根，等.柔性石墨密封垫片的研究现状及发展趋势[J].流体机械，2013（6）：37-41.

[2] 陈庆，甘树坤，刘兴德，等.W形柔性石墨金属缠绕垫片结构及工艺参数优化试验研究[J].润滑与密封，2014（9）：104-107.

[3] 陈庆，蔡玉国.W形结构缠绕垫片压缩—回弹性能的研究[J]. 润滑与密封，2007，32（4）：145-146.