石墨密封垫片的循环压缩回弹性能

周期律， 刘 娟， 沈火明

(西南交通大学 力学与工程学院， 成都 610031)

引 言

螺栓法兰接头是压力容器和管道应用最广泛的可拆卸密封连接形式，主要由螺栓、法兰和垫片组成。其中垫片是控制螺栓法兰接头泄露的关键部件[1-3]。近年来金属与金属接触型螺栓法兰接头逐渐被广泛应用于生产，核级石墨密封垫片正是顺应这一发展趋势和满足需求脱颖而出的新型密封元件[4]。石墨密封环采用高纯柔性石墨(碳含量>99.5%)，具有耐高温、耐腐蚀、抗辐照、蠕变松弛率低、柔韧性能优异等特性[5-7]。

石墨密封垫片的实际工作环境不可避免地存在高温及荷载波动，高温可能使垫片塑性增大，回弹性能降低[8]，进而影响法兰的密封性，甚至导致泄露事故；而波动荷载则可能使垫片产生疲劳失效，亦会导致整个密封系统的失效。此外，从经济角度考虑，若对垫片进行重复使用，也需要考察垫片在经历反复受压后自身性能的变化情况，再者考虑到加载速率亦是影响材料压缩性能的重要因素之一[9]，因此研究垫片在不同温度及加载速率下的循环压缩回弹性能是很有必要的。作为近些年脱颖而出的较为新型的密封元件，国内对石墨密封垫片的相关性能已有较系统的研究。顾伯勤等曾经提出高温法兰接头的可靠性算法和寿命预测方法[10]。杨书益等曾经通过试验研究了石墨密封垫片在常温环境中不同应力水平下的压缩回弹性能[11]，考虑了垫片发生金属与金属接触的门槛应力，得出35 MPa的试验应力比较适合核级石墨密封垫片的产品特点。吴延泽等曾通过数值仿真软件分析了石墨密封垫片在常温及高温工况下的应力分布规律，研究垫片的应力补偿机理[12]。励行根等曾通过压缩试验验证该垫片具有良好的密封性和回弹性[13]。谢苏江等曾系统研究了制备工艺等对石墨密封垫片抗拉强度、热失重、压缩回弹性能及密封性能的影响[14]。但是国内目前对石墨密封垫片的循环压缩回弹性能这方面研究仍然很少。

本文首先在常温下选取0.25 MPa/s、0.5 MPa/s和1 MPa/s三种加卸载速率分别开展核级石墨密封垫片的循环压缩回弹试验；再保持0.5 MPa/s的加卸载速率下，选取100 ℃和300 ℃两种温度，分别进行垫片的循环压缩回弹试验，以研究加卸载速率和温度对石墨密封垫片循环压缩回弹性能的影响。

1 试验方法

1.1 试验仪器及试样

试验采用微机控制电液伺服万能试验机进行实验。夹具采用H13模具钢制作，由上下两个压头组成，用以模拟上下法兰。压头上端与试验机压板接触的部分加工为球面，使其在加载时能够自主调节水平度，达到载荷均匀分布在试样上的目的。高温试验采用长春恒升制造的高温环境箱。考虑到对所测位移精度的需求，试验采用高温不锈钢所制的引伸杆从高温箱下部开口伸出绑定位移传感器，从而可以更加精确地测量试验中试样的变形。试验装置如图1所示。

图1 试验装置

试验采用的石墨密封垫片由滨州双峰石墨密封材料有限公司生产加工，公称直径为DN40。垫片由金属内环、石墨密封环及金属外环组成，金属内外环起到支撑和限制石墨环的作用，内环还能防止石墨密封环过度挤压[15]。垫片结构如图2所示，垫片尺寸见表1。

图2 核级石墨密封垫片结构图

表1 垫片结构参数

1.2 试验方案

本次试验分别以加卸载速率和温度为变量参数进行石墨密封垫片的循环压缩回弹试验，不同加卸载速率及温度下的试验参数见表2。

表2 试验参数

(1)

(2)

式中，T1为试样在初始荷载下的厚度，T2为试样在最大荷载下的厚度，σmax为每个循环内试样所受最大荷载应力，σ0为每个循环内的初始应力，δmax及δ0分别为每个循环内σmax和σ0对应的垫片压缩量，T0为每个循环之初垫片的厚度。

为了保证试验过程中温度的均匀性，在高温试验开始前先对垫片加热至规定温度后保温30 min，保证试样充分加温并稳定在试验温度后再施加轴向载荷。

2 试验结果与讨论

由于试验采用的最大试验荷载35 MPa小于垫片发生金属与金属接触(Metal to Metal Contact)的门槛应力，因此试验荷载主要作用于石墨密封环。

垫片在常温(20 ℃)中三种不同加卸载速率下的压缩回弹关系曲线如图3所示。图3(a)～图3(c)中的小图分别放大了每个加卸载循环内的曲线形貌，可以更加清楚地看出在初始的3～4个循环内，垫片最大压缩量与残余变形总量有明显的增加。随着循环次数的增加，加卸载曲线的斜率逐渐增大，后续循环内应力-变形曲线之间的离散度逐渐减小，这是由于在经过多次加卸载后，垫片中柔性石墨部分内部的蓬松孔状结构逐渐被压实，不断累积塑性应变从而发生硬化，其刚性也有所增加，从而使得垫片变得难以被压缩。在加卸载次数达到10次左右，往后循环内垫片的压缩回弹曲线趋于闭合，这表示在每个循环周次内试样残余压缩变形量的增量逐渐变小。

图3 不同加卸载速率下垫片压缩回弹曲线

为了更好地了解垫片压缩性能的变化规律，进一步提取试验数据，计算出前10次循环内垫片在不同加卸载速率下的最大压缩量δmax、压缩率S及压缩模量ELD，结果如图4所示。

图4 不同加卸载速率下垫片压缩回弹参数计算结果

由图4(a)和图4 (b)可以看出垫片的最大压缩量和压缩率均随循环次数的增加而增大，变化主要表现在前5次循环内，随后趋于稳定；相同循环内垫片的最大压缩量和压缩率与加卸载速率成反比，加卸载速率越小，压缩量和压缩率越大。这是因为在石墨密封环尚有压缩空间时，加载速率越小，垫片受压越充分。从图4(c)可知从第4次循环开始，垫片的压缩模量随循环次数增加而增大，且加卸载速率越大，压缩模量越大。压缩模量反应了垫片压缩的难易程度，试验结果表明加载速率越大，垫片越难被压缩，循环次数越多，垫片越难被压缩，这与压缩率的变化规律相吻合。

垫片在100 ℃和300 ℃下的循环压缩回弹曲线如图5所示，相应前10个循环内的最大压缩量、压缩率及压缩模量如图6所示。由图5可见垫片在高温下的压缩回弹曲线总体趋势与常温下类似，都会随着循环次数的增加而向右平移，最大压缩量不断增大。但曲线在高温下前三个循环内的离散程度明显大于常温下，相同循环内的最大压缩量较常温有明显的提升，这表明在高温作用下，石墨出现软化而更容易被压缩，且由图6(a)和图6 (b)可知，试验温度越高，垫片的压缩量和压缩率都会有明显的增加。将图4(a)和图4 (b)与图6(a)和图6 (b)对比可以发现，垫片在高温下最大压缩量及压缩率的增长幅度会更早地趋于缓和，这是因为在高温下垫片在前三个循环内就已经压缩得较为彻底。尤其是在300 ℃下，垫片的最大压缩量在第三个循环已经接近石墨密封环与金属内外环的高度差，由于金属内外环对石墨环所起到的显著支承作用，所以后续循环垫片几乎很难再有残余变形的累加，压缩回弹曲线早早地趋于闭合。由图6(c)可以发现垫片的压缩模量总体随循环次数增加依然呈上升趋势，且仅在第一个循环内，300 ℃下的压缩模量较100 ℃下更小，在后续循环内都更大。这也是因为在300 ℃下石墨环早早地被充分压缩，由于金属加强环的保护作用而很难再使垫片产生变形。

图5 不同温度下垫片压缩回弹曲线(v=0.5 MPa/s)

图6 不同温度下垫片压缩回弹参数计算结果 (v=0.5 MPa/s)

3 结 论

本文通过对核级石墨密封垫片进行不同加卸载速率及不同温度下的循环压缩回弹试验，得出以下结论：

(1) 反复压缩会使垫片不断累积塑性应变，单个循环内压缩回弹曲线趋于闭合，垫片变形性能下降，因此在实际考察系统密封性时需要关注垫片的服役时长和实际变形程度。

(2) 压缩模量会随着试验的循环次数增加而不断增加，但增量逐渐减小，体现了垫片在经历反复加卸载后逐渐发生硬化，难以发生变形。

(3) 垫片的循环压缩回弹性能与加卸载速率有密切关系，在较小的加卸载速率下垫片更容易发生变形。

(4) 温度对垫片的压缩回弹性能有显著的影响，温度越高垫片的累积变形量越大，但由于金属内外环对石墨环的支承和保护，使得该类垫片在高温下仍能表现出长时间良好的抗压性能。