基于石墨垫片的压缩回弹特性研究进展

殷小明

( 上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200062)

0 引言

螺栓法兰接头是压力容器和管道中应用最广泛的一种可拆卸静密封连接形式，其主要有螺栓、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非线性部件，其复杂的压缩回弹特性对设备的密封性能起着至关重要的作用，对垫片的压缩回弹特性的研究，可减少系统的泄露，提高系统的稳定性，而石墨是一种结晶形碳的非金属脆性材料，因其良好的导热性、腐蚀性、抗辐照、蠕变松弛率低及柔性性能优异等优点被用于核电、石油及化工行业[1～2]，但其本身的强度、塑形及硬度较低，直接用作密封材料无法适应高温及高压的环境且易散架，常跟一些金属材料形成复合增强板或金属垫片，石墨垫片常见的分类及型式[3]：①柔性石墨与金属的复合板材②柔性石墨复合于石棉橡胶板两侧③柔性石墨金属缠绕垫片④柔性石墨金属齿形垫片⑤金属接触型石墨复合垫片（带金属支撑环），其中国内使用较多的属于①和③。为了更深入研究石墨垫片的压缩回弹特性，大量的学者进行了相关实验及理论研究，并获得一定的成果。

1 研究方法

基于石墨垫片的压缩回弹特性研究，相关的学者主要采用有限元仿真模拟、试验及将两者结合的方法，研究了不同结构和类型的石墨垫片、预紧力大小、温度及加载（卸载）速率对其压缩回弹特性的影响。

1.1 有限元仿真模拟

对螺栓法兰连接系统可采用模型主要有面对称模型、二维轴对称模型、三维及模压成型有限元模型，石墨垫片采用弹塑性模型、加载段位多线性或者双线性等向强化模型。大多数情况下建立模型时需要对螺栓法兰连接系统进行简化，有利于模型的建立及网格的划分，垫片的压缩回弹过程可看作两个阶段: 加载阶段（垫片被压缩），卸载阶段（垫片回弹），对垫片不同的载荷、预紧力及温度等进行模拟可求解相应的结果并拟合得到曲线进行分析。

Jaszak[4]进行石墨- 金属缠绕垫片的压缩回弹性能有限元模拟研究，采用Blatz-Ko 超弹模型模拟石墨材料，改变金属带的截面形状来降低其表面应力优化垫片性能。李军等[5]采用有限元模拟的方法对不同结构参数的柔性石墨波齿复合垫片的压缩回弹性能进行研究讨论，验证了波齿深度和波齿数量对提高垫片的压缩回弹性能影响并找到最佳值。有限元仿真模拟的方法用于石墨垫片的压缩回弹性能研究，在某种程度上，节省成本，减少不必要的损耗，关键对其性能可以做一定的预测，拟合的曲线有助于学者进一步的开发和应用。

1.2 试验方法

对于石墨垫片的压缩回弹性能研究，大量的学者也采用试验的方法去验证其性能以便更好的应用，试验装置一般采用专业的垫片性能测试装置及配备相关的仪器设备，实验条件尽可能按照相关标准，如《核电厂核级石墨密封垫片试验方法》、B/T12622《管法兰用垫片压缩率和回弹量试验方法》及GB/T 19066.3—2003《柔性石墨金属波齿复合垫片技术条件》。为了尽可能让实验的结果准确，可对实验工况采用三因子三水平(Lp(3)4) 或正交试验的方法以减少干扰性。

滕加庄等[6]采用不同宽度平钢带设计出3 种柔性石墨金属缠绕垫片，对其进行三因子三水平压缩回弹性能优化试验研究，寻找出影响压缩回弹特性的重要参数，找出性能的最佳参数组合。

陈庆等[7]建立波齿结构力学模型，进行三因子三水平压缩- 回弹性能优化试验研究，寻找性能最佳影响因素组合。陈冉等[8]试验研究了不同温度、不同垫片下石墨缠绕垫片的压缩回弹性能，发现垫片的回弹量和回弹率具有明显伴随温度上升而上升趋势，压缩量和压缩率略有下降趋势。

杨书益[9]对核电用石墨密封垫片的压缩回弹性能开展试验研究，施加35 MPa 的应力载荷，发现此时的试验效果较好，为石墨垫片的选取提供了理论依据。

1.3 模拟及试验结合的方法

为对石墨垫片的压缩回弹性能研究更加准确及深入，相关学者采用有限元仿真模拟及试验结合的方法，一般先采用有限元仿真模拟分析其结果并拟合相应的曲线，对曲线进行拓展，发现其变化规律，使其结果具有更普遍性，其次采用试验的方法对模拟的结果进行验证，增强其说服力，同时也为石墨垫片性能的研究提供另一种途径。

周先军等[10]通过正交试验及有限元方法研究了石墨缠绕垫片的压缩回弹性能，结果表明石墨缠绕垫片经过预压缩具有更好的性能。

王琪瑶[11]采用试验及有限元模拟相结合的方法研究核级石墨密封片的压缩回弹特性，在压缩回弹性能试验的基础上，根据多次试验数据结果，利用数据分析，改进了核级石墨密封垫片压缩曲线和回弹曲线的解析表达式，得到方程回归系数，从而探究不同因素对压缩回弹性能的影响，并建立螺栓- 法兰- 垫片密封结构的有限元模型，进一步验证了拟合方法得到的压缩回弹特性的正确性和在工程中的可操作性。

王修慧等[12]以柔性石墨- 不锈钢金属缠绕垫片为研究对象，采用试验与数值模拟相结合的方法研究垫片的压缩- 回弹性能，结果表明试验结果与有限元数值模拟得到垫片的非线性压缩- 回弹曲线吻合，并发现与工程常用的柔性石墨- 不锈钢金属缠绕垫片结构相比，减少石墨带宽度可以在不同程度上提高螺栓法兰连接系统的密封性能。

2 影响石墨垫片压缩回弹性能的因素

石墨垫片压缩回弹性能的可通过压缩量、压缩率、回弹量及回弹率来表征。垫片受压缩应力的作用，在初始压缩后，其厚度的改变量为其压缩性，表征了垫片柔软性的大小，其实质体现了垫片的承载能力强弱，通常在相关的研究中，用压缩率表示垫片的承载能力，其公式:

δ0为垫片在总载荷下的压缩量，mm ； t 为垫片的厚度，mm。

垫片在卸载应力后，从被压缩状态恢复其相应厚度的回复量为其回弹性，表征对密封面分离后的补偿能力，体现了垫片的回弹能力，通常用回弹率表示，其公式：

δ0为垫片在总载荷下的压缩量，mm，δ1为垫片在卸载后的压缩量，mm。

影响石墨垫片压缩回弹特性的因素很多，相关学者对石墨垫片的压缩回弹特性展开了大量研究，包括不限于研究了不同的结构和类型石墨垫片、预紧力、温度及加载（卸载）速率对压缩- 回弹性能的影响，可将这些影响因素分为外部因素和内部因素，内部因素主要有石墨垫片的结构及类型，外部因素包括预紧力、温度计加载（卸载）速率等。

2.1 内部因素

垫片的结构及类型也会影响其压缩回弹特性，由于石墨本身的强度、塑形及硬度较低，常跟一些金属材料形成复合增强板或金属垫片，而石墨复合垫片的结构和类型本身的内部因素对其压缩回弹性能产生较大的影响。

李多民等[13]试验研究了三种不同结构尺寸的石墨金属波齿复合垫片在常温下的压缩回弹性能，并测得压缩回弹性能曲线。结果发现，垫片的厚度、外径及内径影响其压缩回弹性能且发现波齿复合垫片的压缩率及回弹率满足设备对密封的要求。

刘华等[14]通过有限元分析和模拟对石墨波齿复合垫片的压缩回弹性能进行测试，发现在相同的波深下，随着波齿距的增大，其压缩率相应增大，而回弹率却相应减少。

励行根等[15]试验研究发现石墨垫片的压缩回弹特性受石墨的装配密度、容积及压缩厚度等因素影响，在相同外部条件下，装配密度越大，压缩率越小；容积越大的石墨环，其储存的弹性性能越多，回弹性能更好。周期律[16]对核级石墨密封垫片进行试验研究，发现垫片的压缩量同样保持与垫片通径大小的正相关性，压缩率明显随着通径的增大而增大，其回弹特性也更好。

针对石墨垫片的内部因素对其压缩回弹性能影响，除了石墨本身的装配密度、容积及压缩厚度等有关，还有石墨垫片的几何尺寸，如通径及复合垫片的形状，但目前的研究需要更深入，寻找出最佳的组合以在工程中应用更广。

2.2 外部因素

温度、加载（卸载）速率及载荷等也会影响石墨垫片的压缩回弹性能，从而影响其密封特性，石墨垫片在工程设备中应用的范围广，有时使用环境恶劣，研究外部因素对其性能的影响十分有必要。

贾晓红等[17]仿真及试验研究了核电极柔性石墨复合垫片的压缩回弹特性，验证了有限元模型的准确性，并发现加载过程接触应力的大小和分布特性可以作为确定预紧力大小的依据，在保证接触刚度足够的情况选择尽可能小的预紧力。

周期律[16]研究了石墨密封垫片的循环压缩回弹性能，从试验加卸载速率及试验温度对其性能进行了系统的分析。分析常温下，三种加卸载速率 0.25 MPa/s、0.50 MPa/s、1.00 MPa/s 对石墨密封垫片性能的影响，发现垫片的回弹性能在常温下主要受最大压缩量的影响，温度对垫片的压缩回弹性能有显著的影响，高温下垫片更容易累积变形。

王琪瑶等[18]研究了加载方式及工作温度对核级石墨密封垫片压缩回弹性能的影响。研究发现分级加载的加载方式使得垫片的最大压缩量明显提升，而垫片的回弹率大幅下降，因此，核级石墨密封垫片更适合采用一次性加载或少量分级加载的方式施加载荷，在高温环境下，垫片具有较好的压缩回弹性能，温度的升高使得垫片的石墨密封环发生软化。

杨书益等[19]试验研究了在常温环境中不同应力水平对石墨密封垫片的压缩回弹性能的影响，鉴于垫片发生金属与金属接触的门槛应力，得出35 MPa 的试验应力较适合核级石墨密封垫片的特点。

范淑玲[20]研究了石墨密封垫片在室温和高温下的压缩回弹性能，发现在金属与金属接触后，不同温度下垫片的压缩回弹曲线比较接近，说明石墨垫片的压缩回弹性能受温度的影响较小，垫片的高温性能比较稳定，主要由于金属支撑，可以耐受更高的温度。

从相关的学者研究中，可以发现温度、预紧力及加载（卸载）速度对石墨垫片的压缩回弹性能产生影响，从而影响其密封特性，且受石墨垫片的形状、复合垫片的类型及应用场合等原因，在使用时都存在一个最佳的使用工况，使其具有更好的压缩率及回弹率，表现更好的性能。

3 结论

石墨垫片的压缩回弹性能对其密封性能起至关重要的作用，其主要通过压缩率及回弹率来表征。通过相关研究发现，对石墨垫片的压缩回弹性能的研究主要采用试验、有限元仿真模拟及试验和模拟相结合的方法，模拟预测石墨垫片的性能，拟合性能曲线，试验验证其准确性，增强说服力。影响石墨垫片的压缩回弹性能的因素很多，将其分为外部因素和内部因素，具体分析了石墨垫片的压缩回弹特性的因素及机理，且提出了未来的研究方向。