柔性石墨金属复合结构密封垫片研究进展

樊志斌，张雷，袁奕琳，李宁波，戴宵宵，吕贤明，贾飞

(1.中国机械总院集团宁波智能机床研究院有限公司，浙江 宁波 315700；2.中国机械科学研究总院南方中心，浙江 宁波 315700；3.宁波易天地信远密封技术有限公司，浙江 宁波 315700)

0 引言

近年来，法兰密封结构已经被广泛运用在设备连接、管道连接之中，法兰安全可靠性会对设备运行安全性产生直接影响。在设备运行参数出现异常变化时，法兰密封结构的安全可靠性面临着比较大的挑战。因此，在航空航天、核工业、石油化工、电站等行业，对高温、高压苛刻使用条件下的密封泄漏率等性能要求极高。

密封元件主要包括法兰以及螺栓等，垫片性能也会对设备连接的可靠性产生影响[1-3]。柔性石墨因其高耐候、抗辐射和良好的自润滑性而得到广泛应用，被誉为“当代密封之王”。但由于柔性石墨的多孔性、吸油性、低强度等缺点导致服役中易出现压溃、散架状况，制约了该材料的应用推广和范围。柔性石墨金属复合材料兼具石墨和金属两者的优异性能，能够形成多道密封，逐渐成为航空航天、石油、化工、汽车、核电等领域极端工况下应用频率比较高的密封材料。

1 柔性石墨金属复合结构密封垫片研究现状

1.1 柔性石墨材料

作为一种新型的功能性碳素材料，柔性石墨于20 世纪60 年代由美国联合碳化物公司发明制造。柔性石墨以天然鳞片石墨为原料，利用石墨的层状结构，在适当的反应条件下，将插层剂插入到鳞片石墨内部，形成具有新的层间性质且没有破坏石墨层状结构的石墨层间化合物，经过高温、膨化制成膨胀石墨，最后再经过模压形成[4-5]。

1.2 柔性石墨密封结构

柔性石墨密封性能虽然很好，但由于柔性石墨的多孔性、吸油性、低强度等缺点导致服役中易出现压溃、散架状况，制约了该材料的应用推广。柔性石墨复合材料兼具石墨和金属两者的优异性能，能够形成多道密封，逐渐成为石油、化工、汽车、核电等领域极端工况下首选密封材料。目前，复合结构形式主要包括三类：第一类，柔性石墨金属缠绕垫片；第二类，柔性金属波齿复合垫片；第三类，金属接触型石墨垫片。

1.2.1 柔性石墨金属缠绕垫片

在应用金属缠绕式垫片的时候，一般需要通过缠绕的方式将金属、非金属缠绕带采取交替缠绕方式，在密封面上搭配使用金属内环、金属外环，可以顺利组成复合垫片。金属缠绕式垫片中的填充带主要以柔性石墨材料为主，又可以被称之为柔性金属缠绕垫片，应用优势在于比较柔软、密封性比较强，回弹能力比较强，密封效果比较好、吸收压力比较大，属于金属缠绕片中使用频率比较高的垫片。柔性石墨金属缠绕垫片如图1 所示。

图1 柔性石墨金属缠绕垫片

一些科研人员对石墨缠绕垫片开展了大量的研究，研究侧重点主要聚焦在垫片密封性能、工艺参数及结构的改进。密封垫片的主要性能包括力学性能(压缩性能、回弹性能、应力松弛性能)和密封性能。陈庆等[6-8]在研究流体莫风技术以及V 形结构缠绕垫片时，应该先创建好力学模型，在完善好力学分析工作以后，应当使用优化试验方式，重点研究W 形柔性石墨垫片的密封效果，寻找出会对垫片密封性能产生直接影响的因素。顾伯勤等[9]试验分析了柔性石墨填充缠绕式垫片具备的压缩回弹能力、蠕变能力、密封能力，借助回归分析方式可以顺利获得垫片高温性能表达式。陈冉等[10]试验分析各种垫片在不同温度下石墨缠绕垫具备的压缩回弹能力。王修慧等[11]将石墨不锈钢金属缠绕垫片视为主要研究对象，综合运用试验以及数值模拟方式，重点分析垫片的压缩性能、回弹能力，使用垫片外缘位置最小压应力作为主要指标，用来研究螺栓法兰的密封效果。

1.2.2 柔性石墨金属波齿复合垫片

柔性石墨金属波齿复合垫片的构成部分包括柔性石墨以及金属骨架，若是按照结构进行划分，可以将其分类为基本型柔性石墨垫片、带定位环型复合垫片、带隔条型复合垫片。柔性石墨复合垫片中的金属骨架主要会发挥出支撑作用，在螺栓、法兰位置施加一定的预紧力，柔性石墨会渐渐地被压入到骨架以及法兰的沟槽位置，此时金属骨架中的齿尖会和法兰产生直接接触，在继续进行压缩处理时，金属骨架将会出现弹性变形，柔性石墨处在不断被压缩处理的状态，能够对金属和法兰之间的环形空间进行密封处理，从而顺利形成融合运用金属材料以及柔性石墨的多重密封。柔性石墨金属波齿复合垫片如图2 所示。

图2 柔性石墨金属波齿复合垫片

在研究柔性石墨波齿复合垫片的时候，大都会使用有限元模拟分析方式、试验分析方式，对垫片的结构参数以及力学性能展开全面分析。在有限元模拟分析时，谢苏江等[12]重点研究了石墨复合垫片的结构参数和力学性能、垫片实际使用情况，使用不锈钢材料制造的波齿复合垫片金属骨架的波齿间距可以处在3～5 mm 之间，需要运用厚度达到1.3 mm 的柔性金属，这种复合垫片的力学性能比较好、压缩回弹能力比较强。杨栋君等[13]使用ABAQUS 软件可以分别对梯形波齿垫片、V 形波齿垫片、波纹波齿垫片和圆弧形波齿垫片展开深入分析，分别研究这四种垫片的齿深、齿厚、载荷变形特点。陈庆等[14-15]在展开有限元应力分析时，需要对结构参数存在差异性的柔性石墨复合垫片展开压缩回弹性能试验。罗伟[16]着重研究金属骨架厚度对复合垫片回弹能力产生的影响，经过研究发现垫片金属骨架在厚度处在2.0～2.5 mm 时，圆弧半径处在3 mm 时，波齿深度达到1.2 mm 时，垫片具有的回弹性能相对比较好。

在试验分析方面，桑聪等[17]研究了疲劳载荷下柔性石墨金属波齿复合垫的力学性能和蠕变性能，通过计算压缩模量和卸载模量分析了其压缩回弹特性，探索了蠕变-疲劳的交互作用对垫片的影响。

1.2.3 金属接触型石墨垫片

金属接触型石墨垫片主要制造材料是性能比较高的柔性石墨材料，直接将柔性石墨材料置于凹凸型模具中，在加工成型以后，可以将石墨环嵌入在不锈钢环内，能够顺利制造出密封垫片。在规划设计这种垫片时，将内外环或是金属环视为限位环，如图3 所示，即垫片结构构成情况。在螺栓预紧载荷影响下，上下位置的法兰会和金属出现直接接触，会制约石墨环的压缩效果。金属环主要通过吸收管件、热震载荷产生的机械应力来提升垫片密封效果，这类垫片适合运用在存在温度波动、压力波动变化的场地之中，有助于进一步提高法兰接头的可靠性以及密封效果。

图3 金属接触型石墨垫片

国内外虽然针对金属接触型石墨垫片展开了大量的试验研究，但是研究主要聚焦在垫片的力学性能方面。范淑玲等[18]重点研究金属接触型石墨密封垫片在高温环境下具有的力学性能，主要研究了这种垫片具备的压缩能力、回弹能力、蠕变松弛能力，能够顺利获得垫片力学性能曲线、石墨垫片在不同温度下接触金属时产生的接触应力。王琪瑶[19]主要将研究侧重点置于垫片压缩回弹能力方面，通过对比分析压缩回弹曲线以及垫片压缩率、垫片回弹率，能够确定温度、尺寸对金属石墨垫片压缩回弹能力产生的影响。杨书益[20]通过试验分析发现，将应力载荷控制为35 MPa 时进行压缩回弹试验以及应力松弛试验时，垫片应用效果最好。

2 结语

在我国石化领域、核电领域发展水平不断提高的背景下，受到环境因素、能源因素的限制性影响，对大型工业设备的安全稳定性要求比较高。目前，柔性石墨已经成为密封处理时应用的主要垫片，但是一些应用问题也逐渐暴露出来。尽管我国具备丰富的煤矿资源，但是存在很多低质量的石墨矿，在将石墨矿作为原料制备纯度比较高的石墨密封材料时，制备难度比较大，将会制约石墨垫片发展水平的提升。因此，相关研究人员应提高对柔性石墨复合垫片的研究力度，分别研究各种柔性石墨复合垫片的力学性能，按需选用最为合适的复合垫片使用，进一步提高石墨复合垫片结构连接位置的密封效果和连接效果。