【doc】不锈钢柔性石墨缠绕垫片基本性能研究

【doc】不锈钢柔性石墨缠绕垫片基本性能研究 不锈钢柔性石墨缠绕垫片基本性能研究 过试验数据的鼍 唯移rj 季f罄 shiLix]a(Boq1.LuXiaofeng(Depam~ntME一Na力j【lgUmltyofc|rr d-.,210009) Ahslract:?rn|candali唱brm'啤sml一~,OU/ld止由flexibh珥怔6ueraat wornteng~andsomevegulafit~0fglali唱diseocered.T1ali0ns,wi}hid1唧r.pss.hdi,Idi 帅ce,st rda船ti帅andhs&唱be}刚'mTI钿beexpre~姐ti8,ared.Tooe伍cn_n曲sIuonsaobtained by?regre~on0f?】eex~riraentald巳忸11】ere唧-ir甜&isplsis?】e蚺analy~s0fb帕d?a ?d0fk0fketp~qice K!!-d-spil—w0Casket,qs吕凶h睁胁dR~i[ieaee,StressRe.se止TlgI硼. 垫片密封是静密封的主要形式.现代工业的飞数据采集系统等组成. 速发展对静密封的要求愈来愈严格,碱少泄漏率, 延长密封元件的使用寿命是环境保护,节约能源, 安全生产十分迫切的要求.美国环保局1990年发 布了"空气净化法",对泵,阀门,法兰的密封制 定了易挥发物泄漏量的限制规定,要求近年来分别 达到<1?0pl'<5~Opw,<50…,这对静 密封提出了新的要求.本次试验采用的不锈锕柔性 石墨缠绕垫片结合了成型不锈钢带较高的回弹能力 和柔性石墨与法兰密封面易嵌合形成初始密封的优 点,它较大部分垫片预紧力小,回弹量大,密封效 果好,即使在高温,高压和压力波动的情况下亦具 有较好的密封能力.自80年代初,柔性石墨在我 国大量生产,至今,柔性石墨缠绕垫片在各工业部 门得到广泛应用.然而,对该垫片的基本性能尚缺 乏系统研究,现行规范I2,3中规定的垫片性能参数 基本上是经验的,且缺乏泄漏率的概念.因而按照 现行规范进行螺桂法兰连接设计无法满足现代工业 定量控制泄漏率的要求.本文研究不锈钢柔性石墨 缠绕垫片的压缩回弹,应力松弛和密封特性,得到 了该垫片常温性能的大量试验数据,探讨了垫片常 温密封的基本规律,提出了垫片基本性能的公式袁 示方法,为密封件的工程选用,新型垫片的开发研 究和以紧密性要求为准则的螺挂法兰连接设计积累 数据. 1.试验装置 试验在图1所示的多功能全自动垫片性能试验 机上进行.试验机由机架,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,控制和 22 1伺服油缸2.机架3.拉压传感器4位移传感 器5上法兰6环形捌蒲空腔7.微压传感器8.温 度传感器9.压力传感器l0试验垫片11环形封板 】2下法兰 图1试验机结构示意图 试验机的主要性能指标: 垫片最大压紧载荷5OO?25kN 加载,卸载速度0.2—5KN/8 试验介质压力?15Ml 试验垫片外径?15Or【堋 泄漏率测量分辨率10cm]/s 泄漏率测量范围10,一lcm3/s 垫片变形测量分辨率2×10I3lran 泄漏率测量系统精度1% 2试验条件 试验温度:20? 试验垫片:带内外环不锈钢柔性石墨缠绕垫片 垫片本体尺寸为斗121××4.5 <润精与密封) :,, 词 要律析麓 擅规分关 奉归 基回 %E 试验介质:909%工业纯氨 3试验 试验分压缩回弹性能试验,应力松弛性能试验 和密封性能试验三部分同一试验条件下取三个试 样进行重复试验,以排除数据的偶然性. (1)压缩回弹性能试验:压缩回弹性能试验分 为A,B两部分:选定5个垫片应力等级:40,55, 70,85,IOOMPa,确定垫片在加载,卸载过程中应 力和变形的关系.A部分试验是将各垫片分别加载 至上述应力等级,然后卸载;B部分试验是将垫片 由较低的应力等级至较高等级逐级反复加载,卸 载,直至达到虽大应力等级= (2)密封性能试验:选定5个垫片应力等级: 40,55,70,85,IOOMPa,5个介质压力等级: 0.6,2.0,35,5.0,65MPa,测定不同垫片应力, 不同介质压力下的泄靖率.试验时先恒定一垫片应 力,介质压力由低到高逐级加载.得到同一垫片应 力等级,不同介质压力下的泄靖率.改变垫片应 力,重复上述试验. (3)应力橙弛试验 选定5个应力等级如下:40,,70,85, glOMPa.试验时先将垫片加载至某一规定垫片应 力,然后保持垫片位移恒定,测定垫片应力随试验 时间的衰减情况. 4试验结果及 (I)压缩回弹性I耘试验:图2中蛤出了不锈钢 L20 ?? ? 蚰 2fl 圈2典型垫片压缩回弹曲线 柔性石墨缠绕垫片的A部分试验的压缩回弹曲线. 由图可见垫片的弹性和塑性变形量均随压紧应力的 增大而增大,压缩曲线和回弹曲线均非直线且不重 台,具有非金属填充材料所决定的非线性和非保守 性.其压缩和回弹时的弹性模量大不相同.且随垫 片压紧应力增大而增大.各应力等级下的压缩曲线 较为相似并且比较靠近,所有回弹曲线近似平行. 良好的压缩性能是保证预紧时垫片面与法兰 面形成初始密封的必要条件,而仅当垫片具有较好 1999年第2期 的回弹性能时,才能有效补偿操作情况下介质压 力,温度和法兰附加载荷引起的密封面的分离,保 证连接系统的紧密性. 将各垫片的压缩曲线数据作曲线拟含.得到如 下回归公式: S6=^c略(Ij 式中5为垫片残余压紧应力,为垫片变形 量,,%为回归系数. 表I列出了各组垫片的压缩曲线数据单独拟合 和所有曲线综合拟台的结果. 由于不同应力等级下回弹曲线近似平行,将其 平移至原点后进行回归分析,得到回弹曲线公式: &=^sDl2) 式中D为将回弹曲线平穆到原点后的垫片压 缩量的坐标值,,帆为回归系数. 表2列出r各组垫片的回弹曲线数据单独拟台 和所有曲线综合拟合的结果. 寰1压缩曲线圊归量古果寰2画弹曲线回归结果 曲线回归系数 组号Nc 17668116 26917132 37363123 l,372.84122 睦线回归系数 组号『 l66081145 2606261.36 3l147.621.59 l一361354Jl35 由公式(1)表示的压缩曲线方程可求得任何 应力下的压缩量,再通过回弹曲线方程(2)求出 该应力下的回弹量,作仉一的正方向平移,则 可得到该应力下的回弹曲线.. B部分试验是对同一个垫片由低应力等级至高 应力等级反复加载,卸载,其压缩回弹曲线如图3 所示.对各应力等级下的压缩曲线分段截取组合成 一 条最大应力为1OOMPa的压缩曲线(见图4),该 曲线与一次性加载至IOOMPa的压缩曲线相比基本 一 致.不完全吻合是反复加载,卸载产生的蠕变造 成的,蠕变使塑性变形量增加.若不考虑蠕变的影 响,图4中的两条曲线基本相同. (2)密封性能试验:垫片密封性能是一项综 合性能指标,它受垫片材质,结构,介质性质,加 载卸载状态等多种因素影响.考虑到这些因素大多 是带有条件性的,在特定条件下,一些因素可不予 考虑或加以修正.从密封机理的角度.泄漏率是介 质压力和垫片预紧应力的函数,三者问的关系可用 公式(3)来表示: L:L蹁,vt(3) …L'.….,i…, 图3反复加载卸载时图4由方法A,B得到 的压缩回弹曲线的压缩回弹曲线对比 式中L为泄漏率,P介质压力,,为回归系 数,对不锈钢柔性石墨缠绕垫片的氮气密封试验有: A:i.63x10一,NL=3.37x10,. 图5表示不同垫片预紧应力下泄漏率随介 质压力的变化规律.泄漏率和压力基本成线性关 系,具有粘性流体层流的一般特征.泄漏率和预紧 应力成负指数关系,预紧应力越大,泄漏率越小. 该种垫片在常温下具有较好的密封性能,在本文的 试验条件下其泄祸率值太部分在10I4数量级. 24 圈6应力松弛曲线 式中,为回归系数,其值列于表3中. 表3应力松弛曲线回归结果 {盘力回归系数 等级 fMPa)ArLNR 40l0ll0l×10— 55】04】47×l0— 70】03】42×l0 85】02】27×10 100】呻】56×10 40,】?】fn】36×10 5结语 不锈钢柔性石墨绕垫片的弹,塑性变形量随压 紧应力的增大而增大,其压缩回弹曲线具有非线性 和非保守性.不同应力等级下的压缩线和回弹线的 拟台公式基本相同,故可分别用两个普遍适用的公 式来表示,由这两个公式可方便求出任…载荷下的 压缩量,叫弹量,并作出相应曲线.A,B两部分 试验得到的压缩回弹性能曲线的区别在于后者因为 反复加载,卸载产生较大的塑性变形如若不考虑 蠕变的影响,可用一次性加载,卸载得到的公式来 表示垫片的压缩回弹性能. 该垫片常温下亦有应力松弛发生,其规律可用 公式(4)描述.工程上可在垫片安装时适当增加 螺拴预紧力(通常为15%),以补偿由于麻力松弛 引起的垫片残余压紧应力的下降,从而有效保证 片的密封. 垫片密封性能与垫片材质,结构,介质性质 加载卸载状态等诸多因素有关.在一定条件下.垫 片密封性能可由介质压力,垫片预紧应力和相应的 泄漏率间的关系表示.不锈钢柔性石墨缠绕垫片常 温下的泄漏率较小,约在l0数量级. 本文试验研究了不锈钢柔性石墨缠绕垫片的基 本性能,建立了相应的试验方法.依据试验数据得 到的各公式能较全面地表征垫片的综合性能,为螺 栓法兰连接设计和密封元件的选用提供依据. 参考文葡 [1J蔡仁照静密封技木发展新坞势.压力容器.1996. 13(2):69—77 [2]GB150---19e~,钢制压力容器国家技术监督局. 1998. [3]ASMEBoilerandh一VessdCode.Sochi~VIII. vision1.1995. (润滑与密封) mm.}.