【doc】不锈钢柔性石墨缠绕垫片基本性能研究
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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
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
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试验结果及分析
(I)压缩回弹性I耘试验:图2中蛤出了不锈钢 L20
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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表面与法兰 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
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[3]ASMEBoilerandh一VessdCode.Sochi~VIII.
vision1.1995.
(润滑与密封)
mm.}.