W形柔性石墨金屬纏繞墊片壓縮—回彈性能試驗(yàn)與優(yōu)化研究

滕加莊+陳慶

摘 要：通過(guò)使用不同寬度平鋼帶設(shè)計(jì)出3種W形柔性石墨金屬纏繞墊片，在不同纏繞壓緊力和拉緊力下，對(duì)304鋼內(nèi)外環(huán)柔性石墨纏繞墊片進(jìn)行三因子三水平壓縮—回彈性能優(yōu)化試驗(yàn)研究，從而找出顯著影響該結(jié)構(gòu)墊片的重要參數(shù)及其對(duì)性能的影響規(guī)律，找出性能最佳參數(shù)組合。

關(guān)鍵詞：W形 石墨金屬纏繞墊片 壓縮—回彈 優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ055.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）06（c）-0064-02

柔性石墨金屬纏繞墊片使用性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于石油化工管道和設(shè)備的螺栓法蘭連接密封系統(tǒng)[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，柔性石墨金屬纏繞墊片在國(guó)內(nèi)外密封元件市場(chǎng)平均占有率達(dá)到50%以上。纏繞墊片主要有V形和W形兩種結(jié)構(gòu)，目前，在國(guó)內(nèi)工程領(lǐng)域，普遍使用的纏繞墊片以V形結(jié)構(gòu)為主，只有在一些高端場(chǎng)合（高溫、高壓等特殊環(huán)境）才能更多地見(jiàn)到W形結(jié)構(gòu)，且多數(shù)隨設(shè)備進(jìn)口[2]。

柔性石墨金屬纏繞墊片的使用性能包括密封可靠性、使用壽命和可維護(hù)性[3]；決定該墊片使用性能的重要指標(biāo)是墊片的壓縮回彈特性。目前國(guó)內(nèi)對(duì)柔性石墨金屬纏繞墊片的壓縮回彈特性的研究與測(cè)試還不夠深入，文章結(jié)合工程實(shí)踐、理論研究，對(duì)柔性石墨金屬W形纏繞墊片的回彈特性進(jìn)行測(cè)試和理論分析，有助于墊片參數(shù)的優(yōu)化和使用優(yōu)化，從而使墊片具有更好的性能，為工程實(shí)踐中經(jīng)濟(jì)、合理地選擇纏繞墊片提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 建立力學(xué)模型

內(nèi)外環(huán)柔性石墨纏繞墊片示意圖如圖1所示。簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖2所示，Q為壓緊力，Q1與Q2分別為沿著斜邊和垂直斜邊的分力。

1.2 W形幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中5 mm厚度纏繞墊片為設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究對(duì)象。選用厚度為0.2 mm，寬度分別為5.00 mm、5.50 mm和6.00 mm的3種平鋼帶，制作3種W形結(jié)構(gòu)，成型后的W形結(jié)構(gòu)及具體尺寸如圖3及表1所示。

2 優(yōu)化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

技術(shù)要求：GB4622.3～2008。

墊片規(guī)格：5 mm厚度級(jí)別內(nèi)外環(huán)墊片，DN80 PN5.0；

材料：密封面為304鋼加柔性石墨，內(nèi)外環(huán)為3.0 mm厚度的304鋼板。

溫度：常溫。

壓緊應(yīng)力：72.0 MPa。

試驗(yàn)裝置：狀態(tài)方程法全自動(dòng)墊片綜合性能試驗(yàn)臺(tái)。

2.2 試件的結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)

試件的結(jié)構(gòu)參數(shù)：3種鋼帶角度為A1 =108.56°，A2 =102.64°，A3=82.82°；工藝參數(shù)：3個(gè)纏繞拉緊力為B1=15.0 N，B2=18.0 N，B3=20.0 N。3個(gè)纏繞壓緊力C1=0.20 MPa，C2=0.25 MPa，C3=0.30 MPa。

2.3 優(yōu)化試驗(yàn)

采用三因子三水平（L9（3）4）壓縮—回彈性能優(yōu)化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）規(guī)律顯示壓縮率過(guò)大，回彈率降低，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4622.3中規(guī)定的壓縮率（18%～30%）范圍內(nèi)，以中間壓縮率為佳選擇的原則，壓縮率性能最佳組合為A2B3C1，其壓縮率/回彈率為19.75/27.92，這種組合的回彈率與國(guó)標(biāo)要求的回彈率≥17%高出近11個(gè)百分點(diǎn)；（2）從表2中出現(xiàn)的組合中A2B2C3、A2B1C2的壓縮率和回彈率也是比較好的；（3）大角度W結(jié)構(gòu)，壓緊力參數(shù)C2較好，小角度下，C3較好；（4）方差分析表明（見(jiàn)表3），角度和壓緊力對(duì)壓縮率的影響分別為顯著和一般顯著，對(duì)回彈率的影響雖然從顯著性講并不顯著，但相對(duì)而言，角度的影響較大。

從試驗(yàn)結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

（1）在C1、C2、C3條件下，壓縮率依次降低。其主要原因是壓緊力大，墊片的強(qiáng)度和剛度相應(yīng)增大。兩種結(jié)構(gòu)不同之處在于，W形的壓緊力對(duì)壓縮率的影響從數(shù)學(xué)的角度上顯示出了顯著性；（2）對(duì)于W形結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)的角度對(duì)壓縮率的影響是顯著的，對(duì)回彈率的影響也較其他兩個(gè)因素明顯。從數(shù)據(jù)上看，角度大壓縮率相對(duì)降低，回彈率相對(duì)高。這主要是因?yàn)?，角度的增大，提高了墊片的剛性，壓縮回彈的非線性關(guān)系更加趨于“線性”，彈性變形較大，塑性變形相對(duì)較小；（3）就W形而言，壓緊力對(duì)壓縮率的影響是顯著的，對(duì)回彈率的影響一般。同等條件下角度小和壓緊力小，壓縮率都會(huì)增大，也就是說(shuō)，小角度和小的壓緊力疊加，其結(jié)果壓縮率會(huì)過(guò)分增大而超出標(biāo)準(zhǔn)的要求；（4）值得注意的是，影響不顯著不等于沒(méi)影響，影響的規(guī)律性是存在的。顯著性的影響是指影響的敏感性，也就說(shuō)，微小的變化影響較大。但在工程應(yīng)用中，更有指導(dǎo)意義的應(yīng)該是某一規(guī)律性對(duì)性能影響的明顯性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王樂(lè)勤，楊暉，勵(lì)行根，等.柔性石墨密封墊片的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].流體機(jī)械，2013（6）：37-41.

[2] 陳慶，甘樹(shù)坤，劉興德，等.W形柔性石墨金屬纏繞墊片結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究[J].潤(rùn)滑與密封，2014（9）：104-107.

[3] 陳慶，蔡玉國(guó).W形結(jié)構(gòu)纏繞墊片壓縮—回彈性能的研究[J]. 潤(rùn)滑與密封，2007，32（4）：145-146.