石墨密封墊片的循環(huán)壓縮回彈性能

周期律， 劉 娟， 沈火明

(西南交通大學 力學與工程學院， 成都 610031)

引 言

螺栓法蘭接頭是壓力容器和管道應用最廣泛的可拆卸密封連接形式，主要由螺栓、法蘭和墊片組成。其中墊片是控制螺栓法蘭接頭泄露的關鍵部件[1-3]。近年來金屬與金屬接觸型螺栓法蘭接頭逐漸被廣泛應用于生產(chǎn)，核級石墨密封墊片正是順應這一發(fā)展趨勢和滿足需求脫穎而出的新型密封元件[4]。石墨密封環(huán)采用高純柔性石墨(碳含量>99.5%)，具有耐高溫、耐腐蝕、抗輻照、蠕變松弛率低、柔韌性能優(yōu)異等特性[5-7]。

石墨密封墊片的實際工作環(huán)境不可避免地存在高溫及荷載波動，高溫可能使墊片塑性增大，回彈性能降低[8]，進而影響法蘭的密封性，甚至導致泄露事故；而波動荷載則可能使墊片產(chǎn)生疲勞失效，亦會導致整個密封系統(tǒng)的失效。此外，從經(jīng)濟角度考慮，若對墊片進行重復使用，也需要考察墊片在經(jīng)歷反復受壓后自身性能的變化情況，再者考慮到加載速率亦是影響材料壓縮性能的重要因素之一[9]，因此研究墊片在不同溫度及加載速率下的循環(huán)壓縮回彈性能是很有必要的。作為近些年脫穎而出的較為新型的密封元件，國內對石墨密封墊片的相關性能已有較系統(tǒng)的研究。顧伯勤等曾經(jīng)提出高溫法蘭接頭的可靠性算法和壽命預測方法[10]。楊書益等曾經(jīng)通過試驗研究了石墨密封墊片在常溫環(huán)境中不同應力水平下的壓縮回彈性能[11]，考慮了墊片發(fā)生金屬與金屬接觸的門檻應力，得出35 MPa的試驗應力比較適合核級石墨密封墊片的產(chǎn)品特點。吳延澤等曾通過數(shù)值仿真軟件分析了石墨密封墊片在常溫及高溫工況下的應力分布規(guī)律，研究墊片的應力補償機理[12]。勵行根等曾通過壓縮試驗驗證該墊片具有良好的密封性和回彈性[13]。謝蘇江等曾系統(tǒng)研究了制備工藝等對石墨密封墊片抗拉強度、熱失重、壓縮回彈性能及密封性能的影響[14]。但是國內目前對石墨密封墊片的循環(huán)壓縮回彈性能這方面研究仍然很少。

本文首先在常溫下選取0.25 MPa/s、0.5 MPa/s和1 MPa/s三種加卸載速率分別開展核級石墨密封墊片的循環(huán)壓縮回彈試驗；再保持0.5 MPa/s的加卸載速率下，選取100 ℃和300 ℃兩種溫度，分別進行墊片的循環(huán)壓縮回彈試驗，以研究加卸載速率和溫度對石墨密封墊片循環(huán)壓縮回彈性能的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗儀器及試樣

試驗采用微機控制電液伺服萬能試驗機進行實驗。夾具采用H13模具鋼制作，由上下兩個壓頭組成，用以模擬上下法蘭。壓頭上端與試驗機壓板接觸的部分加工為球面，使其在加載時能夠自主調節(jié)水平度，達到載荷均勻分布在試樣上的目的。高溫試驗采用長春恒升制造的高溫環(huán)境箱?？紤]到對所測位移精度的需求，試驗采用高溫不銹鋼所制的引伸桿從高溫箱下部開口伸出綁定位移傳感器，從而可以更加精確地測量試驗中試樣的變形。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置

試驗采用的石墨密封墊片由濱州雙峰石墨密封材料有限公司生產(chǎn)加工，公稱直徑為DN40。墊片由金屬內環(huán)、石墨密封環(huán)及金屬外環(huán)組成，金屬內外環(huán)起到支撐和限制石墨環(huán)的作用，內環(huán)還能防止石墨密封環(huán)過度擠壓[15]。墊片結構如圖2所示，墊片尺寸見表1。

圖2 核級石墨密封墊片結構圖

表1 墊片結構參數(shù)

1.2 試驗方案

本次試驗分別以加卸載速率和溫度為變量參數(shù)進行石墨密封墊片的循環(huán)壓縮回彈試驗，不同加卸載速率及溫度下的試驗參數(shù)見表2。

表2 試驗參數(shù)

(1)

(2)

式中，T1為試樣在初始荷載下的厚度，T2為試樣在最大荷載下的厚度，σmax為每個循環(huán)內試樣所受最大荷載應力，σ0為每個循環(huán)內的初始應力，δmax及δ0分別為每個循環(huán)內σmax和σ0對應的墊片壓縮量，T0為每個循環(huán)之初墊片的厚度。

為了保證試驗過程中溫度的均勻性，在高溫試驗開始前先對墊片加熱至規(guī)定溫度后保溫30 min，保證試樣充分加溫并穩(wěn)定在試驗溫度后再施加軸向載荷。

2 試驗結果與討論

由于試驗采用的最大試驗荷載35 MPa小于墊片發(fā)生金屬與金屬接觸(Metal to Metal Contact)的門檻應力，因此試驗荷載主要作用于石墨密封環(huán)。

墊片在常溫(20 ℃)中三種不同加卸載速率下的壓縮回彈關系曲線如圖3所示。圖3(a)～圖3(c)中的小圖分別放大了每個加卸載循環(huán)內的曲線形貌，可以更加清楚地看出在初始的3～4個循環(huán)內，墊片最大壓縮量與殘余變形總量有明顯的增加。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，加卸載曲線的斜率逐漸增大，后續(xù)循環(huán)內應力-變形曲線之間的離散度逐漸減小，這是由于在經(jīng)過多次加卸載后，墊片中柔性石墨部分內部的蓬松孔狀結構逐漸被壓實，不斷累積塑性應變從而發(fā)生硬化，其剛性也有所增加，從而使得墊片變得難以被壓縮。在加卸載次數(shù)達到10次左右，往后循環(huán)內墊片的壓縮回彈曲線趨于閉合，這表示在每個循環(huán)周次內試樣殘余壓縮變形量的增量逐漸變小。

圖3 不同加卸載速率下墊片壓縮回彈曲線

為了更好地了解墊片壓縮性能的變化規(guī)律，進一步提取試驗數(shù)據(jù)，計算出前10次循環(huán)內墊片在不同加卸載速率下的最大壓縮量δmax、壓縮率S及壓縮模量ELD，結果如圖4所示。

圖4 不同加卸載速率下墊片壓縮回彈參數(shù)計算結果

由圖4(a)和圖4 (b)可以看出墊片的最大壓縮量和壓縮率均隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，變化主要表現(xiàn)在前5次循環(huán)內，隨后趨于穩(wěn)定；相同循環(huán)內墊片的最大壓縮量和壓縮率與加卸載速率成反比，加卸載速率越小，壓縮量和壓縮率越大。這是因為在石墨密封環(huán)尚有壓縮空間時，加載速率越小，墊片受壓越充分。從圖4(c)可知從第4次循環(huán)開始，墊片的壓縮模量隨循環(huán)次數(shù)增加而增大，且加卸載速率越大，壓縮模量越大。壓縮模量反應了墊片壓縮的難易程度，試驗結果表明加載速率越大，墊片越難被壓縮，循環(huán)次數(shù)越多，墊片越難被壓縮，這與壓縮率的變化規(guī)律相吻合。

墊片在100 ℃和300 ℃下的循環(huán)壓縮回彈曲線如圖5所示，相應前10個循環(huán)內的最大壓縮量、壓縮率及壓縮模量如圖6所示。由圖5可見墊片在高溫下的壓縮回彈曲線總體趨勢與常溫下類似，都會隨著循環(huán)次數(shù)的增加而向右平移，最大壓縮量不斷增大。但曲線在高溫下前三個循環(huán)內的離散程度明顯大于常溫下，相同循環(huán)內的最大壓縮量較常溫有明顯的提升，這表明在高溫作用下，石墨出現(xiàn)軟化而更容易被壓縮，且由圖6(a)和圖6 (b)可知，試驗溫度越高，墊片的壓縮量和壓縮率都會有明顯的增加。將圖4(a)和圖4 (b)與圖6(a)和圖6 (b)對比可以發(fā)現(xiàn)，墊片在高溫下最大壓縮量及壓縮率的增長幅度會更早地趨于緩和，這是因為在高溫下墊片在前三個循環(huán)內就已經(jīng)壓縮得較為徹底。尤其是在300 ℃下，墊片的最大壓縮量在第三個循環(huán)已經(jīng)接近石墨密封環(huán)與金屬內外環(huán)的高度差，由于金屬內外環(huán)對石墨環(huán)所起到的顯著支承作用，所以后續(xù)循環(huán)墊片幾乎很難再有殘余變形的累加，壓縮回彈曲線早早地趨于閉合。由圖6(c)可以發(fā)現(xiàn)墊片的壓縮模量總體隨循環(huán)次數(shù)增加依然呈上升趨勢，且僅在第一個循環(huán)內，300 ℃下的壓縮模量較100 ℃下更小，在后續(xù)循環(huán)內都更大。這也是因為在300 ℃下石墨環(huán)早早地被充分壓縮，由于金屬加強環(huán)的保護作用而很難再使墊片產(chǎn)生變形。

圖5 不同溫度下墊片壓縮回彈曲線(v=0.5 MPa/s)

圖6 不同溫度下墊片壓縮回彈參數(shù)計算結果 (v=0.5 MPa/s)

3 結 論

本文通過對核級石墨密封墊片進行不同加卸載速率及不同溫度下的循環(huán)壓縮回彈試驗，得出以下結論：

(1) 反復壓縮會使墊片不斷累積塑性應變，單個循環(huán)內壓縮回彈曲線趨于閉合，墊片變形性能下降，因此在實際考察系統(tǒng)密封性時需要關注墊片的服役時長和實際變形程度。

(2) 壓縮模量會隨著試驗的循環(huán)次數(shù)增加而不斷增加，但增量逐漸減小，體現(xiàn)了墊片在經(jīng)歷反復加卸載后逐漸發(fā)生硬化，難以發(fā)生變形。

(3) 墊片的循環(huán)壓縮回彈性能與加卸載速率有密切關系，在較小的加卸載速率下墊片更容易發(fā)生變形。

(4) 溫度對墊片的壓縮回彈性能有顯著的影響，溫度越高墊片的累積變形量越大，但由于金屬內外環(huán)對石墨環(huán)的支承和保護，使得該類墊片在高溫下仍能表現(xiàn)出長時間良好的抗壓性能。