W形柔性石墨不锈钢缠绕垫片密封性能优化试验研究*

陈 庆 陈雨飞 郑康宁

(1. 吉林化工学院机电工程学院；2. 中国石油天然气股份公司吉林石化公司精细化学品厂；3. 保定市特种设备监督检验所)

W形柔性石墨不锈钢缠绕垫片密封性能优化试验研究*

陈 庆1陈雨飞2郑康宁3

(1. 吉林化工学院机电工程学院；2. 中国石油天然气股份公司吉林石化公司精细化学品厂；3. 保定市特种设备监督检验所)

在力学分析的基础上，对宽度为5.5、6.0、6.5mm、材料为06Cr18Ni10的3种平钢带进行W形设计，然后通过性能优化试验，对标准4.5mm厚的W形柔性石墨不锈钢缠绕垫片进行密封性能研究，从而找出结构、工艺参数对密封性能的影响规律和最佳性能参数组合，开发出高密封性能的产品。

柔性石墨不锈钢缠绕垫片 力学分析 W形结构 优化试验 密封性能

柔性石墨不锈钢缠绕垫片因性能优良而广泛应用于石油、化工、冶金及发电等过程工业的设备、管道及阀门等螺栓法兰连接密封系统中。据不完全统计，作为密封元件，其国内外市场占有率平均达到50%～60%以上[1]。柔性石墨不锈钢缠绕垫片主要有V形和W形两种结构。工程领域普遍使用的缠绕垫片以V形结构为主[2]，但在一些场合(高温、高压等特殊环境)使用W形结构更加可靠。关于V形结构的研究成果较多，且广泛应用于生产一线。但是，关于W形结构，由于技术水平、试验条件等多方面因素的影响，国内的研究比较落后，往往是不分工况场合、随意生产(或者仿制)、任意选择某种结构的缠绕垫片，缺乏科学依据。这种现象给企业的安全生产带来隐患。本课题组在长期从事流体密封技术和V形结构缠绕垫片研究的基础上，科学建立力学模型和力学分析，并采用优化试验等方法系统地研究了W形柔性石墨不锈钢内外环缠绕垫片的密封性能，找出影响密封性能的显著因素和最佳性能参数组合，从而针对具体工况选择参数，开发高性能产品。同时，通过V形和W形结构的性价比较，为工程实践中经济、合理地选择缠绕垫片提供一定的科学依据[3，4]。

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，对于缠绕垫片来说，各性能之间有着密切的联系，相辅相成，缺一不可。其中密封性能直接反映了密封效果，其他性能直接或间接影响着密封性能。虽然目前的试验是在实验室的刚性法兰上进行的，试验条件与实际工况存在一定的偏差，但试验结果仍能说明密封方面的重要问题，因此以此方法和手段研究垫片的性能对工程实践具有重要的指导意义[5，6]。

1 结构设计及力学模型

作为文献[1]的续篇，关于W形缠绕垫片结构、力学模型的建立、结构设计及优化试验(试验条件、结构及工艺参数、优化试验方法)等相关细节内容文中仅做简要介绍。

W形缠绕垫片结构简图如图1所示，简化力学模型如图2所示[7]，内外环W形结构缠绕垫片如图3所示。

图1 W形缠绕垫片结构简图

图2 简化力学模型

图3 内外环W形结构缠绕垫片

2 优化试验

2.1优化试验条件

试件规格为4.5mm厚度级别内外环垫片DN80 PN5.0；技术要求参照GB 4622.3-2008；试验材料为06Cr18Ni10+柔性石墨，内外环为厚3.0mm的碳钢板；试验温度为常温；压紧应力为70.0MPa；试验装置为全自动垫片综合性能试验台，试验介质为氮气，介质压力为5.5MPa[8]。

2.2因素水平表和试验结果

采用三因素、三水平(L9(3)4)密封性能优化试验，3个因素分别为钢带角度2β(A)、缠绕拉紧力(B)和缠绕压紧力(C)，因素水平表见表1。试验结果及分析分别见表2、3。

表1 因素水平表

表2 密封性能正交试验表

注：Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj表示各因素在1、2、3水平下的泄漏率之和；T为9组试验密封泄漏率之和；Y为9组泄漏率平均值。

表3 密封性能方差分析表

2.3结果分析

通过三因素三水平优化试验结果和方差分析可知，影响密封性能的因素中A(钢带角度)、C(缠绕压紧力)相对于B(钢带拉紧力)来说是显著的。这一结论与文献[1]中3个因素对压缩回弹性能的影响结果是一致的。再一次证明结构和工艺参数对整体性能的影响符合缠绕垫片性能之间的关系。

从正交试验表影响因子中3个水平密封性能和的最小值可以看出，参数组合中A2B2C3、A2B1C3所对应的泄漏率最小，其中表2中出现了A2B2C3组合，其泄漏率为0.80×10-5cm3/s，A2B1C3虽未在表中出现，但对这一组合的试验结果为0.81×10-5cm3/s，也是最优的结果，两种组合同为最优，主要原因是A、C两因素相同，因素B的影响相对较弱，从方差分析表中也可以得到同样的结论。

从整个试验结果看，在其他因素不变的情况下，随着影响因素C的增大，泄漏率降低、密封性能提高。研究所得这一重要规律，对于不同工况下生产缠绕垫片参数的选择具有重要的指导意义。

3 结束语

通过市场调研和大量试验表明，影响W形柔性石墨金属缠绕垫片密封性能的因素主要是钢带结构参数和制造工艺参数(钢带拉紧力和压紧力)。而结构参数和压紧力对密封性能的影响更为显著。笔者通过优化试验找到了最佳参数组合，同时也得出参数对密封性能的影响规律。另外值得注意的是，选择参数时，不能仅考虑密封性能，同时也要考虑其他性能，如文献[1]中研究表明，随着参数C的增大，垫片的刚度、强度均有所提高，为了达到初始密封，就得提高螺栓载荷，对于压力级别较低的法兰来说，过大的螺栓载荷可能会产生翘曲变形，其结果将适得其反。因此要想得到缠绕垫片各项性能综合指标最优，就必须全面考虑参数对各种性能的影响显著程度及其规律，同时将实验室的试验条件、结果与工程实际有机结合，对比分析，才能真正设计生产出高性能且满足工程实际工况需要的密封产品。

[1] 陈庆，甘树坤，刘兴德.W形柔性石墨金属缠绕垫片结构及工艺参数优化试验研究[J].润滑与密封，2014，39(9)：104～107.

[2] 陈庆，赵明炬.V形结构金属石墨缠绕垫片的性能优化研究[J].润滑与密封，2006，31(11)：136～138.

[3] 陈庆，蔡玉国.W形结构缠绕垫片压缩-回弹性能的研究[J].润滑与密封，2007，32(4)：145～146.

[4] 陈庆，由立臣，赵明炬.V形、W形不锈钢柔性石墨缠绕垫片的结构研究[J].化工机械，2003，30(2)：10～12.

[5] 陈庆，陈利强.柔性石墨金属波齿复合垫片应力松弛特性试验研究[J].化工机械，2013，40(3)：306～308.

[6] 陈庆，李君，卜辛国.压力管道用金属波齿结构力学性能研究[J].化工机械，2010，37(6)：730～731.

[7] 由立臣，陈庆，郭奇，等.缠绕垫片成型钢带压缩性能分析[J].润滑与密封，2004，29(4)：106～108.

[8] 由立臣，陈庆，郭奇.缠绕垫片的设计、制造和使用中存在的问题[J].石油化工设备，2003，32(6)：55～57.

ExperimentalStudyonSealingPerformanceOptimizationofW-shapedFlexibleGraphiteStainlessSteelSpiralWoundGaskets

CHEN Qing1, CHEN Yu-fei2, ZHENG Kang-ning3
(1.JilinInstituteofChemicalTechnology,JiLin132022,China; 2.FineChemicalsPlant,PetroChinaJilinPetrochemicalCorporation,Jilin132021,China; 3.BaodingSpecialEquipmentSupervisionandInspectionInstitute,Baoding071000,China)

Based on mechanics analysis, the 06Cr18Ni10 flat steel strips sized at 5.5mm, 6.0mm and 6.5mm respectively were designed for W-shape. Through testing of the performance optimization, the sealing performance of W-shaped flexible graphite stainless steel spiral wound gasket sized at 4.5mm was investigated to find out both influence rule and optimal parameter combination so as to develop high sealing performance products.

flexible graphite stainless steel spiral wound gasket, mechanics analysis, W-shaped structure, optimization test, sealing performance

* 吉林市工业高新技术产业创新科技攻关项目(201212209)。

** 陈 庆，男，1964年10月生，教授。吉林省吉林市，132022。

TQ055.8+3

A

0254-6094(2016)02-0154-03

2015-04-21，

2016-03-04)