柔性石墨金属W形缠绕垫片密封性能优化研究

刘书麟+陈庆

摘 要：在力学分析基础上，对5.5 mm、6.0 mm、6.5 mm的、材质为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4.5 mm厚度的W形柔性石墨不锈钢缠绕垫片进行密封性能研究，从而找出结构和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。

关键词：柔性石墨不锈钢缠绕垫片；力学分析；W形结构；密封性能

中图分类号：TH136 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.051

由于柔性石墨不锈钢缠绕垫片的性能优良，被广泛应用于石油、化工、冶金、发电等过程工业的设备、管道和阀门等螺栓法兰连接密封系统中。据不完全统计，柔性石墨不锈钢缠绕垫片作为密封元件，国内外市场占有率平均达到50%～60%以上。柔性石墨不锈钢缠绕垫片主要有V形和W形2种结构。工程领域普遍使用的缠绕垫片以V形结构为主，但在一些高端场合（高温、高压等特殊环境）使用W形结构更加可靠。目前，关于V形结构的研究成果比较多，且广泛应用于生产一线。但是，关于W形结构，受技术水平、试验条件等多方面因素的影响，国内的研究比较落后。在实际工作中，往往不分工况场合，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，进行科学的力学分析，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主要因素，得出最佳参数，明确结构和工艺参数对密封性能的影响规律，从而针对具体工况选择相应的参数开发出高性能的产品。同时，通过对V形和W形结构的性价比较，可以为工程实践中经济、合理地选择缠绕垫片提供一定的科学依据。

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密封性能。虽然目前的试验手段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，但是，试验结果仍能说明密封方面的重要的问题。因此，以此方法和手段研究垫片的性能对工程实践有重要的指导意义。本文作为文献[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、优化试验（试验条件、结构和工艺参数、优化试验方法）等相关细节内容已在文献中给出，本文只做简要介绍。

1 结构设计和力学模型

W形结构简图如图1所示，简化力学模型如图2所示，W形柔性石墨金属缠绕垫片结构如图3所示。

2 优化试验条件、因素水平表和试验结果

2.1 试验条件

试件规格为4.5 mm厚度级别的内外环垫片DN80 PN5.0；技术要求参照GB 4622.3—2008；材料为06Cr18Ni10+柔性石墨，内外环为3.0 mm厚度的碳钢板；温度为常温；压紧应力为70.0 MPa，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5.5 MPa。

2.2 因素水平表

因素水平情况如表1所示。

2.3 试验结果

采用三因子三水平（L9（3）4）密封性能优化试验，试验结果和分析结果如表2、表3所示。

3 结果分析和结论

由三因子三水平优化试验结果和方差分析可知，在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）是显著的。这一结论与文献[1]中对压缩回弹性能的影响是一致的。这再一次证明了结构和工艺参数对整体性能的影响符合缠绕垫片的性能之间的关系。

从正交试验表影响因子中3个水平密封性能和的最小值中可以看出，参数组合中A2B2C3、A2B1C3所对应的泄漏率最小。其中，表中出现了A2B2C3组合，其泄漏率为0.80×10-5 cm3/s。虽然A2B1C3未出现在表中，但这一组合的试验结果为0.81×10-5 cm3/s，也是最优的结果。2种组合同为最优，主要原因是A、C2个因素相同，因素B的影响相对比较弱。从方差分析表中也可以得出这样的结论。

从整个结果看，在其他因素不变的情况下，随影响因素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。

在此需要注意的是，在选擇参数时，不能仅考虑密封性能，还要考虑其他性能。比如文献[1]中的研究表明，参数C的增大，垫片的刚度、强度提高了。为了达到初始密封，就要提高螺栓载荷。对于压力级别比较低的法兰，过大的螺栓载荷可能会产生翘曲变形，使其结果适得其反。因此，要想保证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程度及其规律，同时，将实验室的试验条件结果与工程实际情况有机结合起来，对比分析，这样才能真正设计、生产出高性能且满足工程实际工况需要的密封产品。

参考文献

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〔编辑：白洁〕