柔性石墨金属波齿复合垫片金属骨架高温蠕变性能研究

屈春叶，李力驳

(1.山西煤炭职业技术学院，山西 太原 030031；2.赛鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

近年来，现代石油化工工业正在朝着高温、高压、大型化的方向发展，使得一些承压设备长期在高温、高压条件下工作，密封失效导致泄漏成为比较突出的问题，严重威胁着石油化工设备的安全。由于波齿复合垫片材料(石墨、不锈钢)能够耐高温，其在高温、高压的螺栓法兰连接中也有应用的趋势。在高温、高压条件下，垫片的蠕变行为是密封系统发生失效和泄漏的根本原因[1]。波齿复合垫片的力学性能主要取决于其金属骨架，因此，研究波齿复合垫片金属骨架的高温蠕变性能具有重要的价值和意义。

有限单元法是在当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法，求解所得的数据能够满足工程需要，并且经济、高效。利用有限元分析软件ANSYS计算得到的金属骨架蠕变应变分布，能够帮助研究者了解金属骨架的性能，并可以指导波齿复合垫片的设计。

1 波齿复合垫片介绍

1.1 结构特点

波齿复合垫片是由特殊规格的波形金属骨架与膨胀石墨材料复合而成。金属骨架是由金属环加工而成，其上、下表面开有相互错开的具有特定规则的同心圆弧沟槽，既带尖齿，又呈波纹状，其表面再复合一层适当厚度的膨胀石墨材料，从而构成整体结构的垫片，故名为波齿复合垫片。波齿复合垫片常用的金属骨架材料有08、10、0Cr13和0Cr18Ni9等，与低碳钢骨架相比，在同样的垫片应力下，不锈钢骨架的垫片压缩率小，回弹率大[2]。

波齿复合垫片的结构型式有基本型、带定位环型及带定位耳型三种，如图1、2、3所示[3]。其中，基本型波齿复合垫片适用于榫槽面和凹凸面法兰，带定位环型和带定位耳型适用于全平面和突面法兰。

图1 基本型柔性石墨金属波齿复合垫片

图2 带定位环型柔性石墨金属波齿复合垫片

图3 带定位耳型柔性石墨金属波齿复合垫片

1.2 密封机理

波齿复合垫片工作时，在法兰压紧力的作用下，柔性石墨被压缩并填补法兰密封面上的缺陷，波形金属骨架上的一道道环状齿峰与法兰密封面形成线密封。波形金属骨架处于弹性阶段，使密封面一直保持足够的压力，柔性石墨形成的环状密封与金属骨架齿峰形成的一道道线密封保证垫片密封一直处于良好状态。当装置中压力升起，法兰面与垫片有分离的趋势，波齿复合垫片波形金属骨架回弹使得密封面保持紧密接触。这样，无论是在正常工作还是开停车的状态下，法兰与垫片密封面都能够一直保持足够大的压力，保证密封的效果。

2 波齿复合垫片金属骨架高温蠕变性能数值模拟

利用有限元分析软件ANSYS，分别对垫片单边宽度12mm、厚度2mm、齿数4个、齿深0.4mm结构在45MPa、70MPa、100MPa、150MPa载荷下进行高温蠕变性能数值模拟计算，得到了波齿复合垫片金属骨架的蠕变应变分布。实际使用中的垫片，最大应力应该在齿尖处，在数值模拟计算中可以忽略此奇异处的影响，这并不影响金属骨架真实的力学性能。

2.1 前处理

2.2 求解

边界条件和载荷方面，在模型两端沿X方向固定，在模型左端位移几乎为零的一个节点沿Y向固定，可以凭借经验或者尝试的方法找到此节点；在模型的上、下表面施加轴向载荷。施加边界条件和载荷的效果图如图4所示。为了进行蠕变分析，采用两个载荷步：第一步，时间设置为1e-8，第二步，时间设置为1e5。

图4 模型施加边界条件和载荷的效果图

2.3 后处理

波齿复合垫片金属骨架在不同载荷下105小时后的蠕变应变分布如图5～8所示。不同载荷条件下的最大蠕变应变变化曲线如图9所示。不同载荷条件下沿金属骨架上表面和轴向沿波谷到齿尖的蠕变应变如图10～17所示。可以看出，波齿复合垫片金属骨架具有很好的抗蠕变性能。波谷处的蠕变应变最大，齿尖区域的蠕变应变最小，并且数值相差很大。随着载荷的增大，蠕变应变呈指数级别增大。在较低载荷条件下，较大蠕变应变区域较小，蠕变对金属骨架的影响较小；在较高载荷条件下，较大蠕变区域明显增大，蠕变对金属骨架的影响非常大。

图5 45MPa载荷下金属骨架von Mises 蠕变应变

图6 70MPa载荷下金属骨架von Mises 蠕变应变

图7 100MPa载荷下金属骨架von Mises 蠕变应变

图8 150MPa载荷下金属骨架von Mises 蠕变应变

图9 不同载荷条件下的蠕变应变图

图10 150MPa载荷下沿上表面的蠕变应变

图11 150MPa载荷下轴向沿波谷到齿尖蠕变应变

图12 100MPa载荷下沿上表面的蠕变应变

图13 100MPa载荷下轴向沿波谷到齿尖蠕变应变

图14 70MPa载荷下沿上表面的蠕变应变

图15 70MPa载荷下轴向沿波谷到齿尖蠕变应变

图16 45MPa载荷下沿上表面的蠕变应变

图17 45MPa载荷下轴向沿波谷到齿尖蠕变应变

3 高温条件下波齿复合垫片需要研究的其它方面

高温条件下，蠕变松弛会引起泄漏失效，蠕变损伤累计可能引起断裂失效。在有压力波动的工况下，蠕变疲劳交互作用比单一的蠕变或疲劳复杂的多；蠕变疲劳交互作用下垫片的寿命比把蠕变和疲劳损伤线性相加的寿命要小的多。石墨与金属骨架材料的关联性对金属骨架的蠕变损伤、疲劳损伤有很大影响，另外，还应注意所使用粘结剂的高温稳定性。

4 结论

经过数值模拟计算研究，波齿复合垫片金属骨架具有很好的抗蠕变性能。波谷处的蠕变应变最大，齿尖区域的蠕变应变最小，并且数值相差很大。随着载荷的增大，蠕变应变呈指数级别增大。在较低载荷条件下，较大蠕变应变区域较小，蠕变对金属骨架的影响较小；在较高载荷条件下，较大蠕变区域明显增大，蠕变对金属骨架的影响非常大。

[1] Bouzid A, Chaaban A, Bazergui A.The effect of gasket creep relaxation on the leakage tightness of bolted flanged joint[J].Pressure Vessel Technology,1995,117:71-78.

[2] 谢苏江,蔡仁良,黄建中.金属波齿复合垫片结构参数和力学性能关系的试验研究[J].化工机械,2000,27(4):200-203.

[3] 全国管路附件标准化技术委员会.GB/T 19066.1-2008 柔性石墨金属波齿复合垫片尺寸[S].北京：中国标准出版社，2009.

[4] 陈立杰，陈 勃，刘建中，等.550oC下0Cr18Ni9的蠕变行为及蠕变裂纹扩展规律研究[C].第七届全国压力容器学术会议，2009:294-298.