分级加载下核级石墨密封垫片的压缩回弹性能研究

王琪瑶，沈火明，刘 娟，张媛媛，傅孝龙

（1.西南交通大学力学与工程学院，成都 610031；2.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610041）

引言

螺栓-法兰-垫片密封系统在实际工程中应用广泛，主要用在压力容器和管道中［1-2］。垫片作为导致系统泄漏失效的主要密封元件，其密封性能、力学性能都有严苛的要求［3-4］。而压缩回弹性能则是影响垫片密封服役效果的重要力学性能之一。王德成和刘宏杰等［5］采用有限元模拟的方法研究了无石棉垫片的压缩回弹性能，并提出了能够改进系统密封性能的设计方法。梁瑞和李秦龙等［6］将试验和有限元模拟相结合，对比分析了不同齿形组合垫片的压缩回弹性能，得到了具有更高性能的齿形组合垫片。ZHOU和ZHAI等［7］以新型金属-金属接触型垫片为研究对象，通过试验研究了垫片的压缩回弹性能，并建立了密封结构系统的有限元模型，分析了介质的内部压力、螺栓的预紧力和温度对垫片力学性能的影响。贾晓红和陈华明等［8］采用有限元模拟，探究了石墨密封垫片密封界面的应力分布状况，并验证了仿真模型及方法的正确性。

在实际应用过程中，存在不同级别的压应力反复、分级施加的情况，因此，垫片受到的压力不恒定且情况复杂。而受经济因素影响，垫片会考虑重复使用，因而，对垫片的可靠性、稳定性都提出了更高要求。陆晓峰和顾伯勤［9］考虑垫片蠕变的影响因素，对螺栓法兰连接系统进行了变形协调分析，获得了高温下螺栓法兰连接系统的寿命预测方法。郑小涛和文桑等人［10］对不同加载速率影响下波齿复合垫片的高温循环压缩回弹性能进行了对比研究，并拟合出了垫片的压缩回弹特性方程。时黎霞等人［11］研究了金属缠绕垫片在分级加载下的压缩回弹性能，发现金属缠绕垫片的压缩回弹性能受加载方式影响甚微。

核级石墨密封垫片作为影响核电系统、航空航天等运行安全的重要密封元件，在复杂的工作条件下，其密封的可靠性更值得关注，而目前国内对复杂加载方式下的石墨密封垫片压缩回弹性能研究较少。因此本文通过试验，采用分级加载的方式对核级石墨密封垫片进行压缩回弹试验，对比分析研究其压缩回弹性能的变化。

1 试验方法

1.1 试验设备及试样

压缩回弹试验在经过改造的MTS 809试验机上进行，试验机配置引伸计以便更加精准的测量垫片的变形，增设外加压头以模拟实际密封系统中的上下法兰。

试验采用公称直径为DN65的核级石墨密封垫片为研究对象，密封环采用柔性石墨材料填充，内外限制环采用022Cr17Ni12Mo2，即 316L钢［12］，其结构如图 1所示，垫片结构参数见表1。

图1 垫片结构示意图

表1 核级石墨密封垫片结构参数

1.2 试验方案

首先，将试样对中安装在下压头上，对垫片施加0.2 MPa的预紧力以确保压头与垫片充分接触，记录此时垫片的厚度。接着按照0.2 MPa/s的速度对垫片施加载荷至规定值，并记录此时的垫片厚度。最后以0.2 MPa/s的速度对垫片卸载至规定值，并记录此时垫片未恢复的压缩量。

分别采用4级、8级两种等级对垫片逐级加载至100 MPa，4级加载的 4个压力等级为 25 MPa、50 MPa、75 MPa、100 MPa，8级加载的8个压力等级为12.5 MPa、25 MPa、37.5 MPa、50 MPa、62.5 MPa、75 MPa、87.5 MPa、100 MPa。每加载至一个压力等级后卸载，随后继续加载至下一个压力等级，直至加载至最大压力等级后卸载。

从试样中选取若干垫片，随机抽取垫片并进行不少于3组试验。每个垫片试验完成后，通过软件输出载荷-位移曲线。

2 结果与讨论

经过压缩回弹试验后的垫片如图2所示，观察可以发现垫片的金属限制环均没有发生肉眼可见的变化，而石墨密封环的改变则比较明显，其厚度明显降低。

2.1 分级加载

4级加载的垫片压缩回弹曲线如图3所示，8级加载的垫片压缩回弹曲线如图4所示。

观察分级加载的压缩回弹曲线发现，前几级加载产生的位移范围明显大于后续加载的位移范围，这主要是由于垫片密封环的填充材料——石墨是一种内部疏松多孔的材料，在压缩的过程中多孔的构造逐步被压缩，孔隙被填满，使得密封环部分产生了压缩硬化，限制了随后加载中由相同压应力产生的塑性变形。每个压力等级下的压缩回弹曲线均存在与滞回曲线类似的开口行为，随加载次数的增加，开口变得越来越小，但开口均没有完全消失。这表明垫片在受到压应力作用的过程中，产生一定程度的塑性变形，而塑性变形随着分级加载次数的增加而减小。

图2 压缩回弹试验后垫片的状态

图3 4级加载垫片压缩回弹曲线

图4 8级加载垫片压缩回弹曲线

分级加载对垫片压缩回弹曲线的总体趋势没有太大影响，每一级载荷的压缩曲线都在前一级卸载曲线之上。这主要是由于每一级加载下的压缩模量随着压力等级的增长而增大，使得其不但大于该压力等级下的回弹模量，还大于前一级的压缩模量。

随着压力等级的增长，可以发现每一级压缩量都逐级递增，垫片压缩量的增长变得不明显，压缩曲线和回弹曲线均逐渐靠近。且各压力等级下的压缩回弹曲线趋于贴合。这是因为当压力等级达到垫片的门槛应力后［13］，承载的主要构件由石墨密封环变为金属限制环，垫片整体的压缩模量激增，而随着压力等级与加载次数的增加，石墨密封环受到压应力作用逐渐硬化，压缩模量也出现了增大的情况，因此垫片无法发生较大尺度的变形。

为了更加精准的描述垫片在分级加载各压力等级下的压缩回弹性能，将垫片每一级加载时起始点的垫片变形情况计入考虑，分别采用公式（1）、公式（2）计算垫片的压缩率和回弹率。

其中，n为垫片所受到的压力等级，Tnmax为垫片在第n压力等级时对应的最大压缩量，Tn0为垫片在第n压力等级初载荷下的垫片厚度，T10为垫片在第1压力等级初载荷下的垫片厚度，Tn2为垫片在第n压力等级完全卸载时垫片未恢复的压缩量。

两种分级加载情况下，各压力等级的压缩率、回弹率分别如图5、图6所示。

可以观察到，垫片的压缩率随着压力等级的增加而降低，在加载至较高等级后，垫片的压缩率变化逐渐减小。而垫片的回弹率随着压力等级的增加而显著增长，且增长程度较为明显，到达较高压力等级后，其回弹率趋近于90%。这是因为在较高压力等级下，垫片发生的变形以弹性变形为主，仅发生少量塑性变形，产生的大部分变形均可恢复。在垫片受到小于门槛应力的压力等级加载时，其压缩率、回弹率变化均比较明显，而当加载到高于门槛应力的压力等级后，石墨内部结构已经受到一定程度压缩，其紧密程度已经接近峰值，因此垫片压缩率、回弹率的变化逐步减小。

图5 4级加载各压力等级对应的压缩率、回弹率

图6 8级加载各压力等级对应的压缩率、回弹率

在不同分级加载情况下，垫片的整体压缩率、回弹率见表2。由于最大变形量和残余变形逐渐变大，分级数量越多的加载方式，其压缩率越大，而回弹率越小。当垫片采用分级加载方式，其回弹率均低于《核电厂用石墨密封垫片技术条件》［14］中对回弹率的要求。因此，核级石墨密封垫片并不适于以过多次数的分级加载方式进行工作服役，这可能会降低垫片的密封性能。

表2 两种分级加载情况下垫片的整体压缩率、回弹率

2.2 1次加载与分级加载对比

将分级加载的加载方式下各应力等级对应的压缩曲线分段截取，分别取达到各压力等级前的10 MPa内的数据，组合成一条最大应力为100 MPa的压缩曲线，将曲线与1次加载至100 MPa的压缩曲线进行对比，如图7所示。1次加载与分级加载的回弹曲线对比如图8所示。

图7 1次加载与分级加载下垫片压缩曲线对比

图8 1次加载与最后一级压力等级回弹曲线对比

由图7、图8可见，采用1次加载方式得到的压缩曲线、回弹曲线与采用分级加载方式得到的压缩曲线区别较大，虽然趋势一致，但其最大压缩量随着分级加载次数的增加而明显增大。这主要是由于石墨密封环的内部多孔结构不断被压实、压密，密封环的塑性应变逐渐积累造成的。

如图9所示，不同加载方式下垫片的压缩率和回弹率也存在明显差异，1次加载方式得到的压缩率明显小于分级加载方式得到的压缩率，而回弹率则相反。因此，核级石墨密封垫片在实际应用中采用单一的，1次性的加载方式更能保证其密封效果。

图9 1次加载与分级加载压缩率、回弹率对比

3 结论

通过试验的方法，采用分级加载的方式对核级石墨密封垫片的压缩回弹性能进行了研究。在对比4级加载、8级加载及1次加载三种加载方式后，得到结论如下：

（1）在分级加载情况下，随压力等级的增大，垫片的最大压缩量逐渐增大，但垫片发生的塑性变形逐渐减小，逐渐以发生弹性变形为主。

（2）垫片在分级加载情况下，受到压应力反复作用，石墨密封环积累塑性变形逐渐硬化，金属限制环逐步分担压应力，垫片的压缩模量逐渐变大。

（3）垫片的压缩率随着压力等级的增加而增大，而垫片的回弹率随着压力等级的增加而减小。而分级加载次数越多，垫片的压缩回弹性能下降越明显。

（4）采用1次加载，或较少分级加载次数的加载方式更能够保证核级石墨密封垫片在使用过程中性能的稳定。