金属缠绕垫片结构参数对压缩-回弹性能的影响

王修慧 李慧芳 钱才富

摘要：為分析金属缠绕垫片结构参数对螺栓法兰连接系统密封失效的影响规律，以柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片为研究对象，采用试验与数值模拟相结合的方法研究垫片的压缩-回弹性能，并以垫片外缘最小压应力为指标分析螺栓法兰连接系统的密封性能，考核垫片结构参数对垫片外缘最小压应力和密封性能的影响。结果表明：试验与有限元数值模拟得到的柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片的非线性压缩-回弹曲线吻合很好;与工程常用的柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片结构参数相比，适当减小金属带宽度、石墨带宽度、缠绕层数及金属带角度可以在不同程度上提高螺栓法兰连接系统的密封性能。

关键词：金属缠绕垫片;压缩;回弹;压应力;金属带;结构参数

中图分类号：TP391.99;TQ051.3

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2021）03-0055-06

DOI：10.13340/j.cae.2021.03.010

Abstract：To analyze the influence of structural parameters of metal spiral gasket on sealing failure of bolted flange connection system， the flexible graphite-stainless steel spiral gasket is studied. The compression-rebound performance of the gasket is studied by means of test and numerical simulation. Taking the minimum compressive stress at the outer edge of the gasket as the index， the sealing performance of the bolted flange connection system is analyzed， and the influence of gasket structural parameters on the minimum compressive stress of gasket outer edge and sealing performance is studied. The results show that the nonlinear compression-rebound curves of flexible graphite-stainless steel spiral gasket obtained by finite element numerical simulation agree well with the test results. Compared with the structural parameters of flexible graphite-stainless steel metal spiral gasket commonly used in engineering，  the sealing performance of bolted flange connection system can be improved to varying degrees by appropriately reducing the width of metal belt， the width of graphite belt， the number of winding layers and the angle of metal belt.

Key words：metal spiral gasket;compression;rebound;compressive stress;metal belt;structural parameter

由于垫片的工作过程有压缩和回弹2个阶段，因此设置2个载荷步进行模拟。第一个载荷步模拟压缩过程，对上法兰施加轴向位移载荷;第二个载荷步模拟卸载过程，使上法兰回到初始位置。为得到多条卸载曲线，对上法兰分别施加0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8 mm的位移载荷进行模拟。

1.3 有限元模拟结果

1.3.1 垫片压应力计算

垫片的实际承载体是其缠绕部分，标准中规定没有柔性石墨带填充的金属带不计入密封面，因此，垫片的实际密封面积

式中：S为垫片缠绕部分面积，mm2;D3为垫片缠绕部分外径，mm;D2为垫片缠绕部分内径，mm。

垫片上的压应力

式中：F为垫片上的压力，即下法兰的支反力。

按式（2）可计算出不同位移阶段垫片上的压应力，从而得到柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片的压缩-回弹性能曲线，结果见图6。对于垫片压缩-回弹性能曲线：给定位移对应的压应力越大，表明垫片刚性越大;卸载后的残余变形（位移）越大，表明塑性变形越大，弹性变形越小，即垫片回弹性能越差。

1.3.2 模拟结果与试验结果对比

采用上述结果处理方法，将施加0.5和0.7 mm位移载荷分析得到的垫片压缩-回弹模拟曲线与试验得到的曲线进行对比，结果见图7。由此可知，有限元模拟结果与试验结果吻合很好，可以认为本文的缠绕式垫片压缩-回弹有限元模拟可信。

1.3.3 螺栓法兰连接系统密封性能评价

螺栓法兰连接系统能够形成密封的关键是垫片上形成压应力，即密封比压。对于给定结构和材料的垫片，其压应力能反映法兰连接系统的密封性能。王修慧等[11]研究发现，在预紧工况和操作工况下，法兰连接系统中垫片的压应力均呈现沿径向不均匀的环带状分布，且外缘环带压应力绝对值最大。所以，对于界面密封，垫片密封面上外缘的最小压应力是法兰连接系统密封性能的决定性因素。本文采用操作工况下垫片外缘的最小压应力评价螺栓法兰连接系统的密封性能。

为更符合工程实际结构，建立公称直径为DN300的柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片二维有限元模型，金属带宽度、石墨带宽度、金属带角度均与第1.2.1节有限元模型相同。分析得到不同结构参数下垫片的压缩-回弹曲线，并将该曲线应用于文献[11]介绍的螺栓法兰连接系统有限元模型的垫片材料设置中，分析得到不同结构参数下法兰连接系统的垫片外缘最小压应力。为定量比较，以金属带宽度为0.24 mm、石墨带宽度为0.48 mm、缠绕层数为15层、金属带V形角度为110°的垫片作为对比垫片（该尺寸接近工程上常用的柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片），计算各参数变化后垫片外缘的最小压应力与对比垫片外缘的最小压应力之间的相对变化率，进而分析螺栓法兰连接系统的密封性能。垫片外缘最小压应力相对变化率定义为参数变化后垫片外缘最小压应力减去对比垫片外缘最小压应力的差值与对比垫片外缘最小压应力的比值。

显然，若参数变化使得相对变化率为正，则意味着垫片外缘最小压应力增大，螺栓法兰连接系统的密封性能提高;反之，若参数变化使得相对变化率为负，则表明垫片外缘最小压应力减小，螺栓法兰连接系统的密封性能下降。

2 金属缠绕垫片结构参数分析

2.1 金属带宽度对垫片密封性能的影响

金属带是柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片的骨架，起主要支撑作用。《钢制管法兰用缠绕式垫片》（HG/T 20610—2009）规定，缠绕垫片金属带宽度为0.20 mm±0.02 mm。在有限元模型中，保证石墨带的宽度为0.48 mm不变，金属带宽度分别取0.18、0.20、0.22和0.24 mm，其他垫片结构参数和有限元模型的设置均不改变，模拟得到各金属带宽度对应的压缩-回弹性能曲线，分析金属带宽度对缠绕式垫片压缩-回弹性能和法兰连接系统密封性能的影响。位移载荷为0.60 mm时模拟得到的压缩-回弹性能曲线见图8。

由此可知，当其他参数不变时，在相同位移载荷作用下：金属带越宽，垫片压应力越大，即垫片抵抗变形的能力越强;随着金属带宽度增加，垫片的回弹性能略有降低。

垫片外缘最小压应力及其相对变化率随金属带宽度的变化见图9。由此可以看出，随着金属带宽度的减小，垫片外缘最小压应力增大。由相对变化率曲线可以看出，与金属带宽度0.24 mm的对比垫片相比，当金属带宽度减小到0.18 mm时，垫片外缘最小压应力提高10%以上，这表明垫片密封性能也有较大提高。

2.2 石墨带宽度对密封性能的影响

取金属带宽度为0.24 mm，其他垫片结构参数和有限元模型的设置均不改变，对石墨带宽度分别为0.40、0.48、0.60、0.70和0.80 mm的墊片进行压缩-回弹有限元模拟，得到不同石墨带宽度对应的垫片压缩-回弹性能曲线。位移载荷为0.60 mm时模拟得到的压缩-回弹性能曲线见图10。由此可知，当其他参数不变时，在相同位移载荷下，不同石墨带宽度的垫片压应力几乎一致，说明石墨带宽对垫片的压缩性能几乎无影响，但随着石墨带宽增加，垫片的回弹性能明显增强。

垫片外缘最小压应力及其相对变化率随石墨带宽度的变化见图11。随着石墨带宽度的增大，垫片外缘最小压应力减小。由相对变化率曲线可以看出，与石墨带宽度0.48 mm的对比垫片相比，若将石墨带宽度增加到0.80 mm，垫片外缘最小压应力可减小10%，意味着密封性能也有所降低;反之，若将石墨带宽度减小到0.40 mm，垫片外缘最小压应力可增加10%，意味着密封性能也有所提高。

2.3 金属带缠绕层数对密封性能的影响

柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片的金属带缠绕层数没有明确的规定，通常由生产厂家根据实际尺寸进行合理设计。在垫片二维有限元模型中，金属带宽度保持0.24 mm，石墨带宽度保持0.48 mm，其他参数和设置均不变，内附柔性石墨带的金属带缠绕层数分别取13、14、15、16和17层，分析缠绕层数对垫片性能和法兰密封性能的影响。位移载荷为0.60 mm时的模拟结果见图12。

由此可知，当其他参数不变时，在相同位移载荷作用下，随着金属带缠绕层数增加，垫片压应力值略有增大，垫片抵抗变形的能力增强，但垫片回弹性能保持不变。

垫片外缘最小压应力及其相对变化率随垫片金属带缠绕层数的变化见图13。随着缠绕层数增加，垫片外缘最小压应力下降。由相对变化率曲线可以看出：与15层缠绕层的对比垫片相比，若将缠绕层数增加到17层，垫片外缘最小压应力减小10%以上，意味着密封性能有所降低;反之，若将缠绕层数减小到13层，垫片外缘最小压应力增加约18%，意味着密封性能明显提高。

2.4 金属带角度对密封性能的影响

本文研究的柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片的金属带为V形，V形的角度在标准中没有明确规定，通常由生产厂家合理选择。取其他参数不变，模拟V形金属带角度分别为90°、100°、110°、120°和130°的缠绕垫片的压缩-回弹过程。位移载荷为0.60 mm时垫片的压缩-回弹曲线见图14。

由此可知，当其他参数不变时，在相同位移载荷下，随着金属带角度增大，垫片压应力明显增大，垫片抵抗变形的能力增强，但随着金属带角度增大，垫片的回弹性能略有降低。

垫片外缘最小压应力及其相对变化率随金属带角度的变化见图15。

由此可知，当其他参数不变时，随着金属带角度增大，垫片外缘最小压应力降低。由相对变化率曲线可以看出，与金属带角度110°的对比垫片相比，若将金属带角度增加到130°，垫片外缘最小压应力减小3.3%，意味着密封性能也会有所降低;反之，若将金属带角度减小到90°，垫片外缘最小压应力增加不到2%，意味着密封性能仅稍有提高。

3 结 论

金属缠绕垫片在工程上应用广泛，其压缩-回弹性能是影响垫片密封性能的关键参数之一。本文对金属缠绕垫片的压缩-回弹性能进行试验和数值模拟，并研究垫片结构参数对垫片外缘最小压应力的影响，结论如下。

（1）试验测量柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片的非线性压缩-回弹曲线，采用有限元数值模拟建立金属缠绕垫片二维轴对称模型，模拟垫片压缩-回弹过程，试验与模拟结果吻合较好。

（2）与工程常用的柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片结构参数相比，适当减小金属带宽度、石墨带宽度、缠绕层数及金属带角度可以在不同程度上提高螺栓法兰连接系统的密封性能;反之，增加金属带宽度、石墨带宽度、缠绕层数及金属带角度会在一定程度上使系统的密封性能下降。

（3）螺栓法兰连接系统的密封问题非常复杂，既与垫片性能有关，又与介质特性以及连接系统中各构件的刚度有关。本文仅研究金属缠绕垫片压缩回弹性能及结构参数影响，更深入的研究应以螺栓法兰连接系统为对象，以泄漏率为指标，进行试验测试和数值模拟。

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（编辑 武晓英）