柔性石墨金屬波齒復合墊片金屬骨架結構參數的研究

劉宏超，任建民

（遼寧石油化工大學機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

柔性石墨金屬波齒復合墊片金屬骨架結構參數的研究

劉宏超，任建民

（遼寧石油化工大學機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

在金屬波齒復合墊片的金屬骨架上，施加一定的壓緊應力（45 MPa）。在三組的不同結構參數下，采用有限元法對三種不同齒尖厚度做對比分析，了解它的密封性能。分析結果表明，在齒尖部位，隨著其厚度的增加，波齒環上的應力出現迅速均化的現象，整體變形減小。可知，適當的齒尖厚度，能夠使波齒墊片的承載能力得到極大的提高。

金屬骨架；結構參數；有限元應力分析

墊片密封是過程工業裝置中壓力容器、工藝設備、動力機器和連接管道等可拆連接處最主要的靜密封型式。目前常用的一些墊片如橡膠板墊、纏繞墊、包覆墊和金屬齒形墊等存在易散架、易壓潰和預壓緊力較高等缺陷［1］，基本上難以滿足各種各樣的密封要求。

波齒復合墊片是近年來在石油化工等過程工業中應用較廣泛的靜密封元件之一，其主體是由帶多道同心圓波齒的金屬骨架和兩側的柔性石墨覆層復合而成。具有密封性能優異、回彈性能好、使用壽命長、安全可靠性高、適應性廣等一系列優點，已廣泛用于石油化工等行業的法蘭連接設備和管道靜密封上［2］。然而對墊片性能起決定作用的金屬骨架結構，絕大多數廠家僅憑經驗生產，缺乏科學的理論分析，致使墊片性能差異很大，安全可靠性得不到保證。因此，合理設計骨架的波齒結構是非常必要的。

1 墊片結構型式與密封原理

1.1 結構型式

柔性石墨金屬波齒復合墊片的結構型式分為基本型、帶定位環型和帶隔條型［3］。金屬波齒墊片骨架結構分為“V”形槽、梯形槽和圓弧形槽，齒型分為對齒和錯齒兩種形式［4］。金屬骨架材料有08(10)或類似低碳鋼、1Crl3、0Crl8Ni9或類似奧氏體不銹鋼、蒙奈爾合金或其他特殊材料。基本型墊片的結構及組成如圖1所示，墊片整體厚度為T, 圓弧半徑為R，齒間距為P，齒深為h，齒厚度為t，D2為內徑，D3為外徑，網格處為柔性石墨層。

圖1 基本型柔性石墨金屬波齒復合墊片Fig.1 Basic type of flexible graphite metal toothed compound gasket

1.2 密封原理

柔性石墨金屬波齒復合墊片的金屬骨架具有良好的壓縮性和回彈性，使用時在螺栓法蘭上施加一定的預緊應力，將柔性石墨材料壓入骨架和法蘭的溝槽中，金屬骨架上下表面的環形齒尖和法蘭緊密接觸。當法蘭被進一步加大應力時金屬骨架產生彈性變形，會使膨脹石墨受到壓縮，使其封閉在金屬骨架和法蘭面之間形成的環形密閉空間里［5］。于此，整個波齒復合墊片就形成了多道的金屬材料和膨脹石墨材料相結合的雙重密封。

2 波齒墊片金屬骨架的性能研究

2.1 數值模擬計算

根據我國2003年12月出版發行的中華人民共和國國家試驗標準，波齒墊片骨架的試樣規格是φ 120.5 mm×φ84 mm×3.0 mm［6］。本文作者主要研究基本型墊片，其內徑D2=84 mm、外徑D3=120.5 mm、骨架厚度t=3 mm、齒尖厚度分別為0 mm、0.05 mm和0.1 mm。金屬波齒復合墊片的骨架結構，其具體結構尺寸如表1。

表1 本研究中的波齒復合墊片結構尺寸Table 1 Structure size of the wave tooth composite gasket

ANSYS結構分析是有限元分析中最常用的一個應用領域，主要用于確定結構或部件上引起的位移、應力、應變、變形和力等，正符合研究墊片的形變和應力分布情況。由于墊片只承受軸向載荷力的作用，而在幾何和載荷方面均屬于軸對稱，所以可以看作平面問題分析，齒尖寬為0.1 mm波齒墊片骨架橫截面示意圖如圖 2。前期處理中，單元類型采用“plane42”，材料的彈性模量為 2.06el1，泊松比為0.3［7］。邊界條件和載荷方面，在模型兩端沿x方向固定、上表面限制y方向移動、下表面y向施加軸向載荷45 MPa［8］。劃分可采用自由網格劃分方法，單元采用四邊形單元，由于各種墊片在結構參數上的差異，各個墊片骨架模型網格劃分后，節點數1 000左右，四邊形單元數在900左右，齒尖寬為0.1 mm波齒墊片骨架單元網格劃分情況見圖3。

圖2 波齒墊片骨架橫截面示意圖Fig.2 Corrugated gasket skeleton cross-sectional schematic

圖3 波齒墊片骨架單元網格劃分Fig.3 Corrugated gasket skeleton unit mesh

2.3 加載求解

計算模型所加的載荷和邊界條件，0.1 mm 齒尖寬波齒墊片骨架承載見圖4，3種規格墊片其邊界條件是相同的。

圖4 波齒墊片骨架承載Fig.4 Corrugated gasket skeleton carrying

3 波齒墊片骨架數值分析結果

通過對墊片金屬骨架進行數值模擬得出金屬骨架受力后的軸向應力分布和變形，由此分析不同結構參數對墊片金屬骨架力學性能的影響，圖5是齒尖寬為0.1 mm波齒復合墊片骨架變形圖；圖6-14分別是齒尖寬為0 mm、0.05 mm和0.1 mm波齒復合墊片骨架沿墊片骨架下表面(加載面)節點的軸向應力分布等值線圖。

圖5 墊片骨架變形圖Fig.5 Gasket skeleton deformation Figure

3.1 0 mm齒尖寬結構

圖6 R=2 mm軸向應力等值線圖Fig.6 R = 2 mm axial stress contour map

圖7 R=2.5mm軸向應力等值線圖Fig.7 R = 2.5 mm axial stress contour map

圖8 R=3 mm軸向應力等值線圖Fig.8 R = 3 mm axial stress contour map

3.2 0.05 mm齒尖寬結構

圖9 R=2 mm軸向應力等值線圖Fig.9 R = 2 mm axial stress contour map

圖10 R=2.5 mm軸向應力等值線圖Fig.10 R = 2. mm axial stress contour map

圖11 R=3mm軸向應力等值線圖Fig.11 R = 3mm axial stress contour map

3.3 0.1 mm齒尖寬結構

圖12 R=2 mm軸向應力等值線圖Fig.12 R = 2 mm axial stress contour map

圖13 R=2.5 mm軸向應力等值線圖Fig.13 R = 2.5 mm axial stress contour map

圖14 R=3 mm軸向應力等值線圖Fig.14 R = 3 mm axial stress contour map

4 結果分析

（1）從圖6-8中可以看出，在齒尖厚度為0 mm時，在齒距比較小的時候，整個波齒環上的受力分布比較均勻，且齒尖應力比較集中，最大應力很小，可以看出，整體的受載變形不大，整個波齒環的剛度比較大。當齒距增大的時候，齒峰的應力增加比較迅速，整個波齒環上的應力分布趨于分散，受載變形趨于增大，整個波齒環上的剛度變小。

（2）從圖9-14中可以看出，在齒尖部位，隨著厚度的增加，齒環上的應力出現了迅速均化現象，整體變形減小，可知，適當的齒尖厚度在某種程度上可以提高墊片的承載能力。同時，隨著半徑圓弧的R值的增大，相應點的最大應力值也增大，說明大圓弧條件下的承載能力削弱，柔性增大，有利于形成預緊密封，可知，小圓弧多齒數的波齒復合墊片具有更好的承載能力，且最大應力均作用在齒尖部。

（3）應用 ansys軟件對波齒環進行數值模擬的分析結果來看，波齒墊片的受力狀況隨著齒尖厚度、圓弧半徑、齒距和齒數的變化而變化，所以在生產制造時，對于波齒環結構的具體尺寸必須進行嚴格的控制。

5 結 論

運用有限元軟件對波齒環進行數值模擬計算，根據應力的分布情況，可知波齒環的結構參數，對波齒復合墊片的性能有直接的影響，結構參數的優化和新型墊片的開發需要通過實驗進一步論證。下一步的主要任務就是在金屬骨架方面，選用各種不同的齒尖厚度、圓弧半徑、金屬骨架厚度及齒深，在標準的實驗壓緊應力條件下進行對比分析，從而獲得最佳結論。

［1］ 顧伯勤. 靜密封設計技術[M]. 北京: 中國標準出版社, 2004.

［2］ 劉宗良，劉東. 金屬波紋墊片及其發展[J]. 石油化工設備技術, 2001, 22(5): 39-40.

［3］ GB/T 19066.1-2003柔性石墨金屬波齒復合墊片分類[S]. 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 2003-12.

［4］ 張文娟，段茲華. 石墨波齒復合墊片的密封性能[J].化工進展，2006，25：625-627.

［5］ 李多民，段茲華，仇性啟.波齒復合墊片常溫壓縮回彈性能實驗研究[J].潤滑與密封，2009，34（3）：91-93．

［6］ GB/T 19066.3-2003柔性石墨金屬波齒復合墊片技術條件[S]. 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 2003-12.

［7］ 李多民．石墨金屬波齒復合墊片力學性能的有限元分析[J].潤滑與密封，2009，34(11)：64-67．

［8］ 尚慶軍，周先軍．波齒復合墊片結構參數研究[J].壓力容器，2003，20（7）：13-15．

Study on Metal Skeleton Structural
Parameters of Flexible Graphite Corrugated Metal Gaskets

LIU Hong-chao，REN Jian-min
（School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Exerting a certain degree of compression stress（45 MPa）on metal skeleton of the composite corrugated metal gasket，under three groups of different structural parameters,three different tooth tip thicknesses were compared and analyzed by the finite element method to understand the sealing performance. The analysis results show that at the tooth tip site, with the increase of its thickness, the stress on the wave gear ring appears the phenomenon of rapid homogenization, the overall deformation decreases. The results show that suitable tooth tip thickness can increase the carrying capacity of the corrugated gasket.

Metal skeleton；Structural parameter；Finite element stress analysis

TB 42

A

1671-0460（2012）06-0617-03

2012-03-17

劉宏超（1984-），男，遼寧凌源人，遼寧石油化工大學在讀碩士研究生，研究方向：密封技術。E-mail：13842357469@163.com。