W形柔性石墨金屬纏繞墊片壓縮—回彈性能試驗與優化研究

滕加莊+陳慶

摘 要：通過使用不同寬度平鋼帶設計出3種W形柔性石墨金屬纏繞墊片，在不同纏繞壓緊力和拉緊力下，對304鋼內外環柔性石墨纏繞墊片進行三因子三水平壓縮—回彈性能優化試驗研究，從而找出顯著影響該結構墊片的重要參數及其對性能的影響規律，找出性能最佳參數組合。

關鍵詞：W形 石墨金屬纏繞墊片 壓縮—回彈 優化

中圖分類號：TQ055.8 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（c）-0064-02

柔性石墨金屬纏繞墊片使用性能優良，廣泛應用于石油化工管道和設備的螺栓法蘭連接密封系統[1]。據不完全統計，柔性石墨金屬纏繞墊片在國內外密封元件市場平均占有率達到50%以上。纏繞墊片主要有V形和W形兩種結構，目前，在國內工程領域，普遍使用的纏繞墊片以V形結構為主，只有在一些高端場合（高溫、高壓等特殊環境）才能更多地見到W形結構，且多數隨設備進口[2]。

柔性石墨金屬纏繞墊片的使用性能包括密封可靠性、使用壽命和可維護性[3]；決定該墊片使用性能的重要指標是墊片的壓縮回彈特性。目前國內對柔性石墨金屬纏繞墊片的壓縮回彈特性的研究與測試還不夠深入，文章結合工程實踐、理論研究，對柔性石墨金屬W形纏繞墊片的回彈特性進行測試和理論分析，有助于墊片參數的優化和使用優化，從而使墊片具有更好的性能，為工程實踐中經濟、合理地選擇纏繞墊片提供一定的科學依據。

1 結構設計

1.1 建立力學模型

內外環柔性石墨纏繞墊片示意圖如圖1所示。簡化力學模型如圖2所示，Q為壓緊力，Q1與Q2分別為沿著斜邊和垂直斜邊的分力。

1.2 W形幾何結構的設計

以國家標準中5 mm厚度纏繞墊片為設計、試驗研究對象。選用厚度為0.2 mm，寬度分別為5.00 mm、5.50 mm和6.00 mm的3種平鋼帶，制作3種W形結構，成型后的W形結構及具體尺寸如圖3及表1所示。

2 優化試驗

2.1 試驗條件

技術要求：GB4622.3～2008。

墊片規格：5 mm厚度級別內外環墊片，DN80 PN5.0；

材料：密封面為304鋼加柔性石墨，內外環為3.0 mm厚度的304鋼板。

溫度：常溫。

壓緊應力：72.0 MPa。

試驗裝置：狀態方程法全自動墊片綜合性能試驗臺。

2.2 試件的結構及工藝參數

試件的結構參數：3種鋼帶角度為A1 =108.56°，A2 =102.64°，A3=82.82°；工藝參數：3個纏繞拉緊力為B1=15.0 N，B2=18.0 N，B3=20.0 N。3個纏繞壓緊力C1=0.20 MPa，C2=0.25 MPa，C3=0.30 MPa。

2.3 優化試驗

采用三因子三水平（L9（3）4）壓縮—回彈性能優化試驗，試驗結果如表2所示。

3 試驗結果分析

試驗結果表明：

（1）規律顯示壓縮率過大，回彈率降低，在國家標準GB4622.3中規定的壓縮率（18%～30%）范圍內，以中間壓縮率為佳選擇的原則，壓縮率性能最佳組合為A2B3C1，其壓縮率/回彈率為19.75/27.92，這種組合的回彈率與國標要求的回彈率≥17%高出近11個百分點；（2）從表2中出現的組合中A2B2C3、A2B1C2的壓縮率和回彈率也是比較好的；（3）大角度W結構，壓緊力參數C2較好，小角度下，C3較好；（4）方差分析表明（見表3），角度和壓緊力對壓縮率的影響分別為顯著和一般顯著，對回彈率的影響雖然從顯著性講并不顯著，但相對而言，角度的影響較大。

從試驗結果可以得到如下結論：

（1）在C1、C2、C3條件下，壓縮率依次降低。其主要原因是壓緊力大，墊片的強度和剛度相應增大。兩種結構不同之處在于，W形的壓緊力對壓縮率的影響從數學的角度上顯示出了顯著性；（2）對于W形結構來說，結構的角度對壓縮率的影響是顯著的，對回彈率的影響也較其他兩個因素明顯。從數據上看，角度大壓縮率相對降低，回彈率相對高。這主要是因為，角度的增大，提高了墊片的剛性，壓縮回彈的非線性關系更加趨于“線性”，彈性變形較大，塑性變形相對較小；（3）就W形而言，壓緊力對壓縮率的影響是顯著的，對回彈率的影響一般。同等條件下角度小和壓緊力小，壓縮率都會增大，也就是說，小角度和小的壓緊力疊加，其結果壓縮率會過分增大而超出標準的要求；（4）值得注意的是，影響不顯著不等于沒影響，影響的規律性是存在的。顯著性的影響是指影響的敏感性，也就說，微小的變化影響較大。但在工程應用中，更有指導意義的應該是某一規律性對性能影響的明顯性。

參考文獻

[1] 王樂勤，楊暉，勵行根，等.柔性石墨密封墊片的研究現狀及發展趨勢[J].流體機械，2013（6）：37-41.

[2] 陳慶，甘樹坤，劉興德，等.W形柔性石墨金屬纏繞墊片結構及工藝參數優化試驗研究[J].潤滑與密封，2014（9）：104-107.

[3] 陳慶，蔡玉國.W形結構纏繞墊片壓縮—回彈性能的研究[J]. 潤滑與密封，2007，32（4）：145-146.