探討無石棉墊片的密封理論

杜鵬，王馨寧

（1.濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東青州262500；2.濰坊博海學(xué)校，山東濰坊261000）

探討無石棉墊片的密封理論

杜鵬1，王馨寧2

（1.濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東青州262500；2.濰坊博海學(xué)校，山東濰坊261000）

石棉對(duì)人體和環(huán)境所造成的危害越來越被關(guān)注，無石棉墊片正在成為密封材料發(fā)展的趨勢(shì)，探討了該類墊片的密封理論以及未來研究的方向。

無石棉；墊片；密封理論

石棉在大自然當(dāng)中儲(chǔ)量非常豐富，過去利用石棉制備的密封材料在工程機(jī)械、船舶和重卡領(lǐng)域均有著非常廣泛的應(yīng)用。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，石棉材料對(duì)人體的危害逐漸被世界各行業(yè)所關(guān)注，無石棉密封材料成為發(fā)展趨勢(shì)[1]。由于單純利用某一纖維材料無法得到石棉的綜合性能，現(xiàn)在主要用多種有機(jī)和無機(jī)纖維混合作為無石棉纖維材料。

隨著科技的進(jìn)步，越來越多的新材料引入到了無石棉密封材料當(dāng)中，如芳綸漿粕纖維、芳綸纖維、聚酰亞胺纖維和碳纖維等。利用更多電控技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化墊片制備工藝，提高了密封墊片的整體性能和致密性能。但是，對(duì)于無石棉墊片密封理論的研究較少，本文主要的任務(wù)是探討國內(nèi)外關(guān)于無石棉墊片密封理論的研究進(jìn)展。

1 墊片的密封原理

考慮無石棉纖維性能好壞主要看它的密封能力。通常泄漏的通道主要有兩部分：（1）無石棉墊片本體的滲透；（2）墊片與法蘭表面的微孔間隙的界面泄漏。墊片本體的致密性越好，抵御墊片本體的滲漏能力也就越強(qiáng)；墊片的壓縮回彈性能越好、蠕變松弛衰減越小，墊片與法蘭更能完全結(jié)合在一起，界面密封能力越高。具體的泄漏通道見圖1.影響密封能力的因素有材料本身的致密性（影響滲透性）、壓縮回彈性和蠕變松弛性等。

圖1 無石棉墊片的泄漏通道

2 墊片的密封性能的評(píng)價(jià)

無石棉密封材料的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要沿用過去石棉材料的評(píng)價(jià)和測(cè)試方法。密封性能檢測(cè)方法主要有美國的ASTM F37（對(duì)應(yīng)國標(biāo)GB/T20671.4）、德國標(biāo)準(zhǔn)DIN3535和英國的BS7531[2].其中GB/T20671.4標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試方法B能夠較為準(zhǔn)確的測(cè)量墊片的整體泄漏率，評(píng)價(jià)墊片的密封性能。

ASTM F37測(cè)試方法的墊片壓強(qiáng)僅為20.7 MPa、介質(zhì)壓力0.2 MPa，與目前發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況有一定的差距。在實(shí)際測(cè)試時(shí)應(yīng)該進(jìn)一步提高墊片壓力和介質(zhì)內(nèi)壓，使測(cè)試環(huán)境與實(shí)際更加貼近。DIN3535標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)試的密封介質(zhì)為氮?dú)?，墊片壓強(qiáng)為32MPa，測(cè)試的介質(zhì)壓強(qiáng)為4MPa.利用DIN3535測(cè)試方法可以獲得不同墊片厚度、墊片壓強(qiáng)和介質(zhì)壓力等條件下的墊片密封規(guī)律，為墊片的實(shí)際選用提供依據(jù)。

3 密封機(jī)理的研究現(xiàn)狀

過去無石棉密封材料的密封機(jī)理研究大多是將密封介質(zhì)看成粘性流體。現(xiàn)階段密封機(jī)理研究重點(diǎn)是選擇一種什么樣的理論模型來表征墊片的泄漏通道[3-4]。

更多的學(xué)者[2-3]將泄漏通道看成多孔的毛細(xì)血管，如Masi和Vincent將墊片的泄漏通道表征為由許多條直徑相同、沒有拐彎的平行管道所組成，通過研究得到了不同介質(zhì)壓力和不同等級(jí)墊片壓強(qiáng)的泄漏規(guī)律。此外，試驗(yàn)表明利用該模型對(duì)其他條件下的密封性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得了較為準(zhǔn)確的墊片泄漏率。

L.Marchand[4]在Masi理論的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步提出了LMF（laminar-molecular flow model）分子模型，該模型根據(jù)環(huán)境條件，可以將泄漏模式分為三種：分子流形式、層流形式及混合流形式。界定泄漏方式的過程中重點(diǎn)考慮了密封介質(zhì)的稀薄效應(yīng)，該模型的提出不但能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同條件下的墊片泄漏方式，并且對(duì)泄漏率的預(yù)測(cè)也更加準(zhǔn)確可靠。

國內(nèi)的顧伯勤在Marchand模型的基礎(chǔ)上[5]，將密封系統(tǒng)看成是螺栓、法蘭和墊片三者之間的整體配合，該系統(tǒng)屬于一個(gè)靜不定問題。根據(jù)可靠性理論提出了評(píng)價(jià)密封墊片系統(tǒng)可靠性的方法——密封過程中的緊密型設(shè)計(jì)方法。該理論通過一系列的密封試性驗(yàn)作，依據(jù)不同墊片壓強(qiáng)條件下的泄漏率數(shù)據(jù)庫，建立泄漏率預(yù)測(cè)模型，推算出安全的墊片應(yīng)力大小，為密封系統(tǒng)的前期開發(fā)提供參考。但該模型也有明顯的短板，利用該模型獲得的密封試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在常溫下獲得，沒有考慮墊片-法蘭-系統(tǒng)在高溫條件下的密封能力，在預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境中的墊片材料時(shí)，實(shí)際的密封能力受發(fā)動(dòng)機(jī)的工況的影響較大，預(yù)測(cè)效果一般。

國外的Pascal Jolly將密封系統(tǒng)中的介質(zhì)看成是滿足一階邊界條件下的達(dá)西定律，提出了新的模型和模型參數(shù)。同時(shí)提出表征滲透性的參數(shù)kv和克努森數(shù)Kn，這兩個(gè)參數(shù)均是通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累所得。利用該密封性模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確率不但超過了LMF模型，并且能夠快速有效地預(yù)測(cè)和確認(rèn)不同工況條件下的泄漏模式和泄漏率。

周先軍[6]在分析泄漏模型時(shí)將密封墊片的尺寸、所受載荷、介質(zhì)、介質(zhì)壓力和載荷的衰減等因素考慮進(jìn)去并結(jié)合滲流力學(xué)相關(guān)方面的理論，創(chuàng)造性的提出了密封滲漏模型。利用該模型預(yù)測(cè)的泄漏率與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果更加接近。

綜上，對(duì)墊片可靠性和密封性理論的研究已經(jīng)取得了不少成果，但是泄漏模型對(duì)高溫、高壓因素的考慮還比較欠缺。比如用于發(fā)動(dòng)機(jī)中的墊片，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩的不斷提升，對(duì)密封墊片泄漏率和可靠性要求越來越高，相應(yīng)的預(yù)測(cè)難度也越來越大。因此，下一步要將研究重點(diǎn)放到探索一種更加貼近實(shí)際工況的泄漏理論探索當(dāng)中。

4 結(jié)束語

無石棉墊片的密封理論研究已經(jīng)取得了一定的成果，利用模型可以得到密封墊片的泄漏規(guī)律。但現(xiàn)有試驗(yàn)和理論成果大多還集中在常溫靜態(tài)條件下，沒有考慮振動(dòng)和高溫的影響。因此下一步的研究重點(diǎn)應(yīng)將振動(dòng)和溫度因素考慮進(jìn)去，研究對(duì)無石棉墊片的密封性能的影響，建立更加貼近實(shí)際工況的泄漏率預(yù)測(cè)模型。

[1]B.Porodnov，V.Akin’shin.Flow of Low-Density Gases in a Capillary Grid[J].Sov.Phys.Tech.Phys.1974，（19）：515-518.

[2]ASTM F37-06.Standard Test Methods for Sealability of Gasket Materials[S].

[3]P.Jolly，L.Marchand.Leakage predictions for static gasket based on the porous media theory[N].Proceedings of the 11th ASME pressure vessels and piping division conference，2006.

[4]L.Marchand.Predicting gasket leak rates using a laminar -molecular flow model[N].Proceedings of the 10th ASME pressure vessels and piping division conference.2005.

[5]B.Gu，Y.Chen，D.Zhu.Prediction of Leakage Rates Through Sealing Connections With Nonmetallic Gaskets[J].Chin. J.Chem.Eng.2007，（15）：37-841.

[6]周先軍.非金屬多孔介質(zhì)泄漏模型再研究[J].潤滑與密封，2008，33（12）：65-67.

Working mechanism of the Sealing Gasket

DU Peng1，WANG Xin-ning2
（1.Weifang Engineering Vocation College，Qingzhou Shandong 262500，China；2.Weifang Bohai School，Weifang Shandong 261000，China）

Asbestos has serious harm to human body and environment，no -asbestos sealing gasket is gradually become the main choice，this essay mainly focused on sealing mechanism and research status of this materials.

no-asbestos；gasket；sealing mechanism

T B42

A

1672-545X（2016）09-0077-02

2016-06-21

杜鵬（1984-），男，山東濰坊人，碩士研究生，助教，主要研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械的密封技術(shù)。