W形柔性石墨不銹鋼纏繞墊片密封性能優(yōu)化試驗(yàn)研究*

陳 慶 陳雨飛 鄭康寧

(1. 吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院；2. 中國(guó)石油天然氣股份公司吉林石化公司精細(xì)化學(xué)品廠；3. 保定市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所)

W形柔性石墨不銹鋼纏繞墊片密封性能優(yōu)化試驗(yàn)研究*

陳 慶1陳雨飛2鄭康寧3

(1. 吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院；2. 中國(guó)石油天然氣股份公司吉林石化公司精細(xì)化學(xué)品廠；3. 保定市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所)

在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)寬度為5.5、6.0、6.5mm、材料為06Cr18Ni10的3種平鋼帶進(jìn)行W形設(shè)計(jì)，然后通過(guò)性能優(yōu)化試驗(yàn)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)4.5mm厚的W形柔性石墨不銹鋼纏繞墊片進(jìn)行密封性能研究，從而找出結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)對(duì)密封性能的影響規(guī)律和最佳性能參數(shù)組合，開(kāi)發(fā)出高密封性能的產(chǎn)品。

柔性石墨不銹鋼纏繞墊片 力學(xué)分析 W形結(jié)構(gòu) 優(yōu)化試驗(yàn) 密封性能

柔性石墨不銹鋼纏繞墊片因性能優(yōu)良而廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金及發(fā)電等過(guò)程工業(yè)的設(shè)備、管道及閥門等螺栓法蘭連接密封系統(tǒng)中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，作為密封元件，其國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)占有率平均達(dá)到50%～60%以上[1]。柔性石墨不銹鋼纏繞墊片主要有V形和W形兩種結(jié)構(gòu)。工程領(lǐng)域普遍使用的纏繞墊片以V形結(jié)構(gòu)為主[2]，但在一些場(chǎng)合(高溫、高壓等特殊環(huán)境)使用W形結(jié)構(gòu)更加可靠。關(guān)于V形結(jié)構(gòu)的研究成果較多，且廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)一線。但是，關(guān)于W形結(jié)構(gòu)，由于技術(shù)水平、試驗(yàn)條件等多方面因素的影響，國(guó)內(nèi)的研究比較落后，往往是不分工況場(chǎng)合、隨意生產(chǎn)(或者仿制)、任意選擇某種結(jié)構(gòu)的纏繞墊片，缺乏科學(xué)依據(jù)。這種現(xiàn)象給企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。本課題組在長(zhǎng)期從事流體密封技術(shù)和V形結(jié)構(gòu)纏繞墊片研究的基礎(chǔ)上，科學(xué)建立力學(xué)模型和力學(xué)分析，并采用優(yōu)化試驗(yàn)等方法系統(tǒng)地研究了W形柔性石墨不銹鋼內(nèi)外環(huán)纏繞墊片的密封性能，找出影響密封性能的顯著因素和最佳性能參數(shù)組合，從而針對(duì)具體工況選擇參數(shù)，開(kāi)發(fā)高性能產(chǎn)品。同時(shí)，通過(guò)V形和W形結(jié)構(gòu)的性價(jià)比較，為工程實(shí)踐中經(jīng)濟(jì)、合理地選擇纏繞墊片提供一定的科學(xué)依據(jù)[3，4]。

密封墊片的主要性能包括力學(xué)性能(壓縮性能、回彈性能、應(yīng)力松弛性能)和密封性能，對(duì)于纏繞墊片來(lái)說(shuō)，各性能之間有著密切的聯(lián)系，相輔相成，缺一不可。其中密封性能直接反映了密封效果，其他性能直接或間接影響著密封性能。雖然目前的試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室的剛性法蘭上進(jìn)行的，試驗(yàn)條件與實(shí)際工況存在一定的偏差，但試驗(yàn)結(jié)果仍能說(shuō)明密封方面的重要問(wèn)題，因此以此方法和手段研究墊片的性能對(duì)工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義[5，6]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)模型

作為文獻(xiàn)[1]的續(xù)篇，關(guān)于W形纏繞墊片結(jié)構(gòu)、力學(xué)模型的建立、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化試驗(yàn)(試驗(yàn)條件、結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)、優(yōu)化試驗(yàn)方法)等相關(guān)細(xì)節(jié)內(nèi)容文中僅做簡(jiǎn)要介紹。

W形纏繞墊片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖2所示[7]，內(nèi)外環(huán)W形結(jié)構(gòu)纏繞墊片如圖3所示。

圖1 W形纏繞墊片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 簡(jiǎn)化力學(xué)模型

圖3 內(nèi)外環(huán)W形結(jié)構(gòu)纏繞墊片

2 優(yōu)化試驗(yàn)

2.1優(yōu)化試驗(yàn)條件

試件規(guī)格為4.5mm厚度級(jí)別內(nèi)外環(huán)墊片DN80 PN5.0；技術(shù)要求參照GB 4622.3-2008；試驗(yàn)材料為06Cr18Ni10+柔性石墨，內(nèi)外環(huán)為厚3.0mm的碳鋼板；試驗(yàn)溫度為常溫；壓緊應(yīng)力為70.0MPa；試驗(yàn)裝置為全自動(dòng)墊片綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)介質(zhì)為氮?dú)猓橘|(zhì)壓力為5.5MPa[8]。

2.2因素水平表和試驗(yàn)結(jié)果

采用三因素、三水平(L9(3)4)密封性能優(yōu)化試驗(yàn)，3個(gè)因素分別為鋼帶角度2β(A)、纏繞拉緊力(B)和纏繞壓緊力(C)，因素水平表見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果及分析分別見(jiàn)表2、3。

表1 因素水平表

表2 密封性能正交試驗(yàn)表

注：Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj表示各因素在1、2、3水平下的泄漏率之和；T為9組試驗(yàn)密封泄漏率之和；Y為9組泄漏率平均值。

表3 密封性能方差分析表

2.3結(jié)果分析

通過(guò)三因素三水平優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果和方差分析可知，影響密封性能的因素中A(鋼帶角度)、C(纏繞壓緊力)相對(duì)于B(鋼帶拉緊力)來(lái)說(shuō)是顯著的。這一結(jié)論與文獻(xiàn)[1]中3個(gè)因素對(duì)壓縮回彈性能的影響結(jié)果是一致的。再一次證明結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對(duì)整體性能的影響符合纏繞墊片性能之間的關(guān)系。

從正交試驗(yàn)表影響因子中3個(gè)水平密封性能和的最小值可以看出，參數(shù)組合中A2B2C3、A2B1C3所對(duì)應(yīng)的泄漏率最小，其中表2中出現(xiàn)了A2B2C3組合，其泄漏率為0.80×10-5cm3/s，A2B1C3雖未在表中出現(xiàn)，但對(duì)這一組合的試驗(yàn)結(jié)果為0.81×10-5cm3/s，也是最優(yōu)的結(jié)果，兩種組合同為最優(yōu)，主要原因是A、C兩因素相同，因素B的影響相對(duì)較弱，從方差分析表中也可以得到同樣的結(jié)論。

從整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果看，在其他因素不變的情況下，隨著影響因素C的增大，泄漏率降低、密封性能提高。研究所得這一重要規(guī)律，對(duì)于不同工況下生產(chǎn)纏繞墊片參數(shù)的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和大量試驗(yàn)表明，影響W形柔性石墨金屬纏繞墊片密封性能的因素主要是鋼帶結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造工藝參數(shù)(鋼帶拉緊力和壓緊力)。而結(jié)構(gòu)參數(shù)和壓緊力對(duì)密封性能的影響更為顯著。筆者通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)找到了最佳參數(shù)組合，同時(shí)也得出參數(shù)對(duì)密封性能的影響規(guī)律。另外值得注意的是，選擇參數(shù)時(shí)，不能僅考慮密封性能，同時(shí)也要考慮其他性能，如文獻(xiàn)[1]中研究表明，隨著參數(shù)C的增大，墊片的剛度、強(qiáng)度均有所提高，為了達(dá)到初始密封，就得提高螺栓載荷，對(duì)于壓力級(jí)別較低的法蘭來(lái)說(shuō)，過(guò)大的螺栓載荷可能會(huì)產(chǎn)生翹曲變形，其結(jié)果將適得其反。因此要想得到纏繞墊片各項(xiàng)性能綜合指標(biāo)最優(yōu)，就必須全面考慮參數(shù)對(duì)各種性能的影響顯著程度及其規(guī)律，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)條件、結(jié)果與工程實(shí)際有機(jī)結(jié)合，對(duì)比分析，才能真正設(shè)計(jì)生產(chǎn)出高性能且滿足工程實(shí)際工況需要的密封產(chǎn)品。

[1] 陳慶，甘樹(shù)坤，劉興德.W形柔性石墨金屬纏繞墊片結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究[J].潤(rùn)滑與密封，2014，39(9)：104～107.

[2] 陳慶，趙明炬.V形結(jié)構(gòu)金屬石墨纏繞墊片的性能優(yōu)化研究[J].潤(rùn)滑與密封，2006，31(11)：136～138.

[3] 陳慶，蔡玉國(guó).W形結(jié)構(gòu)纏繞墊片壓縮-回彈性能的研究[J].潤(rùn)滑與密封，2007，32(4)：145～146.

[4] 陳慶，由立臣，趙明炬.V形、W形不銹鋼柔性石墨纏繞墊片的結(jié)構(gòu)研究[J].化工機(jī)械，2003，30(2)：10～12.

[5] 陳慶，陳利強(qiáng).柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片應(yīng)力松弛特性試驗(yàn)研究[J].化工機(jī)械，2013，40(3)：306～308.

[6] 陳慶，李君，卜辛國(guó).壓力管道用金屬波齒結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究[J].化工機(jī)械，2010，37(6)：730～731.

[7] 由立臣，陳慶，郭奇，等.纏繞墊片成型鋼帶壓縮性能分析[J].潤(rùn)滑與密封，2004，29(4)：106～108.

[8] 由立臣，陳慶，郭奇.纏繞墊片的設(shè)計(jì)、制造和使用中存在的問(wèn)題[J].石油化工設(shè)備，2003，32(6)：55～57.

ExperimentalStudyonSealingPerformanceOptimizationofW-shapedFlexibleGraphiteStainlessSteelSpiralWoundGaskets

CHEN Qing1, CHEN Yu-fei2, ZHENG Kang-ning3
(1.JilinInstituteofChemicalTechnology,JiLin132022,China; 2.FineChemicalsPlant,PetroChinaJilinPetrochemicalCorporation,Jilin132021,China; 3.BaodingSpecialEquipmentSupervisionandInspectionInstitute,Baoding071000,China)

Based on mechanics analysis, the 06Cr18Ni10 flat steel strips sized at 5.5mm, 6.0mm and 6.5mm respectively were designed for W-shape. Through testing of the performance optimization, the sealing performance of W-shaped flexible graphite stainless steel spiral wound gasket sized at 4.5mm was investigated to find out both influence rule and optimal parameter combination so as to develop high sealing performance products.

flexible graphite stainless steel spiral wound gasket, mechanics analysis, W-shaped structure, optimization test, sealing performance

* 吉林市工業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新科技攻關(guān)項(xiàng)目(201212209)。

** 陳 慶，男，1964年10月生，教授。吉林省吉林市，132022。

TQ055.8+3

A

0254-6094(2016)02-0154-03

2015-04-21，

2016-03-04)