柔性石墨金屬波齒復合墊片金屬骨架高溫蠕變性能研究

屈春葉，李力駁

(1.山西煤炭職業技術學院，山西 太原 030031；2.賽鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

近年來，現代石油化工工業正在朝著高溫、高壓、大型化的方向發展，使得一些承壓設備長期在高溫、高壓條件下工作，密封失效導致泄漏成為比較突出的問題，嚴重威脅著石油化工設備的安全。由于波齒復合墊片材料(石墨、不銹鋼)能夠耐高溫，其在高溫、高壓的螺栓法蘭連接中也有應用的趨勢。在高溫、高壓條件下，墊片的蠕變行為是密封系統發生失效和泄漏的根本原因[1]。波齒復合墊片的力學性能主要取決于其金屬骨架，因此，研究波齒復合墊片金屬骨架的高溫蠕變性能具有重要的價值和意義。

有限單元法是在當今工程分析中獲得最廣泛應用的數值計算方法，求解所得的數據能夠滿足工程需要，并且經濟、高效。利用有限元分析軟件ANSYS計算得到的金屬骨架蠕變應變分布，能夠幫助研究者了解金屬骨架的性能，并可以指導波齒復合墊片的設計。

1 波齒復合墊片介紹

1.1 結構特點

波齒復合墊片是由特殊規格的波形金屬骨架與膨脹石墨材料復合而成。金屬骨架是由金屬環加工而成，其上、下表面開有相互錯開的具有特定規則的同心圓弧溝槽，既帶尖齒，又呈波紋狀，其表面再復合一層適當厚度的膨脹石墨材料，從而構成整體結構的墊片，故名為波齒復合墊片。波齒復合墊片常用的金屬骨架材料有08、10、0Cr13和0Cr18Ni9等，與低碳鋼骨架相比，在同樣的墊片應力下，不銹鋼骨架的墊片壓縮率小，回彈率大[2]。

波齒復合墊片的結構型式有基本型、帶定位環型及帶定位耳型三種，如圖1、2、3所示[3]。其中，基本型波齒復合墊片適用于榫槽面和凹凸面法蘭，帶定位環型和帶定位耳型適用于全平面和突面法蘭。

圖1 基本型柔性石墨金屬波齒復合墊片

圖2 帶定位環型柔性石墨金屬波齒復合墊片

圖3 帶定位耳型柔性石墨金屬波齒復合墊片

1.2 密封機理

波齒復合墊片工作時，在法蘭壓緊力的作用下，柔性石墨被壓縮并填補法蘭密封面上的缺陷，波形金屬骨架上的一道道環狀齒峰與法蘭密封面形成線密封。波形金屬骨架處于彈性階段，使密封面一直保持足夠的壓力，柔性石墨形成的環狀密封與金屬骨架齒峰形成的一道道線密封保證墊片密封一直處于良好狀態。當裝置中壓力升起，法蘭面與墊片有分離的趨勢，波齒復合墊片波形金屬骨架回彈使得密封面保持緊密接觸。這樣，無論是在正常工作還是開停車的狀態下，法蘭與墊片密封面都能夠一直保持足夠大的壓力，保證密封的效果。

2 波齒復合墊片金屬骨架高溫蠕變性能數值模擬

利用有限元分析軟件ANSYS，分別對墊片單邊寬度12mm、厚度2mm、齒數4個、齒深0.4mm結構在45MPa、70MPa、100MPa、150MPa載荷下進行高溫蠕變性能數值模擬計算，得到了波齒復合墊片金屬骨架的蠕變應變分布。實際使用中的墊片，最大應力應該在齒尖處，在數值模擬計算中可以忽略此奇異處的影響，這并不影響金屬骨架真實的力學性能。

2.1 前處理

2.2 求解

邊界條件和載荷方面，在模型兩端沿X方向固定，在模型左端位移幾乎為零的一個節點沿Y向固定，可以憑借經驗或者嘗試的方法找到此節點；在模型的上、下表面施加軸向載荷。施加邊界條件和載荷的效果圖如圖4所示。為了進行蠕變分析，采用兩個載荷步：第一步，時間設置為1e-8，第二步，時間設置為1e5。

圖4 模型施加邊界條件和載荷的效果圖

2.3 后處理

波齒復合墊片金屬骨架在不同載荷下105小時后的蠕變應變分布如圖5～8所示。不同載荷條件下的最大蠕變應變變化曲線如圖9所示。不同載荷條件下沿金屬骨架上表面和軸向沿波谷到齒尖的蠕變應變如圖10～17所示。可以看出，波齒復合墊片金屬骨架具有很好的抗蠕變性能。波谷處的蠕變應變最大，齒尖區域的蠕變應變最小，并且數值相差很大。隨著載荷的增大，蠕變應變呈指數級別增大。在較低載荷條件下，較大蠕變應變區域較小，蠕變對金屬骨架的影響較小；在較高載荷條件下，較大蠕變區域明顯增大，蠕變對金屬骨架的影響非常大。

圖5 45MPa載荷下金屬骨架von Mises 蠕變應變

圖6 70MPa載荷下金屬骨架von Mises 蠕變應變

圖7 100MPa載荷下金屬骨架von Mises 蠕變應變

圖8 150MPa載荷下金屬骨架von Mises 蠕變應變

圖9 不同載荷條件下的蠕變應變圖

圖10 150MPa載荷下沿上表面的蠕變應變

圖11 150MPa載荷下軸向沿波谷到齒尖蠕變應變

圖12 100MPa載荷下沿上表面的蠕變應變

圖13 100MPa載荷下軸向沿波谷到齒尖蠕變應變

圖14 70MPa載荷下沿上表面的蠕變應變

圖15 70MPa載荷下軸向沿波谷到齒尖蠕變應變

圖16 45MPa載荷下沿上表面的蠕變應變

圖17 45MPa載荷下軸向沿波谷到齒尖蠕變應變

3 高溫條件下波齒復合墊片需要研究的其它方面

高溫條件下，蠕變松弛會引起泄漏失效，蠕變損傷累計可能引起斷裂失效。在有壓力波動的工況下，蠕變疲勞交互作用比單一的蠕變或疲勞復雜的多；蠕變疲勞交互作用下墊片的壽命比把蠕變和疲勞損傷線性相加的壽命要小的多。石墨與金屬骨架材料的關聯性對金屬骨架的蠕變損傷、疲勞損傷有很大影響，另外，還應注意所使用粘結劑的高溫穩定性。

4 結論

經過數值模擬計算研究，波齒復合墊片金屬骨架具有很好的抗蠕變性能。波谷處的蠕變應變最大，齒尖區域的蠕變應變最小，并且數值相差很大。隨著載荷的增大，蠕變應變呈指數級別增大。在較低載荷條件下，較大蠕變應變區域較小，蠕變對金屬骨架的影響較小；在較高載荷條件下，較大蠕變區域明顯增大，蠕變對金屬骨架的影響非常大。

[1] Bouzid A, Chaaban A, Bazergui A.The effect of gasket creep relaxation on the leakage tightness of bolted flanged joint[J].Pressure Vessel Technology,1995,117:71-78.

[2] 謝蘇江,蔡仁良,黃建中.金屬波齒復合墊片結構參數和力學性能關系的試驗研究[J].化工機械,2000,27(4):200-203.

[3] 全國管路附件標準化技術委員會.GB/T 19066.1-2008 柔性石墨金屬波齒復合墊片尺寸[S].北京：中國標準出版社，2009.

[4] 陳立杰，陳 勃，劉建中，等.550oC下0Cr18Ni9的蠕變行為及蠕變裂紋擴展規律研究[C].第七屆全國壓力容器學術會議，2009:294-298.