勵(lì)行根，沈明學(xué)，王成林，魏世軍，勵(lì)潔，彭旭東

（1 浙江工業(yè)大學(xué)過(guò)程裝備及其再制造教育部工程研究中心，浙江 杭州 310032；2 寧波天生密封件有限公司，浙江 寧波 315302；3 中核核電運(yùn)行管理有限公司一廠，浙江 海鹽 314300）

引 言

柔性石墨金屬波紋復(fù)合增強(qiáng)墊片（簡(jiǎn)稱“金屬波紋復(fù)合墊片”）是在波紋金屬墊片的基礎(chǔ)上改進(jìn)和發(fā)展起來(lái)的新型復(fù)合密封墊片，它是以金屬波紋板作為骨架材料、以柔性石墨板為上下覆蓋層的一種復(fù)合式墊片[1]。該類復(fù)合墊片既有金屬波紋墊片優(yōu)異的回彈特性，又兼有柔性石墨熔點(diǎn)高、自潤(rùn)性好、膨脹系數(shù)大且耐高/低溫、耐化學(xué)腐蝕及耐輻射性能等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。此外，它能克服纏繞墊片易散架和壓潰、包覆墊片沿徑向發(fā)生剪切破壞、平墊片覆蓋材料易被向外擠出及發(fā)生蠕變、齒形墊片易損傷法蘭面等弊端[1]。因此，該墊片可廣泛應(yīng)用于石油、化工、核電、航空航天和軍工等眾多領(lǐng)域，尤其適用于苛刻操作工況和密封環(huán)境下的高參數(shù)場(chǎng)合，例如高溫加氫裂化裝置、高壓換熱器、大膨脹量蒸汽管道系統(tǒng)等。然而，目前該墊片在生產(chǎn)和選用等方面尚缺乏科學(xué)的理論分析和系統(tǒng)研究，也無(wú)明確骨架和覆蓋層具體尺寸參數(shù)的相應(yīng)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)[5]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究復(fù)合墊片的形式主要集中于金屬石墨纏繞式墊片[6-9]、金屬波齒復(fù)合墊片[10-12]和金屬接觸型石墨墊片[13-14]等。許多學(xué)者針對(duì)柔性石墨金屬?gòu)?fù)合墊片的不同金屬骨架形狀與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究[7,11,15-16]。其中，文獻(xiàn)[15]詳細(xì)比較了4 種不同金屬骨架（V 形、圓弧形、梯形和波紋形）的柔性石墨復(fù)合墊片在不同尺寸參數(shù)下的力學(xué)性能，結(jié)果表明以波紋形為骨架的復(fù)合墊片壓縮和回彈性能均明顯優(yōu)于其余幾種骨架的復(fù)合墊片。然而，迄今針對(duì)金屬波紋復(fù)合墊片的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道甚少[2,17]。此外，柔性石墨是一種帶空隙的各向異性流變材料，有限元模擬局限于采用純彈性或彈塑性模型甚至拋開(kāi)石墨層進(jìn)行分析[15-16]，因此有限元模擬很難真實(shí)地評(píng)價(jià)復(fù)合墊片的變形行為和應(yīng)力場(chǎng)分布。本研究旨在優(yōu)化金屬波紋復(fù)合墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而提高該類墊片的密封性能，通過(guò)泄漏率、壓縮/回彈性能、骨架材料變形行為及應(yīng)力松弛等墊片重要性能的分析系統(tǒng)研究金屬波紋復(fù)合墊片力學(xué)行為和密封性能。主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于對(duì)墊片力學(xué)行為分析的過(guò)程中首次引入骨架殘余高度的概念，針對(duì)骨架材料的變形行為結(jié)合墊片常溫/高溫密封性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析探討金屬波紋復(fù)合墊片的密封機(jī)理，以期為金屬波紋復(fù)合墊片的生產(chǎn)、工程選用等提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 墊片的材料、結(jié)構(gòu)及規(guī)格

試驗(yàn)用金屬波紋復(fù)合墊片由寧波天生密封件有限公司提供，所有墊片均參照GB/T 19066.3—2003《柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片技術(shù)條件》的要求生產(chǎn)[5]，墊片的基本結(jié)構(gòu)及其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別見(jiàn)圖1和表1，柔性石墨主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)開(kāi)始前墊片經(jīng)橡膠彈性墊預(yù)壓（2 MPa）和干燥處理。

圖1 金屬波紋復(fù)合墊片結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of corrugated metal composite gaskets

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在全自動(dòng)墊片綜合性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，如圖2所示。試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)架、試驗(yàn)法蘭、墊片加載系統(tǒng)、泄漏率檢測(cè)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等組成，可進(jìn)行高溫/常溫下墊片的壓縮回彈性能試驗(yàn)、密封性能試驗(yàn)、應(yīng)力松弛試驗(yàn)。其中，泄漏率檢測(cè)系統(tǒng)主要包括氦質(zhì)譜檢漏儀（SFJ-211，安徽皖儀科技股份有限公司，分辨率為1×10-12Pa·m3·s-1）、氦氣源（氦氣純度：99.9%）和連接管路等，上下法蘭面的表面粗糙度為Ra=0.2。試驗(yàn)機(jī)最大試驗(yàn)力為500 kN，分辨力為最大試驗(yàn)力的1/200000；位移控制精度為0.001 mm。此外，本研究涉及的試驗(yàn)溫度、加卸載速度及初始載荷等均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[5,18-19]。

表1 金屬波紋復(fù)合墊片骨架材料結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters for frame material of corrugated metal composite gaskets

表2 金屬波紋復(fù)合墊片用柔性石墨主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters for flexible graphite of corrugated metal composite gaskets

圖2 墊片試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Diagram of specialized test apparatus for gasket

1.3 試驗(yàn)方法

為了更好地了解覆蓋層厚度、骨架材料材質(zhì)對(duì)金屬波紋復(fù)合墊片力學(xué)性能和密封性能的影響，本研究選用4 種不同石墨層厚度、2 種不同骨架材料及結(jié)構(gòu)的復(fù)合墊片進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)主要包括常溫（室溫：20℃±2℃）下不同參數(shù)復(fù)合墊片的壓縮/回彈性能試驗(yàn)、密封性能（泄漏率測(cè)試）試驗(yàn)以及常溫和高溫（300℃±5℃）工況下的應(yīng)力松弛試驗(yàn)。對(duì)于上述試驗(yàn)，同一條件下均各取3 個(gè)試樣進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，以排除試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偶然性。每次試驗(yàn)前用二甲苯將法蘭清洗干凈，以避免法蘭面殘留石墨影響測(cè)試結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 密封性能分析

圖3 不同石墨厚度下復(fù)合墊片泄漏率隨墊片應(yīng)力的變化Fig.3 Variation of leakage rate of composite gaskets with loading stress under different thickness of graphite

圖3示出了不同石墨覆蓋層厚度（0.38 mm/0.6 mm/0.8 mm/1.0 mm）下316L 金屬波紋復(fù)合墊片的泄漏率隨墊片應(yīng)力的變化。由圖可知，在“零泄漏”（泄漏率≤1.1×10-12Pa·m3·s-1）前泄漏率和預(yù)緊應(yīng)力基本呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，即預(yù)緊應(yīng)力越大泄漏率越小。其中，覆蓋層厚度為0.38 mm 的復(fù)合墊片密封性能最好，0.8 mm 和1.0 mm 柔性石墨覆蓋的復(fù)合墊片密封性能較差，而覆蓋層厚度為0.6 mm 的墊片在σ=30 MPa 的墊片應(yīng)力下泄漏率達(dá)到1.1×10-12Pa·m3·s-1。因此，石墨覆蓋層厚度對(duì)復(fù)合墊片的密封性能有重要影響。

圖4(a)示出了316L 波紋和平板兩種不同骨架結(jié)構(gòu)的復(fù)合墊片泄漏率對(duì)比。由圖可知金屬波紋作為骨架材料的復(fù)合墊片泄漏率均明顯低于平板復(fù)合墊片，表明金屬波紋骨架材料對(duì)復(fù)合墊片的密封性能具有顯著的增強(qiáng)作用。此外，從測(cè)得的泄漏率數(shù)據(jù)看[圖4(b)]，在較低墊片應(yīng)力（如σ=25 MPa 和35 MPa）下A3 和316L 兩種不同骨架材料的復(fù)合墊片泄漏率在同一量級(jí)，表明此時(shí)骨架材質(zhì)對(duì)泄漏率影響并不明顯。而隨墊片應(yīng)力的增加（如σ=45 MPa）316L 復(fù)合墊片的密封性能明顯高于A3 復(fù)合墊片，其原因可能在于316L 的力學(xué)性能優(yōu)于A3，其抵抗變形的能力較好。因此，較高的墊片應(yīng)力下金屬骨架波峰與法蘭面間僅保留較薄的石墨層后金屬波紋的增強(qiáng)作用開(kāi)始顯現(xiàn)，從而形成迷宮密封效應(yīng)。而在較低的墊片應(yīng)力下密封面上石墨起主要的承載功能，故泄漏率相差不大。下文將針對(duì)骨架材料的變性行為做進(jìn)一步的探討。

圖4 骨架有無(wú)波紋(a)和骨架材質(zhì)(b)對(duì)復(fù)合墊片泄漏率影響Fig.4 Effect of framework on leakage rate of composite gaskets

2.2 壓縮/回彈特性及墊片形貌

圖5所示為316L 金屬波紋復(fù)合墊片在不同墊片應(yīng)力作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可知：在壓縮過(guò)程中不同墊片應(yīng)力下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致均可分為如下3 個(gè)階段：緩慢爬升（階段A）、波動(dòng)（階段B）、迅速爬升（階段C）。其中，階段A 和階段C 的曲線重合性較好，階段B 的曲線呈不規(guī)則波動(dòng)；在回彈過(guò)程中，隨墊片應(yīng)力的增加回彈性能略有提高。此外，墊片在A 和B 兩個(gè)階段的壓縮過(guò)程中曲線過(guò)于平緩，這將直接影響墊片的壓縮率和回彈率性能指標(biāo)，而且壓縮率和回彈率不能真實(shí)地反映此類墊片的力學(xué)性能。

圖5 不同墊片應(yīng)力下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（石墨層厚度t0=0.6 mm）Fig.5 Stress-strain curves under different gasket stress (thickness of graphite t0=0.6 mm)

為了考察復(fù)合墊片在壓縮過(guò)程中出現(xiàn)上述3 個(gè) 階段的原因及預(yù)壓縮對(duì)墊片力學(xué)性能的影響，本研究對(duì)同一墊片進(jìn)行了6 MPa/10 MPa/20 MPa 等不同應(yīng)力等級(jí)下的逐級(jí)多次循環(huán)加、卸載壓縮回彈試驗(yàn)，分析了不同墊片應(yīng)力下的壓縮回彈性能和表面形貌。復(fù)合墊片在循環(huán)加、卸載條件下的壓縮回彈性能曲線如圖6所示。由圖可知，墊片的壓縮變形主要出現(xiàn)在較低墊片應(yīng)力區(qū)域（即階段A 和階段B），如墊片應(yīng)力10 MPa 下的壓縮量就已超過(guò)0.8 mm（占?jí)|片初始厚度的30.53%），也就是說(shuō)墊片的壓縮性能只有承受一定的墊片應(yīng)力后才能進(jìn)入應(yīng)力快速爬升的階段C，因此其力學(xué)性能明顯不同于纏繞墊片[6]，而且與波齒復(fù)合墊片相比又增加了明顯波動(dòng)的階段B[11]。

圖6 復(fù)合墊片循環(huán)加、卸載的壓縮回彈性能曲線（石墨層厚度t0=0.6 mm）Fig.6 Stress-strain curves of composite gasket under cyclic loading (thickness of graphite t0=0.6 mm)

圖7 金屬波紋骨架及不同墊片應(yīng)力下的墊片局部表面形貌Fig.7 Local surface morphologies of corrugated metal frame and gaskets under different loading stress

圖7示出了對(duì)應(yīng)圖6中所示不同階段的墊片表面形貌。如前所述，該類復(fù)合墊片由金屬波紋板[圖7(a)]上、下覆蓋柔性石墨層復(fù)合而成，其表面局部 形貌如圖7(b)所示。柔性石墨是具有蠕變、松弛特性和一定孔隙結(jié)構(gòu)的流變非線性材料。在初始?jí)嚎s階段（對(duì)應(yīng)圖5中階段A），墊片起承載作用的主要為柔性石墨覆蓋層，但該石墨層質(zhì)地松軟、易于壓縮，于是波峰及其附近波谷的覆層柔性石墨材料先逐漸密實(shí)，但金屬波紋凹槽上方的覆蓋層尚未與法蘭完全接觸[圖7(c)]，該階段墊片較差的承載能力就表現(xiàn)出應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升相對(duì)平緩；隨著墊片應(yīng)力的提高，波峰及其附近波谷處的石墨向兩側(cè)波谷推擠，使石墨層呈不規(guī)則的流動(dòng)，并逐漸填實(shí)金屬波紋的凹槽。結(jié)合圖7(d)和圖6分析可見(jiàn)，當(dāng)這些石墨與被相向推擠過(guò)來(lái)的石墨相遇時(shí)（此時(shí)墊片形貌上呈現(xiàn)環(huán)形縫隙）墊片才進(jìn)入階段C 的壓縮過(guò) 程。因此，階段B 應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的波動(dòng)且不同墊片的壓縮曲線重合性差（見(jiàn)圖5中階段B）；當(dāng)進(jìn)入階段C 后，金屬波紋的凹槽已完全被柔性石墨填實(shí)[圖7(e)]，此后隨墊片應(yīng)力的繼續(xù)增加墊片密封面基本被壓平[圖7(f)～(h)]且其變形量已很小，因此應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈迅速爬升趨勢(shì)。另一方面，當(dāng)金屬骨架波峰與法蘭面間僅保留較薄的石墨層時(shí)金屬波紋的增強(qiáng)作用開(kāi)始突顯，金屬波紋的彈性變形使得骨架波峰處形成同心圓的多道高比壓線密封屏障，并與波谷內(nèi)石墨受壓形成的低比壓面密封一起構(gòu)成迷宮密封效應(yīng)，從而有效保證了墊片良好的密封可靠性。當(dāng)然，如果石墨覆蓋層過(guò)厚（如t0=0.8 mm），金屬波紋的增強(qiáng)作用不能發(fā)揮功效，本質(zhì)上如同金屬平板復(fù)合墊片上石墨與法蘭面應(yīng)力均布的面密封，這就是石墨覆蓋層過(guò)厚導(dǎo)致墊片密封性能下降的根本原因（圖3）。此外，如果覆蓋層厚度繼續(xù)增加，而環(huán)形波紋能防止墊片上的石墨層被擠出，那么波紋區(qū)域的接觸應(yīng)力高于兩側(cè)，即墊片應(yīng)力呈拋物線分布，這可能是圖3中覆蓋1.0 mm石墨的復(fù)合墊片密封性能優(yōu)于0.8 mm墊片的主要原因。因此，合適的石墨覆蓋層厚度才能有效發(fā)揮出金屬波紋骨架材料的彈性儲(chǔ)備性能，進(jìn)而提高墊片的密封性能。

綜上分析，對(duì)墊片進(jìn)行預(yù)壓處理可以消除墊片因柔性石墨覆蓋層前期壓縮和流動(dòng)對(duì)壓縮率和回彈率等墊片性能指標(biāo)的影響。但對(duì)比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)：預(yù)壓不會(huì)影響墊片最終的密封和回彈能力，卻利于客觀反映其真實(shí)的力學(xué)性能。為此，對(duì)不同石墨覆蓋層厚度的復(fù)合墊片在10 MPa 預(yù)壓縮后進(jìn)行了45 MPa 墊片應(yīng)力下的壓縮回彈性能試驗(yàn)，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)預(yù)壓處理后的復(fù)合墊片承載能力和回彈性能明顯提升，如圖8所示。表3分別示出了不同石墨覆蓋層厚度下復(fù)合墊片的壓縮率、回彈率和回彈模量。由表可知，不同石墨覆蓋層下的復(fù)合墊片壓縮率均保持在40%左右，回彈率均高于波齒復(fù)合墊片[10-11]。其中回彈性能最好的是石墨覆蓋層厚度為0.6 mm 的復(fù)合墊片，回彈率超過(guò)30%。此外，從回彈模量看，1.0 mm 石墨層的復(fù)合墊片彈性模量為960.2 MPa，而前3 種墊片的回彈模量均保持在600 MPa 左右，表明石墨層厚度小于0.8 mm 的復(fù)合墊片適宜壓力波動(dòng)時(shí)的密封場(chǎng)合，其性能優(yōu)于波齒復(fù)合墊片[10]。這是因?yàn)閴|片回彈模量的大小可以反映卸載過(guò)程中墊片壓緊應(yīng)力的改變程度[20]，即墊片彈性模量越小相同回彈量下墊片應(yīng)力削弱亦小，進(jìn)而 彌補(bǔ)管道中因壓力波動(dòng)、溫度劇變等引起的瞬時(shí)墊片應(yīng)力的不足。

圖8 預(yù)壓后復(fù)合墊片的壓縮回彈曲線Fig.8 Compressive-resilient curve of corrugated metal composite gaskets after prepress

表3 不同覆蓋層厚度的復(fù)合墊片壓縮率和回彈率Table 3 Compressibility and recovery of corrugated metal composite gaskets

2.3 骨架材料殘余厚度分析

如前所述，隨墊片應(yīng)力的增加復(fù)合墊片的密封面被逐漸壓平（圖7），金屬波紋復(fù)合墊片主要依靠骨架上波紋的彈性回彈使密封面形成多道高比壓線密封屏障而形成迷宮密封，墊片壓縮后骨架材料的殘余厚度大小反映了墊片受載后骨架的塑變和墊片的整體破壞程度，因此它也是表征墊片承載能力和是否具備回彈性能的重要參數(shù)。圖9示出了不同石墨層厚度下復(fù)合墊片在45 MPa 受壓后墊片及骨架材料的初始高度和殘余厚度?？梢钥闯?，隨著石墨層厚度的增加，墊片殘余總高度呈逐漸上升的趨勢(shì)，而骨架材料呈先上升后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，較厚的石墨覆蓋層下骨架材料的變形很小，過(guò)厚的石墨覆蓋層不能發(fā)揮出骨架材料應(yīng)有的彈性增強(qiáng)作用，這是造成泄漏率過(guò)高的重要原因。另外，覆蓋層為1.0 mm 時(shí)波紋板增強(qiáng)層上的殘留石墨最厚，這也進(jìn)一步佐證了2.2 節(jié)相關(guān)密封性能的論述。此外，有石墨覆蓋層的墊片骨架材料殘余高度均明顯高于純骨架材料，說(shuō)明壓實(shí)的石墨覆蓋層能有效抵抗骨架材料的塑性變形。

圖9 不同石墨厚度下墊片及骨架材料的初始高度和 殘余厚度分析Fig.9 Initial height and residual thickness of corrugated metal frame and gaskets under different thickness of graphite

圖10 不同墊片應(yīng)力下墊片及骨架材料的殘余厚度對(duì)比Fig.10 Comparison of residual thickness of corrugated metal frame and gaskets under different loading stress

圖10示出了覆蓋層厚度為0.6 mm 的復(fù)合墊片在不同墊片應(yīng)力下墊片及骨架材料的初始高度和殘余厚度。由圖可知：隨著墊片應(yīng)力的增加，復(fù)合墊片殘余總高度逐漸下降但很快趨于穩(wěn)定，金屬波紋板的殘余高度演變也表現(xiàn)出相近趨勢(shì)。而恰當(dāng)厚度（如0.6 mm）的石墨層被密實(shí)后與骨架材料的有機(jī)結(jié)合有效抵抗了金屬波紋骨架的變形，150 MPa 的墊片應(yīng)力下金屬波紋板的殘余高度仍有1 mm 左右（圖10），說(shuō)明此類復(fù)合墊片具有極高的承載能力和抗變形能力，使得墊片在高應(yīng)力作用下仍可以保持良好的密封性能。因此，工程上在安裝金屬波紋復(fù)合墊片時(shí)不必?fù)?dān)心墊片因過(guò)載失效。

2.4 應(yīng)力松弛性能分析

考慮到高溫連接系統(tǒng)的密封失效往往是由墊片的蠕變和應(yīng)力松弛引起的[21]，而蠕變性能也是表征密封材料最重要的性能之一，它反映了密封材料抵抗應(yīng)力松弛和變形的能力，通常蠕變?cè)铰齽t墊片上的殘余應(yīng)力越大、密封性能越好。據(jù)此，對(duì)不同石墨覆蓋層厚度下的復(fù)合墊片（骨架材料為316L）分別進(jìn)行了常溫和高溫應(yīng)力松弛試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。從表中數(shù)據(jù)可以看出過(guò)厚的石墨覆蓋層加劇了復(fù)合墊片的松弛。這是由于石墨層過(guò)厚不僅會(huì)導(dǎo)致金屬波紋不能發(fā)揮增強(qiáng)作用，反而致使墊片載荷完全依靠覆蓋層承載；無(wú)論是常溫還是高溫工況，覆蓋層為0.6 mm 的復(fù)合墊片由于石墨層和金屬波紋的復(fù)合增強(qiáng)作用得到充分發(fā)揮，不僅松弛率最低，而且墊片應(yīng)力很快進(jìn)入穩(wěn)定階段，其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確保了墊片具有較好的承載能力和優(yōu)異的抗蠕變性能。

表4 不同石墨覆蓋層厚度下的金屬波紋復(fù)合墊片 常溫/高溫應(yīng)力松弛試驗(yàn)Table 4 Stress relaxation test with room temperature and high temperature under different thickness of graphite

圖11 兩種不同骨架材料復(fù)合墊片的應(yīng)力松弛性能對(duì)比Fig.11 Comparison of stress relaxation performance of corrugated metal frame composite gaskets with two different frame material

骨架材料為A3 鋼的復(fù)合墊片也可以得出上述相似的結(jié)論，但不同之處主要在于：石墨覆蓋層為0.38 mm 和0.6 mm 時(shí)，由于骨架材料性能的差異，A3 鋼的復(fù)合墊片松弛率明顯高于316L 的復(fù)合墊片。如圖11所示，A3 鋼作為骨架材料的復(fù)合墊片 松弛率為5.41%、而316L 作為骨架材料的復(fù)合墊片松弛率僅為3.94%，而且3 h 左右墊片應(yīng)力已基本保持穩(wěn)定。當(dāng)然，鑒于兩種不同骨架材料的復(fù)合墊片泄漏率和壓縮回彈性能相差不多且從綜合成本考慮，在一些密封要求不高、操作工況相對(duì)穩(wěn)定、無(wú)腐蝕等環(huán)境下可以考慮采用A3 鋼作為骨架材料的復(fù)合墊片。工程上可在墊片安裝時(shí)通過(guò)適當(dāng)增加螺栓預(yù)緊力等方法來(lái)彌補(bǔ)應(yīng)力松弛引起的墊片殘余壓緊應(yīng)力下降，從而提高該類復(fù)合墊片的密封能力。

3 結(jié) 論

（1）金屬波紋復(fù)合墊片的泄漏率與預(yù)緊應(yīng)力基本呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，預(yù)緊應(yīng)力越大泄漏率越??；石墨覆蓋層厚度對(duì)復(fù)合墊片的密封性能有重要影響，從泄漏率看該金屬波紋結(jié)構(gòu)的復(fù)合墊片在0.38 mm和0.6 mm 兩種石墨覆蓋層厚度下的密封性能較好；金屬波紋有效增強(qiáng)了復(fù)合墊片的密封性能，與A3鋼作為骨架材料的復(fù)合墊片相比316L 復(fù)合墊片 的泄漏率和壓縮回彈性能隨墊片應(yīng)力的增加逐漸 顯現(xiàn)。

（2）隨著墊片應(yīng)力的增加，復(fù)合墊片的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均可分為緩慢爬升、顯著波動(dòng)和迅速爬升3 個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)波峰附近石墨層密實(shí)、石墨向兩側(cè)波谷內(nèi)推擠并逐漸填實(shí)金屬波紋的凹槽、墊片密封面被基本壓平且墊片的承載能力得到有效增強(qiáng)；對(duì)復(fù)合墊片進(jìn)行10 MPa 左右的預(yù)壓處理能客觀反映其真實(shí)的壓縮/回彈性能，0.6 mm 石墨層厚度的復(fù)合墊片回彈率超過(guò)了30%，其回彈性能優(yōu)于波齒復(fù)合墊片和纏繞墊片，尤其適宜壓力波動(dòng)等場(chǎng)合的密封。

（3）具有合適厚度的石墨層被密實(shí)后骨架上波紋附近易形成多道高比壓線密封屏障，形成迷宮密封效應(yīng)。石墨層與骨架材料的有機(jī)結(jié)合能有效抵抗金屬波紋骨架的塑變，使墊片具有極高的承載能力和抗變形能力。因此，工程上在安裝金屬波紋復(fù)合墊片時(shí)不必?fù)?dān)心墊片因過(guò)載失效，可以適當(dāng)增加墊片的螺栓預(yù)緊力，以提高管道的密封可靠性。

（4）過(guò)厚的石墨覆蓋層會(huì)加劇復(fù)合墊片的應(yīng)力松弛；無(wú)論是常溫還是高溫工況，兩種不同骨架材質(zhì)的復(fù)合墊片均是石墨覆蓋層為0.6 mm 時(shí)應(yīng)力松弛最低、抗蠕變性能最好；但不同于泄漏率和壓縮回彈性能，A3 鋼作為骨架材料的復(fù)合墊片松弛率明顯大于316L 的復(fù)合墊片。

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