屈春葉，李力駁

(1.山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031；2.賽鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

近年來(lái)，現(xiàn)代石油化工工業(yè)正在朝著高溫、高壓、大型化的方向發(fā)展，使得一些承壓設(shè)備長(zhǎng)期在高溫、高壓條件下工作，密封失效導(dǎo)致泄漏成為比較突出的問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著石油化工設(shè)備的安全。由于波齒復(fù)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(yīng)用的趨勢(shì)。在高溫、高壓條件下，墊片的蠕變行為是密封系統(tǒng)發(fā)生失效和泄漏的根本原因[1]。波齒復(fù)合墊片的力學(xué)性能主要取決于其金屬骨架，因此，研究波齒復(fù)合墊片金屬骨架的高溫蠕變性能具有重要的價(jià)值和意義。

有限單元法是在當(dāng)今工程分析中獲得最廣泛應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算方法，求解所得的數(shù)據(jù)能夠滿足工程需要，并且經(jīng)濟(jì)、高效。利用有限元分析軟件ANSYS計(jì)算得到的金屬骨架蠕變應(yīng)變分布，能夠幫助研究者了解金屬骨架的性能，并可以指導(dǎo)波齒復(fù)合墊片的設(shè)計(jì)。

1 波齒復(fù)合墊片介紹

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

波齒復(fù)合墊片是由特殊規(guī)格的波形金屬骨架與膨脹石墨材料復(fù)合而成。金屬骨架是由金屬環(huán)加工而成，其上、下表面開(kāi)有相互錯(cuò)開(kāi)的具有特定規(guī)則的同心圓弧溝槽，既帶尖齒，又呈波紋狀，其表面再?gòu)?fù)合一層適當(dāng)厚度的膨脹石墨材料，從而構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)的墊片，故名為波齒復(fù)合墊片。波齒復(fù)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(yīng)力下，不銹鋼骨架的墊片壓縮率小，回彈率大[2]。

波齒復(fù)合墊片的結(jié)構(gòu)型式有基本型、帶定位環(huán)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(fù)合墊片適用于榫槽面和凹凸面法蘭，帶定位環(huán)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(fù)合墊片

圖2 帶定位環(huán)型柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片

圖3 帶定位耳型柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片

1.2 密封機(jī)理

波齒復(fù)合墊片工作時(shí)，在法蘭壓緊力的作用下，柔性石墨被壓縮并填補(bǔ)法蘭密封面上的缺陷，波形金屬骨架上的一道道環(huán)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(huán)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(tài)。當(dāng)裝置中壓力升起，法蘭面與墊片有分離的趨勢(shì)，波齒復(fù)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(wú)論是在正常工作還是開(kāi)停車(chē)的狀態(tài)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(fù)合墊片金屬骨架高溫蠕變性能數(shù)值模擬

利用有限元分析軟件ANSYS，分別對(duì)墊片單邊寬度12mm、厚度2mm、齒數(shù)4個(gè)、齒深0.4mm結(jié)構(gòu)在45MPa、70MPa、100MPa、150MPa載荷下進(jìn)行高溫蠕變性能數(shù)值模擬計(jì)算，得到了波齒復(fù)合墊片金屬骨架的蠕變應(yīng)變分布。實(shí)際使用中的墊片，最大應(yīng)力應(yīng)該在齒尖處，在數(shù)值模擬計(jì)算中可以忽略此奇異處的影響，這并不影響金屬骨架真實(shí)的力學(xué)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(gè)節(jié)點(diǎn)沿Y向固定，可以憑借經(jīng)驗(yàn)或者嘗試的方法找到此節(jié)點(diǎn)；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(jìn)行蠕變分析，采用兩個(gè)載荷步：第一步，時(shí)間設(shè)置為1e-8，第二步，時(shí)間設(shè)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(fù)合墊片金屬骨架在不同載荷下105小時(shí)后的蠕變應(yīng)變分布如圖5～8所示。不同載荷條件下的最大蠕變應(yīng)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(yīng)變?nèi)鐖D10～17所示?？梢钥闯觯X復(fù)合墊片金屬骨架具有很好的抗蠕變性能。波谷處的蠕變應(yīng)變最大，齒尖區(qū)域的蠕變應(yīng)變最小，并且數(shù)值相差很大。隨著載荷的增大，蠕變應(yīng)變呈指數(shù)級(jí)別增大。在較低載荷條件下，較大蠕變應(yīng)變區(qū)域較小，蠕變對(duì)金屬骨架的影響較??；在較高載荷條件下，較大蠕變區(qū)域明顯增大，蠕變對(duì)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(yīng)變

圖6 70MPa載荷下金屬骨架von Mises 蠕變應(yīng)變

圖7 100MPa載荷下金屬骨架von Mises 蠕變應(yīng)變

圖8 150MPa載荷下金屬骨架von Mises 蠕變應(yīng)變

圖9 不同載荷條件下的蠕變應(yīng)變圖

圖10 150MPa載荷下沿上表面的蠕變應(yīng)變

圖11 150MPa載荷下軸向沿波谷到齒尖蠕變應(yīng)變

圖12 100MPa載荷下沿上表面的蠕變應(yīng)變

圖13 100MPa載荷下軸向沿波谷到齒尖蠕變應(yīng)變

圖14 70MPa載荷下沿上表面的蠕變應(yīng)變

圖15 70MPa載荷下軸向沿波谷到齒尖蠕變應(yīng)變

圖16 45MPa載荷下沿上表面的蠕變應(yīng)變

圖17 45MPa載荷下軸向沿波谷到齒尖蠕變應(yīng)變

3 高溫條件下波齒復(fù)合墊片需要研究的其它方面

高溫條件下，蠕變松弛會(huì)引起泄漏失效，蠕變損傷累計(jì)可能引起斷裂失效。在有壓力波動(dòng)的工況下，蠕變疲勞交互作用比單一的蠕變或疲勞復(fù)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(guān)聯(lián)性對(duì)金屬骨架的蠕變損傷、疲勞損傷有很大影響，另外，還應(yīng)注意所使用粘結(jié)劑的高溫穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算研究，波齒復(fù)合墊片金屬骨架具有很好的抗蠕變性能。波谷處的蠕變應(yīng)變最大，齒尖區(qū)域的蠕變應(yīng)變最小，并且數(shù)值相差很大。隨著載荷的增大，蠕變應(yīng)變呈指數(shù)級(jí)別增大。在較低載荷條件下，較大蠕變應(yīng)變區(qū)域較小，蠕變對(duì)金屬骨架的影響較??；在較高載荷條件下，較大蠕變區(qū)域明顯增大，蠕變對(duì)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(fù)合墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)性能關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].化工機(jī)械,2000,27(4):200-203.

[3] 全國(guó)管路附件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 19066.1-2008 柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片尺寸[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展規(guī)律研究[C].第七屆全國(guó)壓力容器學(xué)術(shù)會(huì)議，2009:294-298.