王修慧 李慧芳 錢才富

摘要：為分析金屬纏繞墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)對螺栓法蘭連接系統(tǒng)密封失效的影響規(guī)律，以柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片為研究對象，采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究墊片的壓縮-回彈性能，并以墊片外緣最小壓應(yīng)力為指標(biāo)分析螺栓法蘭連接系統(tǒng)的密封性能，考核墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)對墊片外緣最小壓應(yīng)力和密封性能的影響。結(jié)果表明：試驗(yàn)與有限元數(shù)值模擬得到的柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片的非線性壓縮-回彈曲線吻合很好;與工程常用的柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)相比，適當(dāng)減小金屬帶寬度、石墨帶寬度、纏繞層數(shù)及金屬帶角度可以在不同程度上提高螺栓法蘭連接系統(tǒng)的密封性能。

關(guān)鍵詞：金屬纏繞墊片;壓縮;回彈;壓應(yīng)力;金屬帶;結(jié)構(gòu)參數(shù)

中圖分類號：TP391.99;TQ051.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1006-0871（2021）03-0055-06

DOI：10.13340/j.cae.2021.03.010

Abstract：To?analyze?the?influence?of?structural?parameters?of?metal?spiral?gasket?on?sealing?failure?of?bolted?flange?connection?system，?the?flexible?graphite-stainless?steel?spiral?gasket?is?studied.?The?compression-rebound?performance?of?the?gasket?is?studied?by?means?of?test?and?numerical?simulation.?Taking?the?minimum?compressive?stress?at?the?outer?edge?of?the?gasket?as?the?index，?the?sealing?performance?of?the?bolted?flange?connection?system?is?analyzed，?and?the?influence?of?gasket?structural?parameters?on?the?minimum?compressive?stress?of?gasket?outer?edge?and?sealing?performance?is?studied.?The?results?show?that?the?nonlinear?compression-rebound?curves?of?flexible?graphite-stainless?steel?spiral?gasket?obtained?by?finite?element?numerical?simulation?agree?well?with?the?test?results.?Compared?with?the?structural?parameters?of?flexible?graphite-stainless?steel?metal?spiral?gasket?commonly?used?in?engineering，??the?sealing?performance?of?bolted?flange?connection?system?can?be?improved?to?varying?degrees?by?appropriately?reducing?the?width?of?metal?belt，?the?width?of?graphite?belt，?the?number?of?winding?layers?and?the?angle?of?metal?belt.

Key?words：metal?spiral?gasket;compression;rebound;compressive?stress;metal?belt;structural?parameter

由于墊片的工作過程有壓縮和回彈2個(gè)階段，因此設(shè)置2個(gè)載荷步進(jìn)行模擬。第一個(gè)載荷步模擬壓縮過程，對上法蘭施加軸向位移載荷;第二個(gè)載荷步模擬卸載過程，使上法蘭回到初始位置。為得到多條卸載曲線，對上法蘭分別施加0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8?mm的位移載荷進(jìn)行模擬。

1.3?有限元模擬結(jié)果

1.3.1?墊片壓應(yīng)力計(jì)算

墊片的實(shí)際承載體是其纏繞部分，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定沒有柔性石墨帶填充的金屬帶不計(jì)入密封面，因此，墊片的實(shí)際密封面積

式中：S為墊片纏繞部分面積，mm2;D3為墊片纏繞部分外徑，mm;D2為墊片纏繞部分內(nèi)徑，mm。

墊片上的壓應(yīng)力

式中：F為墊片上的壓力，即下法蘭的支反力。

按式（2）可計(jì)算出不同位移階段墊片上的壓應(yīng)力，從而得到柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片的壓縮-回彈性能曲線，結(jié)果見圖6。對于墊片壓縮-回彈性能曲線：給定位移對應(yīng)的壓應(yīng)力越大，表明墊片剛性越大;卸載后的殘余變形（位移）越大，表明塑性變形越大，彈性變形越小，即墊片回彈性能越差。

1.3.2?模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

采用上述結(jié)果處理方法，將施加0.5和0.7?mm位移載荷分析得到的墊片壓縮-回彈模擬曲線與試驗(yàn)得到的曲線進(jìn)行對比，結(jié)果見圖7。由此可知，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合很好，可以認(rèn)為本文的纏繞式墊片壓縮-回彈有限元模擬可信。

1.3.3?螺栓法蘭連接系統(tǒng)密封性能評價(jià)

螺栓法蘭連接系統(tǒng)能夠形成密封的關(guān)鍵是墊片上形成壓應(yīng)力，即密封比壓。對于給定結(jié)構(gòu)和材料的墊片，其壓應(yīng)力能反映法蘭連接系統(tǒng)的密封性能。王修慧等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在預(yù)緊工況和操作工況下，法蘭連接系統(tǒng)中墊片的壓應(yīng)力均呈現(xiàn)沿徑向不均勻的環(huán)帶狀分布，且外緣環(huán)帶壓應(yīng)力絕對值最大。所以，對于界面密封，墊片密封面上外緣的最小壓應(yīng)力是法蘭連接系統(tǒng)密封性能的決定性因素。本文采用操作工況下墊片外緣的最小壓應(yīng)力評價(jià)螺栓法蘭連接系統(tǒng)的密封性能。

為更符合工程實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立公稱直徑為DN300的柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片二維有限元模型，金屬帶寬度、石墨帶寬度、金屬帶角度均與第1.2.1節(jié)有限元模型相同。分析得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下墊片的壓縮-回彈曲線，并將該曲線應(yīng)用于文獻(xiàn)[11]介紹的螺栓法蘭連接系統(tǒng)有限元模型的墊片材料設(shè)置中，分析得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下法蘭連接系統(tǒng)的墊片外緣最小壓應(yīng)力。為定量比較，以金屬帶寬度為0.24?mm、石墨帶寬度為0.48?mm、纏繞層數(shù)為15層、金屬帶V形角度為110°的墊片作為對比墊片（該尺寸接近工程上常用的柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片），計(jì)算各參數(shù)變化后墊片外緣的最小壓應(yīng)力與對比墊片外緣的最小壓應(yīng)力之間的相對變化率，進(jìn)而分析螺栓法蘭連接系統(tǒng)的密封性能。墊片外緣最小壓應(yīng)力相對變化率定義為參數(shù)變化后墊片外緣最小壓應(yīng)力減去對比墊片外緣最小壓應(yīng)力的差值與對比墊片外緣最小壓應(yīng)力的比值。

顯然，若參數(shù)變化使得相對變化率為正，則意味著墊片外緣最小壓應(yīng)力增大，螺栓法蘭連接系統(tǒng)的密封性能提高;反之，若參數(shù)變化使得相對變化率為負(fù)，則表明墊片外緣最小壓應(yīng)力減小，螺栓法蘭連接系統(tǒng)的密封性能下降。

2?金屬纏繞墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1?金屬帶寬度對墊片密封性能的影響

金屬帶是柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片的骨架，起主要支撐作用。《鋼制管法蘭用纏繞式墊片》（HG/T?20610—2009）規(guī)定，纏繞墊片金屬帶寬度為0.20?mm±0.02?mm。在有限元模型中，保證石墨帶的寬度為0.48?mm不變，金屬帶寬度分別取0.18、0.20、0.22和0.24?mm，其他墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)和有限元模型的設(shè)置均不改變，模擬得到各金屬帶寬度對應(yīng)的壓縮-回彈性能曲線，分析金屬帶寬度對纏繞式墊片壓縮-回彈性能和法蘭連接系統(tǒng)密封性能的影響。位移載荷為0.60?mm時(shí)模擬得到的壓縮-回彈性能曲線見圖8。

由此可知，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，在相同位移載荷作用下：金屬帶越寬，墊片壓應(yīng)力越大，即墊片抵抗變形的能力越強(qiáng);隨著金屬帶寬度增加，墊片的回彈性能略有降低。

墊片外緣最小壓應(yīng)力及其相對變化率隨金屬帶寬度的變化見圖9。由此可以看出，隨著金屬帶寬度的減小，墊片外緣最小壓應(yīng)力增大。由相對變化率曲線可以看出，與金屬帶寬度0.24?mm的對比墊片相比，當(dāng)金屬帶寬度減小到0.18?mm時(shí)，墊片外緣最小壓應(yīng)力提高10%以上，這表明墊片密封性能也有較大提高。

2.2?石墨帶寬度對密封性能的影響

取金屬帶寬度為0.24?mm，其他墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)和有限元模型的設(shè)置均不改變，對石墨帶寬度分別為0.40、0.48、0.60、0.70和0.80?mm的墊片進(jìn)行壓縮-回彈有限元模擬，得到不同石墨帶寬度對應(yīng)的墊片壓縮-回彈性能曲線。位移載荷為0.60?mm時(shí)模擬得到的壓縮-回彈性能曲線見圖10。由此可知，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，在相同位移載荷下，不同石墨帶寬度的墊片壓應(yīng)力幾乎一致，說明石墨帶寬對墊片的壓縮性能幾乎無影響，但隨著石墨帶寬增加，墊片的回彈性能明顯增強(qiáng)。

墊片外緣最小壓應(yīng)力及其相對變化率隨石墨帶寬度的變化見圖11。隨著石墨帶寬度的增大，墊片外緣最小壓應(yīng)力減小。由相對變化率曲線可以看出，與石墨帶寬度0.48?mm的對比墊片相比，若將石墨帶寬度增加到0.80?mm，墊片外緣最小壓應(yīng)力可減小10%，意味著密封性能也有所降低;反之，若將石墨帶寬度減小到0.40?mm，墊片外緣最小壓應(yīng)力可增加10%，意味著密封性能也有所提高。

2.3?金屬帶纏繞層數(shù)對密封性能的影響

柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片的金屬帶纏繞層數(shù)沒有明確的規(guī)定，通常由生產(chǎn)廠家根據(jù)實(shí)際尺寸進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。在墊片二維有限元模型中，金屬帶寬度保持0.24?mm，石墨帶寬度保持0.48?mm，其他參數(shù)和設(shè)置均不變，內(nèi)附柔性石墨帶的金屬帶纏繞層數(shù)分別取13、14、15、16和17層，分析纏繞層數(shù)對墊片性能和法蘭密封性能的影響。位移載荷為0.60?mm時(shí)的模擬結(jié)果見圖12。

由此可知，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，在相同位移載荷作用下，隨著金屬帶纏繞層數(shù)增加，墊片壓應(yīng)力值略有增大，墊片抵抗變形的能力增強(qiáng)，但墊片回彈性能保持不變。

墊片外緣最小壓應(yīng)力及其相對變化率隨墊片金屬帶纏繞層數(shù)的變化見圖13。隨著纏繞層數(shù)增加，墊片外緣最小壓應(yīng)力下降。由相對變化率曲線可以看出：與15層纏繞層的對比墊片相比，若將纏繞層數(shù)增加到17層，墊片外緣最小壓應(yīng)力減小10%以上，意味著密封性能有所降低;反之，若將纏繞層數(shù)減小到13層，墊片外緣最小壓應(yīng)力增加約18%，意味著密封性能明顯提高。

2.4?金屬帶角度對密封性能的影響

本文研究的柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片的金屬帶為V形，V形的角度在標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確規(guī)定，通常由生產(chǎn)廠家合理選擇。取其他參數(shù)不變，模擬V形金屬帶角度分別為90°、100°、110°、120°和130°的纏繞墊片的壓縮-回彈過程。位移載荷為0.60?mm時(shí)墊片的壓縮-回彈曲線見圖14。

由此可知，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，在相同位移載荷下，隨著金屬帶角度增大，墊片壓應(yīng)力明顯增大，墊片抵抗變形的能力增強(qiáng)，但隨著金屬帶角度增大，墊片的回彈性能略有降低。

墊片外緣最小壓應(yīng)力及其相對變化率隨金屬帶角度的變化見圖15。

由此可知，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，隨著金屬帶角度增大，墊片外緣最小壓應(yīng)力降低。由相對變化率曲線可以看出，與金屬帶角度110°的對比墊片相比，若將金屬帶角度增加到130°，墊片外緣最小壓應(yīng)力減小3.3%，意味著密封性能也會(huì)有所降低;反之，若將金屬帶角度減小到90°，墊片外緣最小壓應(yīng)力增加不到2%，意味著密封性能僅稍有提高。

3?結(jié)?論

金屬纏繞墊片在工程上應(yīng)用廣泛，其壓縮-回彈性能是影響墊片密封性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。本文對金屬纏繞墊片的壓縮-回彈性能進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬，并研究墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)對墊片外緣最小壓應(yīng)力的影響，結(jié)論如下。

（1）試驗(yàn)測量柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片的非線性壓縮-回彈曲線，采用有限元數(shù)值模擬建立金屬纏繞墊片二維軸對稱模型，模擬墊片壓縮-回彈過程，試驗(yàn)與模擬結(jié)果吻合較好。

（2）與工程常用的柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)相比，適當(dāng)減小金屬帶寬度、石墨帶寬度、纏繞層數(shù)及金屬帶角度可以在不同程度上提高螺栓法蘭連接系統(tǒng)的密封性能;反之，增加金屬帶寬度、石墨帶寬度、纏繞層數(shù)及金屬帶角度會(huì)在一定程度上使系統(tǒng)的密封性能下降。

（3）螺栓法蘭連接系統(tǒng)的密封問題非常復(fù)雜，既與墊片性能有關(guān)，又與介質(zhì)特性以及連接系統(tǒng)中各構(gòu)件的剛度有關(guān)。本文僅研究金屬纏繞墊片壓縮回彈性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，更深入的研究應(yīng)以螺栓法蘭連接系統(tǒng)為對象，以泄漏率為指標(biāo)，進(jìn)行試驗(yàn)測試和數(shù)值模擬。

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（編輯?武曉英）