殷小明

( 上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院，上海 200062)

0 引言

螺栓法蘭接頭是壓力容器和管道中應用最廣泛的一種可拆卸靜密封連接形式，其主要有螺栓、法蘭和墊片組成。其中墊片是控制螺栓法蘭接頭泄露的關鍵非線性部件，其復雜的壓縮回彈特性對設備的密封性能起著至關重要的作用，對墊片的壓縮回彈特性的研究，可減少系統(tǒng)的泄露，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而石墨是一種結晶形碳的非金屬脆性材料，因其良好的導熱性、腐蝕性、抗輻照、蠕變松弛率低及柔性性能優(yōu)異等優(yōu)點被用于核電、石油及化工行業(yè)[1～2]，但其本身的強度、塑形及硬度較低，直接用作密封材料無法適應高溫及高壓的環(huán)境且易散架，常跟一些金屬材料形成復合增強板或金屬墊片，石墨墊片常見的分類及型式[3]：①柔性石墨與金屬的復合板材②柔性石墨復合于石棉橡膠板兩側③柔性石墨金屬纏繞墊片④柔性石墨金屬齒形墊片⑤金屬接觸型石墨復合墊片（帶金屬支撐環(huán)），其中國內使用較多的屬于①和③。為了更深入研究石墨墊片的壓縮回彈特性，大量的學者進行了相關實驗及理論研究，并獲得一定的成果。

1 研究方法

基于石墨墊片的壓縮回彈特性研究，相關的學者主要采用有限元仿真模擬、試驗及將兩者結合的方法，研究了不同結構和類型的石墨墊片、預緊力大小、溫度及加載（卸載）速率對其壓縮回彈特性的影響。

1.1 有限元仿真模擬

對螺栓法蘭連接系統(tǒng)可采用模型主要有面對稱模型、二維軸對稱模型、三維及模壓成型有限元模型，石墨墊片采用彈塑性模型、加載段位多線性或者雙線性等向強化模型。大多數情況下建立模型時需要對螺栓法蘭連接系統(tǒng)進行簡化，有利于模型的建立及網格的劃分，墊片的壓縮回彈過程可看作兩個階段: 加載階段（墊片被壓縮），卸載階段（墊片回彈），對墊片不同的載荷、預緊力及溫度等進行模擬可求解相應的結果并擬合得到曲線進行分析。

Jaszak[4]進行石墨- 金屬纏繞墊片的壓縮回彈性能有限元模擬研究，采用Blatz-Ko 超彈模型模擬石墨材料，改變金屬帶的截面形狀來降低其表面應力優(yōu)化墊片性能。李軍等[5]采用有限元模擬的方法對不同結構參數的柔性石墨波齒復合墊片的壓縮回彈性能進行研究討論，驗證了波齒深度和波齒數量對提高墊片的壓縮回彈性能影響并找到最佳值。有限元仿真模擬的方法用于石墨墊片的壓縮回彈性能研究，在某種程度上，節(jié)省成本，減少不必要的損耗，關鍵對其性能可以做一定的預測，擬合的曲線有助于學者進一步的開發(fā)和應用。

1.2 試驗方法

對于石墨墊片的壓縮回彈性能研究，大量的學者也采用試驗的方法去驗證其性能以便更好的應用，試驗裝置一般采用專業(yè)的墊片性能測試裝置及配備相關的儀器設備，實驗條件盡可能按照相關標準，如《核電廠核級石墨密封墊片試驗方法》、B/T12622《管法蘭用墊片壓縮率和回彈量試驗方法》及GB/T 19066.3—2003《柔性石墨金屬波齒復合墊片技術條件》。為了盡可能讓實驗的結果準確，可對實驗工況采用三因子三水平(Lp(3)4) 或正交試驗的方法以減少干擾性。

滕加莊等[6]采用不同寬度平鋼帶設計出3 種柔性石墨金屬纏繞墊片，對其進行三因子三水平壓縮回彈性能優(yōu)化試驗研究，尋找出影響壓縮回彈特性的重要參數，找出性能的最佳參數組合。

陳慶等[7]建立波齒結構力學模型，進行三因子三水平壓縮- 回彈性能優(yōu)化試驗研究，尋找性能最佳影響因素組合。陳冉等[8]試驗研究了不同溫度、不同墊片下石墨纏繞墊片的壓縮回彈性能，發(fā)現(xiàn)墊片的回彈量和回彈率具有明顯伴隨溫度上升而上升趨勢，壓縮量和壓縮率略有下降趨勢。

楊書益[9]對核電用石墨密封墊片的壓縮回彈性能開展試驗研究，施加35 MPa 的應力載荷，發(fā)現(xiàn)此時的試驗效果較好，為石墨墊片的選取提供了理論依據。

1.3 模擬及試驗結合的方法

為對石墨墊片的壓縮回彈性能研究更加準確及深入，相關學者采用有限元仿真模擬及試驗結合的方法，一般先采用有限元仿真模擬分析其結果并擬合相應的曲線，對曲線進行拓展，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律，使其結果具有更普遍性，其次采用試驗的方法對模擬的結果進行驗證，增強其說服力，同時也為石墨墊片性能的研究提供另一種途徑。

周先軍等[10]通過正交試驗及有限元方法研究了石墨纏繞墊片的壓縮回彈性能，結果表明石墨纏繞墊片經過預壓縮具有更好的性能。

王琪瑤[11]采用試驗及有限元模擬相結合的方法研究核級石墨密封片的壓縮回彈特性，在壓縮回彈性能試驗的基礎上，根據多次試驗數據結果，利用數據分析，改進了核級石墨密封墊片壓縮曲線和回彈曲線的解析表達式，得到方程回歸系數，從而探究不同因素對壓縮回彈性能的影響，并建立螺栓- 法蘭- 墊片密封結構的有限元模型，進一步驗證了擬合方法得到的壓縮回彈特性的正確性和在工程中的可操作性。

王修慧等[12]以柔性石墨- 不銹鋼金屬纏繞墊片為研究對象，采用試驗與數值模擬相結合的方法研究墊片的壓縮- 回彈性能，結果表明試驗結果與有限元數值模擬得到墊片的非線性壓縮- 回彈曲線吻合，并發(fā)現(xiàn)與工程常用的柔性石墨- 不銹鋼金屬纏繞墊片結構相比，減少石墨帶寬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。

2 影響石墨墊片壓縮回彈性能的因素

石墨墊片壓縮回彈性能的可通過壓縮量、壓縮率、回彈量及回彈率來表征。墊片受壓縮應力的作用，在初始壓縮后，其厚度的改變量為其壓縮性，表征了墊片柔軟性的大小，其實質體現(xiàn)了墊片的承載能力強弱，通常在相關的研究中，用壓縮率表示墊片的承載能力，其公式:

δ0為墊片在總載荷下的壓縮量，mm ； t 為墊片的厚度，mm。

墊片在卸載應力后，從被壓縮狀態(tài)恢復其相應厚度的回復量為其回彈性，表征對密封面分離后的補償能力，體現(xiàn)了墊片的回彈能力，通常用回彈率表示，其公式：

δ0為墊片在總載荷下的壓縮量，mm，δ1為墊片在卸載后的壓縮量，mm。

影響石墨墊片壓縮回彈特性的因素很多，相關學者對石墨墊片的壓縮回彈特性展開了大量研究，包括不限于研究了不同的結構和類型石墨墊片、預緊力、溫度及加載（卸載）速率對壓縮- 回彈性能的影響，可將這些影響因素分為外部因素和內部因素，內部因素主要有石墨墊片的結構及類型，外部因素包括預緊力、溫度計加載（卸載）速率等。

2.1 內部因素

墊片的結構及類型也會影響其壓縮回彈特性，由于石墨本身的強度、塑形及硬度較低，常跟一些金屬材料形成復合增強板或金屬墊片，而石墨復合墊片的結構和類型本身的內部因素對其壓縮回彈性能產生較大的影響。

李多民等[13]試驗研究了三種不同結構尺寸的石墨金屬波齒復合墊片在常溫下的壓縮回彈性能，并測得壓縮回彈性能曲線。結果發(fā)現(xiàn)，墊片的厚度、外徑及內徑影響其壓縮回彈性能且發(fā)現(xiàn)波齒復合墊片的壓縮率及回彈率滿足設備對密封的要求。

劉華等[14]通過有限元分析和模擬對石墨波齒復合墊片的壓縮回彈性能進行測試，發(fā)現(xiàn)在相同的波深下，隨著波齒距的增大，其壓縮率相應增大，而回彈率卻相應減少。

勵行根等[15]試驗研究發(fā)現(xiàn)石墨墊片的壓縮回彈特性受石墨的裝配密度、容積及壓縮厚度等因素影響，在相同外部條件下，裝配密度越大，壓縮率越??；容積越大的石墨環(huán)，其儲存的彈性性能越多，回彈性能更好。周期律[16]對核級石墨密封墊片進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)墊片的壓縮量同樣保持與墊片通徑大小的正相關性，壓縮率明顯隨著通徑的增大而增大，其回彈特性也更好。

針對石墨墊片的內部因素對其壓縮回彈性能影響，除了石墨本身的裝配密度、容積及壓縮厚度等有關，還有石墨墊片的幾何尺寸，如通徑及復合墊片的形狀，但目前的研究需要更深入，尋找出最佳的組合以在工程中應用更廣。

2.2 外部因素

溫度、加載（卸載）速率及載荷等也會影響石墨墊片的壓縮回彈性能，從而影響其密封特性，石墨墊片在工程設備中應用的范圍廣，有時使用環(huán)境惡劣，研究外部因素對其性能的影響十分有必要。

賈曉紅等[17]仿真及試驗研究了核電極柔性石墨復合墊片的壓縮回彈特性，驗證了有限元模型的準確性，并發(fā)現(xiàn)加載過程接觸應力的大小和分布特性可以作為確定預緊力大小的依據，在保證接觸剛度足夠的情況選擇盡可能小的預緊力。

周期律[16]研究了石墨密封墊片的循環(huán)壓縮回彈性能，從試驗加卸載速率及試驗溫度對其性能進行了系統(tǒng)的分析。分析常溫下，三種加卸載速率 0.25 MPa/s、0.50 MPa/s、1.00 MPa/s 對石墨密封墊片性能的影響，發(fā)現(xiàn)墊片的回彈性能在常溫下主要受最大壓縮量的影響，溫度對墊片的壓縮回彈性能有顯著的影響，高溫下墊片更容易累積變形。

王琪瑤等[18]研究了加載方式及工作溫度對核級石墨密封墊片壓縮回彈性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)分級加載的加載方式使得墊片的最大壓縮量明顯提升，而墊片的回彈率大幅下降，因此，核級石墨密封墊片更適合采用一次性加載或少量分級加載的方式施加載荷，在高溫環(huán)境下，墊片具有較好的壓縮回彈性能，溫度的升高使得墊片的石墨密封環(huán)發(fā)生軟化。

楊書益等[19]試驗研究了在常溫環(huán)境中不同應力水平對石墨密封墊片的壓縮回彈性能的影響，鑒于墊片發(fā)生金屬與金屬接觸的門檻應力，得出35 MPa 的試驗應力較適合核級石墨密封墊片的特點。

范淑玲[20]研究了石墨密封墊片在室溫和高溫下的壓縮回彈性能，發(fā)現(xiàn)在金屬與金屬接觸后，不同溫度下墊片的壓縮回彈曲線比較接近，說明石墨墊片的壓縮回彈性能受溫度的影響較小，墊片的高溫性能比較穩(wěn)定，主要由于金屬支撐，可以耐受更高的溫度。

從相關的學者研究中，可以發(fā)現(xiàn)溫度、預緊力及加載（卸載）速度對石墨墊片的壓縮回彈性能產生影響，從而影響其密封特性，且受石墨墊片的形狀、復合墊片的類型及應用場合等原因，在使用時都存在一個最佳的使用工況，使其具有更好的壓縮率及回彈率，表現(xiàn)更好的性能。

3 結論

石墨墊片的壓縮回彈性能對其密封性能起至關重要的作用，其主要通過壓縮率及回彈率來表征。通過相關研究發(fā)現(xiàn)，對石墨墊片的壓縮回彈性能的研究主要采用試驗、有限元仿真模擬及試驗和模擬相結合的方法，模擬預測石墨墊片的性能，擬合性能曲線，試驗驗證其準確性，增強說服力。影響石墨墊片的壓縮回彈性能的因素很多，將其分為外部因素和內部因素，具體分析了石墨墊片的壓縮回彈特性的因素及機理，且提出了未來的研究方向。