具有覆盖层齿形组合垫片常温下压缩回弹性能研究①

垫片是法兰连接结构的重要部件。法兰连接密封失效极少数是由于结构强度不足引起的，法兰密封效果的好坏不仅与垫片的密封性能有关，也与垫片的力学性能有很大关系[1,2]。柔性石墨覆盖层齿形组合垫片具有柔性石墨覆盖层密封性好、不锈钢金属骨架的弹性优及强度高等优点，在较小的垫片压紧力下垫片就能达到良好的密封效果。在中、高压力和高温的压力容器、管道及阀门等密封场合越来越受欢迎[3]。由于该种垫片由不锈钢等金属和石墨等非金属材料组合而成，其变形和回弹性能、密封性能表现出兼具两种材料的特点。实际工程应用中，垫片常常重复使用，由于石墨等非金属孔隙性的结构，初次的承压变形和后续的承压变形显著不同。目前，对具有覆盖层金属齿形组合垫片的力学性能和密封性能的研究尚不够深入，难以对该垫片工程实践应用提供指导。此外，由于缺乏这种垫片材料力学性能研究的资料，使法兰的结构、强度等分析模拟研究难以深入开展和进行。

鉴于上述原因，对具有覆盖层齿形组合垫片进行常温压缩回弹性能的研究是很有必要的，对进一步研究齿形组合垫片的密封机制、性能、制造和使用也很有意义。

1 试验

1.1 试验装置与方法

本试验采用型号为WDW-100E的微机控制电子万能试验机，装置示意图如图1所示。垫片压缩回弹性能试验参照标准GB/T 12622—2008《管法兰用垫片压缩率和回弹率试验方法——试验方法B》中的试验温度、加卸载速度、初始载荷及总载荷等试验条件进行。

图1 垫片压缩回弹试验装置示意图

笔者开展了以下研究工作：室温下，柔性石墨覆盖层齿形组合垫片压缩回弹性能的试验和数值模拟研究，分析4种不同金属骨架材料构成的垫片的性能差异；柔性石墨与金属齿面一般采用粘接方式制造，齿槽内存在孔隙(石墨未充入)，初始压缩阶段垫片的承压能力低，受压易变形，对4种不同金属骨架齿形组合垫片进行预压缩(压应力为30MPa)，再对经预压缩垫片进行压缩回弹性能试验，了解预压缩后垫片的力学性能；实际工程中，垫片常常重复使用，对垫片进行重复加、卸载条件下的性能研究。

采用数值模拟方法对齿形组合垫片进行压缩回弹数值模拟，将数值模拟结果与试验测试结果进行比较，探究模拟值的准确性，为垫片性能的研究提供另一种途径。

1.2 试验垫片介绍

本试验采用的垫片为具有覆盖层齿形组合垫片中的B型齿形垫片。齿形金属圆环材料为304(0Cr18Ni9)、304L(00Cr19Ni10)、316(0Cr17Ni12Mo2)、316L(00Cr17Ni4Mo2)4种之一，非金属覆盖层材料为柔性石墨(FG)[4]。柔性石墨金属齿形垫片尺寸见表1，整体结构如图2所示。

表1 齿形组合垫片尺寸 mm

图2 齿形组合垫片整体结构

1.3 压缩回弹率计算公式

良好的压缩回弹性能是垫片实现密封的必要条件，垫片各参数(压缩率S、回弹率φ、压缩模量ELD、回弹模量EUL)的计算[5～7]如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中 T1——垫片的初始厚度，mm；

ΔT1——垫片的压缩量，mm；

ΔT2——垫片未回复的压缩量，mm；

δmax——最大垫片压缩应力下的垫片压缩量；

σmax——最大垫片压缩应力。

其中，σ0.07、δ0.07为垫片回弹量0.07mm时的应力及其相应的压缩量。

2 试验结果与分析

2.1 金属齿形组合垫片压缩回弹性能研究

在最大45.0MPa的压应力下，4种不同的金属圆环材料垫片测得的初次压缩回弹性能测试曲线如图3所示。实线表示未经预压缩的垫片试验曲线，虚线表示经预压缩垫片的试验曲线。表2、3给出了未经预压缩和经预压缩后4种不同金属圆环材料齿形组合垫片压缩回弹试验数据。

图3 齿形组合垫片压缩回弹曲线

表2 未经预压缩齿形组合垫片压缩回弹试验数据

表3 经预压缩后齿形组合垫片压缩回弹试验数据

由图3可知，未经预压缩垫片在加载的初始变形阶段(O-A)，曲线较为平坦，随着载荷的增加，曲线(A-B)变陡峭，这是由于垫片表面粘附的柔性石墨特殊的大分子层状结构，受压后易发生变形，垫片的抗变形能力差。随着压应力增大，质地松软的柔性石墨逐渐填充金属齿槽间隙且被完全压实，垫片整体抗变形能力得到提升。卸载前期(B-C)的曲线几乎是一条直线，卸载后期(C-D)，曲线斜率很快减小，表明垫片的回弹量在较低的应力下逐步增加。经预压缩的垫片压缩曲线几乎是一条直线，由于柔性石墨覆盖层填实金属齿槽，石墨层紧实度变大，垫片与平板完全接触，垫片在压缩阶段表现出了超强的抗压能力。回弹阶段因金属圆环材料和柔性石墨回弹性能不同，回弹曲线表现出来略微的差异。

由表2可知，在最大45.0MPa压应力下，304与304L垫片的压缩、回弹性能无明显差别，316与316L垫片压缩、回弹性能基本接近。304与316垫片性能有少许差异，304垫片压缩率高于316垫片，304垫片回弹率略小与316垫片。304压缩模量和回弹模量小于316垫片，由于压缩模量大小表征垫片受压抗变形能力强弱，回弹模量大小表征垫片在卸载阶段应力变化的程度，说明304垫片受压变形量、卸载阶段抗应力损失能力强于316垫片，更适用于压力波动较频繁的场合。316抗腐蚀性能比304强，制备成本也高于304，一般用在海水用设备、化工及食品工业等要求比较高的地方，来代替304材料。

由表3可以看出，预压缩后，304和304L垫片、316和316L垫片压缩量基本一致，压缩率和回弹率略有差异，垫片压缩回弹性无明显差异。与316和316L垫片对比，304和304L垫片压缩模量与回弹模量小，说明预压缩后，垫片压缩变形能力和抗应力损失方面强于316和316L垫片。

对比表2、3可知，与未经预压缩的垫片压缩回弹性能相比，预压缩后的垫片压缩量明显减小，平均回弹率增加了27.09%，增加比较明显。表明预压缩后垫片的压缩回弹性能和承载能力有了明显提高。

考虑到柔性石墨覆盖层与金属齿面采用粘接方式连接，齿槽内存在孔隙(石墨未充入)，在初始压缩阶段垫片的耐压能力低，建议使用者在使用前对该类型垫片进行适当的预压缩，从而提升垫片压缩回弹性能的稳定性。

2.2 重复加、卸载垫片压缩回弹性能

图4给出了4种不同材料齿形组合垫片重复加、卸载下，压缩回弹性能参数试验结果与试验次数关系曲线。

图4 垫片重复加、卸载时各参数与试验次数的关系

由图4a可以看出，初次加载试验后，各垫片压缩率和回弹率的变化相对比较明显，垫片压缩率降低，回弹率大幅度提高；在第2次加载试验后，随着试验重复次数的增加，垫片的压缩率降低，回弹率增加，最终趋于稳定。由图4b可知，在初次加载试验之后，垫片的压缩模量和回弹模量有了明显提升，在第2次重复加载后，两者的增量随着试验次数的增加而减小，最终趋于平稳。表明垫片表面的柔性石墨覆盖层受到压应力，与金属齿槽充分接触并填充空隙，紧实程度增加，垫片整体承载能力有所提升，垫片不易被压缩。

在工程应用上，对于应用条件不是十分苛刻的工况，垫片金属骨架的重复使用应该不成问题。多次重复使用情况下，应注意垫片厚度的急剧变小和石墨层是否脱落及垫片裂纹等问题，保证设备正常运行。

3 有限元模拟

利用数值模拟方法解决实际工程问题，不仅可以解决试验条件的局限性，还可以降低试验成本，将数值模拟结果与试验结果相对比，可对试验研究提供参考。笔者通过对柔性石墨与不同金属材料复合而成的齿形组合垫片进行常温下的压缩回弹性能模拟，并与试验结果相比较，为高温条件下齿形组合垫片性能的研究提供参考。

3.1 模型构建及网格划分

所用模型参考HG/T 20611—2009《钢制管法兰用具有覆盖层的齿形组合垫(PN系列)》标准规定，具体尺寸参见表1。柔性石墨齿形组合垫片在建立几何模型时可以将它简化为二维轴对称模型。利用有限元软件进行分析计算，采用智能划分网格方法对模型做网格无关性验证，考虑计算时间与仿真误差，近似认为size为0.15mm，网格数为3 713个，节点数为11 890个时可满足网格无关性要求。齿形组合垫片二维模型与网格划分结果如图5所示。

图5 齿形组合垫片二维模型与网格划分结果

3.2 材料选取及边界条件

为了确保垫片表面轴向位移均匀分布，对下法兰底面施加固定约束，并在中间环的右端面上施加位移约束，控制它在x方向上的位移。由于柔性石墨层与金属骨架是粘接方式，金属齿表面与柔性石墨层采用粗糙约束，金属齿槽与柔性石墨采用摩擦约束。模拟计算时在参考点上施加目标载荷。垫片压缩回弹性能模拟试验中，法兰材料为16Mn，齿形组合垫片金属圆环和柔性石墨的材料属性见表4。金属圆环材料采用线性强化弹塑性本构[8]，柔性石墨[9]材料采用理想弹塑性本构，其关系如图6所示。

表4 齿形组合垫片金属圆环和柔性石墨的材料属性

图6 柔性石墨及金属骨架材料的本构关系

3.3 结果对比分析

表5给出了通过数值模拟和试验测得的压缩率与回弹率，并将数值模拟和试验所测得的压缩回弹曲线绘于图7。

表5 垫片压缩率和回弹率

图7 不同材料垫片压缩回弹性能曲线

由表5和图7可以看出，4种柔性石墨齿形组合垫片在压应力为45.0MPa条件下，通过数值模拟得到的4种不同材料垫片压缩率与试验得到的压缩率一致性高，数值模拟压缩曲线和试验得到的压缩曲线基本吻合。而柔性石墨的力学性能受密度等因素的影响较大，且应力应变关系的测量比较困难，所以数值模拟与试验所得的回弹曲线一致性较差，但回弹率总体趋势基本一致。用数值模拟来定性分析柔性石墨覆盖层金属齿形垫的力学性能具有重要的参考价值，在今后的改进中，可以先使用建立的数值模拟模型进行数值计算，为试验提供参考，降低试验成本。

分析认为影响数值模拟结果与试验结果精度的原因主要有以下几个：

a.有限元模拟计算中，材料的本构关系是数值模拟成功的必要因素之一，同时也是数值模拟结果能否代表实际结果的关键所在。文中柔性石墨材料本构关系采用的是比较理想的弹塑性本构，而实际应用中，柔性石墨本构关系与制造工艺、石墨密度、试验方法及试验仪器精度等因素有较大关系。

b.有限元模拟中，摩擦系数设定值为一定值，而实际摩擦系数是一变量，这也是导致模拟值与试验值存在误差的原因。一般情况下摩擦系数是随着载荷的增加而减小的，当载荷很大时，摩擦系数趋于稳定。此外，静摩擦系数的大小与载荷作用下接触的时间有关系，接触的时间越长，摩擦系数就越大。

c.有限元模拟软件材料属性设置项中，柔性石墨密度为某一定值。实际工况中柔性石墨的密度随比压的增大而增大，当密度达到一定值，增加趋于平缓。由于柔性石墨受压之后，密度增加，内部空间变小，压缩量就越小。因此，柔性石墨密度的大小也是影响垫片压缩率和回弹率又一个重要的因素。

d.划分网格质量受到几何模型和划分方式、网格粗细的影响，网格质量的好坏决定了后期有限元模拟结果的质量和准确性。网格不合格的数量较多时，有限元计算过程中会出现warning警告，若网格所在区域流场变量发生明显的变化且存在明显的变量梯度，则少量质量差的网格足以导致计算不收敛。

4 结论

4.1 试验结果表明，304垫片压缩率和回弹率优于其他材料垫片，且压缩模量和回弹模量小，即304垫片具有良好的压缩回弹性能，更容易适应载荷循环作用的地方或者密封的性能更好。

4.2 经预压缩后的垫片力学性能更加稳定，垫片的承载能力有了明显提升。考虑到齿形垫片制造生产中柔性石墨未填实金属齿槽这一问题，建议生产厂家出厂前进行适当的预压缩。

4.3 在实际应用中，对于垫片使用条件要求不高的，金属齿形组合垫片可重复使用，这也是该类型垫片相对缠绕垫片和金属包覆垫片的一大优势。

4.4 在数值模拟分析中，4种不同材料垫片压缩率与试验得到的压缩率一致性很好，数值模拟压缩曲线和试验得到的压缩曲线基本吻合，对边界条件和材料属性进行简化，会对分析结果和精度产生影响，但数值模拟方法可以定性分析垫片压缩回弹性能，对试验研究和理论分析有重要的参考价值。