密封垫片高温综合性能试验机的研制*

静密封连接是现代过程工业装备中最主要的连接形式之一，其主要的失效形式是泄漏［1－3］。静密封连接密封失效不仅会造成经济损失，而且会污染环境，甚至酿成重大人员伤亡事故。密封垫片是影响静密封连接密封性能的关键性元件，因此，垫片的力学性能和密封性能测试与表征一直是螺栓法兰连接研究中的重点。

国内外对静密封连接性能试验装置研制和相关试验的研究经历了长期的发展，以往试验装置大多采用高压区作为测漏腔，利用理想气体方程进行泄漏率计算，由于高压区存在密封困难的问题，其无法保证试验结果的高精度［4－8］。本文作者研制的密封垫片高温综合性能试验机结构合理，采用低压区进行泄漏率的测量，可以解决高压区密封腔密封难的问题，使试验结果更加精确。该试验机能够准确对垫片的高温压缩回弹性能、蠕变松弛性能和密封性能进行试验测试，从而为静密封连接的泄漏预测与控制提供了可靠的试验依据。

1 试验装置与试验原理

垫片高温综合性能评价试验装置包括8个主要部分:垫片加载系统、法兰抬升分离系统、垫片变形测量系统、加热与温度控制测量系统、冷却隔热系统、介质给定系统、介质密封及泄漏率测量系统、数据采集系统。试验垫片由加热与温度控制系统保证试验温度，垫片由加载系统预紧，其变形量由位移测量系统获得，试验介质从介质给定系统进入介质密封系统，部分介质从介质密封系统泄漏进入泄漏率测量系统，数据采集系统采集所有的测量信号 (载荷、位移、温度、压力和压差信号)。冷却隔热系统用于减少试验腔内热量流失，降低传感器的工作温度，保证传感器安全可靠运行。试验完成后可由法兰抬升分离系统自动将上法兰抬起，便于更换垫片。各零部件位置关系参见图1。

试验机主要组件及设计:

(1)垫片加载系统。采用液压式万能试验机对垫片施加压力载荷，该载荷由LFSX-20型拉压传感器测量。此系统由液压机头、拉压传感器、上碳酸钙石棉板和上法兰组成。该系统可提供的最大载荷为500 kN，加载速度可调节，载荷控制精度为0.2%，位移控制精度小于3 μm，可满足精确测量垫片压紧应力要求。

(2)垫片变形测量系统。采用位移传感器对垫片的变形量进行测量。垫片变形测量系统由位移传感器、位移传感器下压板、位移传感器上压板、位移传感器夹具等组成。采用2个对称放置的位移传感器来测量垫片位移，避免由于装置非对称组装带来的测试误差。2个位移传感器通过位移传感器上压板向外伸出，避免传感器距离加热系统过近而超出传感器的使用温度范围。通过位移传感器夹具、位移传感器垫块和位移传感器调节螺钉可以方便地实现位移传感器位置的调节，使测量不受垫片厚度的影响。

图1 垫片高温综合性能试验机示意图
Fig 1 Schematic diagram of test equipment for gasket high temperature performances

(3)介质密封系统及泄漏率测量系统。介质密封系统和泄漏率测量系统由上法兰、下法兰、试验垫片、“Ω”形环状柔性不锈钢皮、外压垫、内压垫、外压环、内压环、沉头螺栓、介质出气管、温度传感器、微压传感器组成。 “Ω”形环状密封不锈钢皮、垫片外圆、上下法兰面及出气管组成一密闭的测漏空腔。测漏空腔、高温微压传感器和温度传感器组成泄漏率测量系统，试验介质通过垫片漏入测漏空腔，引起空腔内气体状态的改变，采用高温微压传感器和温度传感器测定气体状态 (压力、温度)的微小变化，由理想气体状态方程计算得到泄漏率。测漏空腔属于低压区，可提高测漏腔压力的测量精度，并可以有效地避免以高压区作为泄漏空腔而带来的管路泄漏问题，使测量更准确。上法兰为“凸”形，下法兰为“凹”形，方便形成密封腔和环形测漏腔。

2 泄漏率测量系统精度

2.1 泄漏率测量系统的精度计算

测漏腔由2部分组成，一部分为垫片和法兰外侧所组成的测漏腔，其体积和温度分别为Va和Ta;另一部分为测漏腔管道，其体积为Vb，管道中的氮气存在温度梯度Tb。若泄漏空腔内气体总摩尔数为ng，压力为pg，通用气体常数为R1，则由理想气体状态方程可求得两段测漏空腔内气体的总摩尔数为:

由于在试验过程中气体工作温度Ta和测漏空腔体积V不变，因此可得泄漏的气体总摩尔数Δng:

单位时间t内介质气体的泄漏率L可由式 (3)计算:

式中:p0，T0分别为标准状态时的压力值和温度值。

2.2 测量系统的精度

采用高斯误差估计方法来求泄漏率的测量系统精度，可求得相对误差:

在垫片密封性能试验中，最小泄漏率测量时间为t=10 s，Va=28.15 cm3，Vb=42.39 cm3，体积测量精度为1%，高温微压传感器量程为0～0.1 kPa～1 kPa～10 kPa，精度为0.2%，Ta=823.15 K(550℃)，Tb=440.15 K(550℃)，dTa=2 K，dTb=0.1 K。

由式 (4)可求得相对误差为:

泄漏测量系统分辨率可用系统测得的最小泄漏率来定义。泄漏率的最大测量时间为200 s，高温微压传感器的量程为0～0.1 kPa～1 kPa～10 kPa，测量精度为0.2%，故:

由式 (3)可得系统可测泄漏率测量范围为2.2 ×10－6～2.2 cm3/s。

3 主要功能和技术参数

本装置能够对不同工况 (温度、载荷、介质压力)下垫片压缩回弹性能、蠕变松弛性能和密封性能进行测试，能够同时满足工程测试和理论研究的需要。其主要技术参数为:

试验温度 15～600℃

垫片最大压紧载荷 500 kN

试验介质压力 0～16 MPa

试验垫片外径 ≤130 mm

垫片变形测量分辨率 3×10－3mm

泄漏率测量分辨率 2.2×10－6cm3/s

泄漏率测量范围 2.2×10－6～2.2 cm3/s

泄漏率测量系统精度 0.20%

4 试验机应用情况

利用研制的密封垫片高温综合性能试验机对不锈钢柔性石墨缠绕垫片 (尺寸:φ121×φ95×4.5 mm)和石棉橡胶板垫片 (尺寸:φ107×φ73×2.0 mm)的压缩回弹性能、蠕变松弛性能和密封性能进行了试验研究，取得了很好的试验效果。

图2示出了试验机测得的150℃时不锈钢柔性石墨缠绕垫往复加载作用下的压缩弹回曲线;图3示出了试验机测得的石棉橡胶板在不同应力等级、不同温度下的蠕变曲线;图4示出了试验机测得的不锈钢柔性石墨缠绕垫在同一预紧应力40 MPa、不同温度下的泄漏率与介质压力的关系曲线。

图2 缠绕垫往复加载卸载时的压缩回弹曲线
Fig 2 Compressive and resilient curves of spiral wound gasket under cyclical loads

综合这些试验数据可对不同条件下2种垫片的高温综合性能进行分析研究，拟合出垫片的压缩回弹性能、蠕变松弛性能和密封性能的试验公式，从而为静密封泄漏预测与控制提供技术指导。

5 结论

研制了一种高温垫片综合性能试验机，该装置具有多功能、高参数的特点。利用高斯误差估计方法对该装置的泄漏率测量范围和精度进行了估算，得到其泄漏率的测量范围为2.2×10－6～2.2 cm3/s，泄漏率的测量精度为0.20%。利用该试验装置对不锈钢柔性石墨缠绕垫片和石棉橡胶板垫片的压缩回弹性能、蠕变性能和密封性能进行了试验研究。初步试验表明，本试验机可以模拟密封垫片高温工作条件下的工况，从而为深入系统地研究高温时静密封机制提供试验条件，并为评价密封垫片高温综合性能提供基础试验手段。