柔性石墨纏繞墊片與柔性石墨金屬齒形墊片密封影響因素正交試驗(yàn)及模擬對(duì)比

姜 峰 趙維樂(lè) 吳晨輝

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院）

墊片的密封性能對(duì)法蘭密封起決定性作用。目前，工程實(shí)際中使用較普遍的為柔性石墨纏繞墊片與柔性石墨金屬齒形墊片，但這兩種墊片的性能和適用環(huán)境差異較大，為了在不同工況下，更加準(zhǔn)確地使用這兩種墊片，筆者結(jié)合正交試驗(yàn)與有限元模擬對(duì)比研究螺栓預(yù)緊力、壓力和溫度對(duì)墊片密封性的影響。 在此基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元模擬對(duì)比分析兩種墊片可使用螺栓預(yù)緊力范圍的大小，同時(shí)，對(duì)比分析高溫壓力波動(dòng)工況下兩種墊片的應(yīng)力和變形趨勢(shì)，在保證密封的前提下，為更加合理使用此兩種墊片提供依據(jù)和參考。

1 兩種墊片基本性能介紹及其密封影響因素正交試驗(yàn)

利用Design Model 建立法蘭三維有限元模型，并結(jié)合正交試驗(yàn)與有限元參數(shù)化模擬來(lái)分析溫度、壓力和螺栓預(yù)緊力對(duì)這兩種墊片密封性的影響程度。

柔性石墨纏繞墊片是目前應(yīng)用較廣泛的墊片之一，其型號(hào)較齊全，具有壓縮回彈性能好、多道密封、可自緊和易拆卸的優(yōu)點(diǎn)［1，2］。 在高溫、高壓、超低溫和真空條件下均適用。 缺點(diǎn)是易散架、鋼帶邊緣易損傷法蘭。 柔性石墨金屬齒形墊片（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為金屬齒形墊片） 是由金屬不銹鋼平墊片經(jīng)過(guò)緊密的車(chē)床制作成兩面均為同心溝槽的墊片， 之后將PTFE 等非金屬材料充填在兩個(gè)面內(nèi)［3］。金屬齒形墊片所需密封比壓不高，密封性能好， 且能適用于壓力波動(dòng)和高溫高壓工況，在大口徑法蘭中可以替換柔性石墨纏繞墊片［4］。 但相對(duì)于柔性石墨纏繞墊片其壓縮回彈性能較差，且無(wú)法利用流體自預(yù)緊。

1.1法蘭有限元模型建立

1.1.1法蘭幾何模型與三維模型建立

選取帶法蘭蓋的鑄造法蘭，法蘭公稱(chēng)壓力為6.3MPa， 公稱(chēng)直徑為 600mm， 適用溫度為-29~425℃。

法蘭密封面結(jié)構(gòu)形式為榫槽型。 螺柱規(guī)格為M33mm×235mm（GB/T 901—1998），數(shù)量 28 個(gè)；螺母選用M33mm （GB 55—1976）。 墊片尺寸為φ680mm×φ720mm×4.5mm。 法蘭幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 法蘭幾何結(jié)構(gòu)

圖中，D1=880mm；D2=815mm；D3=680mm；D4=719.4mm；D5=650mm；D6=20mm；D7=5mm；H1=70mm；H2=270.5mm；Φ=36mm；R=15mm。

所研究法蘭有28 個(gè)螺栓且屬于軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在此以其子結(jié)構(gòu)即1/28 法蘭接頭作為研究對(duì)象，可減少計(jì)算量從而提高計(jì)算精度和速度。 運(yùn)用Design Model 三維建模工具建立法蘭整體模型，并取其 1/28 模型（圖2）。

圖2 1/28 法蘭接頭模型

1.1.2材料參數(shù)

法蘭各元件材料性能數(shù)據(jù)均來(lái)源于 《壓力容器材料使用手冊(cè)》［5］。 法蘭材料選用 A216 WCB，密度7 850kg/m3，性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。 螺栓、螺母材料為35CrMoA，密度 7 820kg/m3，性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。 金屬齒形墊片與柔性石墨纏繞墊片所用金屬304 鋼的物理性能參數(shù)見(jiàn)表3，柔性石墨纏繞墊片壓縮回彈性參考顧伯勤和陳曄的研究成果［6］，金屬齒形墊片壓縮回彈具體數(shù)據(jù)來(lái)源于筆者所在實(shí)驗(yàn)室。

表1 法蘭材料性能數(shù)據(jù)

表2 螺栓、螺母材料性能數(shù)據(jù)

表3 墊片材料物理性能參數(shù)

1.1.3網(wǎng)格劃分

對(duì)法蘭子結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，均采用六面體網(wǎng)格劃分方式。 法蘭和法蘭蓋部分網(wǎng)格大小經(jīng)過(guò)參數(shù)化優(yōu)選為13mm， 螺栓螺母部分優(yōu)選網(wǎng)格大小設(shè)為8mm，墊片部分通過(guò)body Sizing 控制網(wǎng)格大小為4mm，法蘭整體網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖3 法蘭整體網(wǎng)格劃分

1.1.4載荷與邊界條件

邊界條件。 根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)置法蘭邊界條件：法蘭蓋端面自由，下法蘭設(shè)置軸向固定約束， 子結(jié)構(gòu)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)面施加法向位移約束，以防止法蘭環(huán)在徑向和軸向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)防止法蘭環(huán)產(chǎn)生偏離對(duì)稱(chēng)面的位移。

載荷。 外部載荷施加螺栓預(yù)緊力，在法蘭內(nèi)壁施加內(nèi)壓載荷與溫度載荷。 操作工況下預(yù)緊力Wp的計(jì)算參考《化工容器設(shè)計(jì)》中螺栓預(yù)緊力大小計(jì)算方法，計(jì)算可得操作工況下的螺栓預(yù)緊力為91 113N。

1.2兩種墊片密封影響因素正交試驗(yàn)及對(duì)比

分別將柔性石墨纏繞墊片與金屬齒形墊片安裝于法蘭上，并通過(guò)有限元模擬方法，對(duì)溫度、壓力、螺栓預(yù)緊力分別進(jìn)行參數(shù)化，將模擬結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)來(lái)分析說(shuō)明這3 種因素對(duì)這兩種墊片密封性能的影響。

1.2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取操作條件下的溫度、壓力、螺栓預(yù)緊力3個(gè)因素作為試驗(yàn)參數(shù)，試驗(yàn)指標(biāo)為墊片徑向中點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)應(yīng)力大小。正交試驗(yàn)表選取L9（33），溫度在實(shí)際操作工況溫度范圍內(nèi)選取100、200、300℃；壓力在法蘭可以承受的壓力范圍內(nèi)選取2、4、6MPa；螺栓預(yù)緊力在操作工況螺栓預(yù)緊力范圍內(nèi)選取 45 000、60 000、91 113N， 這樣可以保證整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中法蘭均處于密封狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生泄漏。

1.2.2兩種墊片正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

柔性石墨纏繞墊片的試驗(yàn)一共進(jìn)行9 次，正交試驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 正交試驗(yàn)分析結(jié)果

如表4 正交試驗(yàn)結(jié)果可得，極差大小順序?yàn)椋郝菟A(yù)緊力>壓力>溫度； 偏差平方和大小順序?yàn)椋?螺栓預(yù)緊力>壓力>溫度；F值大小順序?yàn)椋郝菟A(yù)緊力>壓力>溫度，因此可判斷螺栓預(yù)緊力對(duì)柔性石墨纏繞墊片應(yīng)力的影響最為顯著， 其次是壓力，最后是溫度。

同樣，金屬齒形墊片的試驗(yàn)也是9 次，正交試驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 正交試驗(yàn)分析結(jié)果

如表5 分析結(jié)果可得，極差大小順序?yàn)椋郝菟A(yù)緊力>溫度>壓力；偏差平方和大小順序?yàn)椋郝菟A(yù)緊力>溫度>壓力；F值大小順序?yàn)椋?螺栓預(yù)緊力>溫度>壓力， 因此可判斷螺栓預(yù)緊力對(duì)墊片應(yīng)力的影響最為顯著，其次是溫度，最后是壓力。

由以上兩組正交試驗(yàn)結(jié)果可知， 螺栓預(yù)緊力對(duì)兩種墊片密封性能的影響均最為顯著。 對(duì)于柔性石墨纏繞墊片除螺栓預(yù)緊力外， 壓力對(duì)其影響較為明顯，溫度次之；對(duì)于金屬齒形墊片除螺栓預(yù)緊力外，溫度對(duì)其影響較為明顯，壓力次之。 由此可初步判斷，柔性石墨纏繞墊片對(duì)溫度敏感度相對(duì)較低， 更加適用于溫度較高且容易出現(xiàn)波動(dòng)的工況下； 金屬齒形墊片對(duì)壓力敏感度相對(duì)較低， 更加適用于較容易發(fā)生壓力波動(dòng)的工況下。

2 兩種墊片在高溫工況下可承受的預(yù)緊力范圍模擬對(duì)比

由上節(jié)可知，螺栓預(yù)緊力的選取對(duì)兩種墊片的密封性能影響均最為顯著，本節(jié)研究對(duì)比柔性石墨纏繞墊片與金屬齒形墊片所能承受的螺栓預(yù)緊力范圍，同時(shí)對(duì)比其密封性能的差異。 在此選用工況為350℃高溫、6.3MPa 內(nèi)壓，分析兩種墊片可承受的螺栓預(yù)緊力范圍。

由于GB 150.1—2011 壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范和ASME 法蘭設(shè)計(jì)規(guī)范中， 均未對(duì)墊片密封作出準(zhǔn)確的規(guī)定。 由于EN 13445-3 附錄G 中對(duì)墊片性能參數(shù)的定義與模擬結(jié)果相近， 因此借鑒EN 13445-3 附錄G 對(duì)墊片密封進(jìn)行評(píng)定， 具體評(píng)定方法為：墊片上最大應(yīng)力不能超過(guò)其最大允許壓縮應(yīng)力Qmax， 墊片上最小應(yīng)力不得小于預(yù)緊工況時(shí)的最小壓應(yīng)力Q（0，min）。 兩種墊片的 Q（0，min）與 Qmax值見(jiàn)表6。

表6 金屬齒形墊片與柔性石墨纏繞墊片能保證密封的Q（0，min）與Qmax 值

2.1金屬齒形墊片數(shù)值模擬

根據(jù)工程實(shí)際所施加的螺栓預(yù)緊力范圍，分別取螺栓屈服強(qiáng)度的10%、20%、64%、75%作為螺栓預(yù)緊應(yīng)力，并換算成大小為45 906、91 113、293 800、344 297N 的螺栓預(yù)緊力施加在螺栓的光桿部分。

施加不同大小的螺栓預(yù)緊力時(shí)墊片應(yīng)力分布如圖4 所示。

圖4 金屬齒形墊片在不同螺栓預(yù)緊力下墊片應(yīng)力分布

由圖4a 可知， 當(dāng)施加屈服強(qiáng)度的10%預(yù)緊力時(shí)，金屬齒形墊片的最大、最小壓應(yīng)力分別為28.83、25.40MPa，均 介 于 表6 中Qmax與 Q（0，min）之間，能保持密封性。 當(dāng)施加螺栓屈服強(qiáng)度的20%預(yù)緊力時(shí)， 最大、 最小壓應(yīng)力分別為 54.5、52.9MPa，由表6 可知此時(shí)墊片能保證密封性，最大墊片應(yīng)力出現(xiàn)在墊片內(nèi)側(cè)， 內(nèi)外應(yīng)力差約為3.0MPa，密封性能良好。 其原因是介質(zhì)壓力對(duì)墊片內(nèi)側(cè)的壓緊程度超過(guò)了螺栓預(yù)緊力對(duì)墊片外側(cè)的壓緊程度。 同樣結(jié)合表6 與圖4d 可以看出螺栓預(yù)緊力增加到螺栓屈服強(qiáng)度的75%時(shí)，墊片仍可以保證密封而不被壓潰。 綜上，金屬齒形墊片在螺栓屈服強(qiáng)度的10%~75%作為螺栓預(yù)緊力時(shí)均可保證良好密封。

2.2柔性石墨纏繞墊片數(shù)值模擬

將中法蘭墊片更換為柔性石墨纏繞墊片，分別施加螺栓屈服強(qiáng)度的10%、20%、64%、75%作為螺栓預(yù)緊力，并進(jìn)行模擬，可得墊片應(yīng)力分布如圖5a~d 所示。

由圖5a 可知， 施加螺栓屈服強(qiáng)度的10%螺栓預(yù)緊力時(shí)，柔性石墨纏繞墊片最大、最小壓應(yīng)力分別為 25.956、23.590MPa， 結(jié)合表6 可知，此時(shí)僅達(dá)到了基礎(chǔ)密封。 當(dāng)施加屈服強(qiáng)度的64%作為螺栓預(yù)緊力時(shí)，此時(shí)墊片最大、最小壓應(yīng)力分別為 196.80、172.06MPa，結(jié)合表6 可知，此時(shí)墊片應(yīng)力遠(yuǎn)大于保證密封所需要的最大壓應(yīng)力（Qmax）95MPa，墊片已經(jīng)被壓潰，無(wú)法滿足密封要求。

2.3數(shù)值模擬對(duì)比

將金屬齒形墊片與柔性石墨纏繞墊片在不同螺栓預(yù)緊力下的最大、最小墊片應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖6 所示，其中橫坐標(biāo)代表的是螺栓預(yù)緊力大小分別取螺栓屈服強(qiáng)度的10%、20%、64%、75%。

圖5 柔性石墨纏繞墊片不同螺栓預(yù)緊力下墊片壓應(yīng)力

圖6 柔性石墨纏繞墊片與金屬齒形墊片內(nèi)外側(cè)壓應(yīng)力對(duì)比

由圖6 可知，隨著預(yù)緊力的增加，墊片最大、最小壓應(yīng)力均增大， 且墊片內(nèi)外壓差呈增大趨勢(shì)， 金屬齒形墊片內(nèi)外側(cè)壓差由3MPa 增加到18MPa， 柔性石墨纏繞墊片內(nèi)外側(cè)壓差由2MPa增加到29MPa。 相比于柔性石墨纏繞墊片，金屬齒形墊片在使用過(guò)程中受力相對(duì)較均勻，在法蘭接頭安裝過(guò)程中可使用的預(yù)緊力范圍較大，且不容易被壓潰失效，大幅降低了安裝難度。

3 高溫壓力波動(dòng)下兩種墊片密封性模擬對(duì)比

本節(jié)模擬通過(guò)ANSYS Workbench 來(lái)模擬350℃下介質(zhì)壓力波動(dòng)時(shí)兩種墊片密封性的變化，并進(jìn)行對(duì)比。 為更加明顯地觀察壓力波動(dòng)對(duì)墊片密性的影響，在此采取壓力連續(xù)兩次發(fā)生不同程度的波動(dòng)。 具體模擬方案為：溫度恒定為350℃，內(nèi)壓在 40s 內(nèi)的變化為 6.3MPa →3.0MPa →6.3MPa→4.0MPa→6.3MPa，如圖7 所示。

圖7 介質(zhì)壓力波動(dòng)曲線

金屬齒形墊片與柔性石墨纏繞墊片經(jīng)過(guò)連續(xù)兩次壓力波動(dòng)后，墊片的最大、最小應(yīng)力變化曲線如圖8 所示。

圖8 兩種墊片的最大、最小應(yīng)力隨壓力波動(dòng)變化曲線

由圖8 可知，金屬齒形墊片應(yīng)力隨著壓力的降低而增大，隨著壓力的增加而降低，相同時(shí)間內(nèi)，下降幅度大于上升幅度，經(jīng)過(guò)兩次壓力波動(dòng)，墊片最大、最小應(yīng)力平均下降了1.5MPa；柔性石墨纏繞墊片應(yīng)力隨壓力變化趨勢(shì)與金屬齒形墊片相同，但經(jīng)過(guò)兩次壓力波動(dòng)后，柔性石墨纏繞墊片最大、最小應(yīng)力平均下降了3.5MPa。

發(fā)生上述現(xiàn)象的原因是， 在內(nèi)壓降低過(guò)程中，螺栓受到的拉應(yīng)力減小，這是由于螺栓預(yù)緊力設(shè)置為定值，此時(shí)墊片處于壓縮階段，因此墊片上應(yīng)力呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)；當(dāng)壓力逐漸恢復(fù)上升時(shí)，墊片處于卸載過(guò)程，由于壓縮產(chǎn)生塑性變形的影響和墊片本身壓縮回彈性能特征，造成回彈過(guò)程中墊片應(yīng)力下降的速率較大，且壓縮量越大應(yīng)力減小越明顯。

選取墊片徑向中部節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)控點(diǎn)，提取該點(diǎn)隨壓力變化的變形量，圖9 為金屬齒形墊片與柔性石墨纏繞墊片上所選節(jié)點(diǎn)隨壓力波動(dòng)變形量曲線。

由圖9 可得，金屬齒形墊片隨著壓力的降低其變形量減小， 壓力升高變形量會(huì)逐漸增大，在經(jīng)過(guò)兩次壓力波動(dòng)后墊片上所選節(jié)點(diǎn)的變形量增大，但其變形量相對(duì)于柔性石墨纏繞墊片增大不明顯。

圖9 墊片節(jié)點(diǎn)變形量曲線

對(duì)比柔性石墨纏繞墊片與金屬齒形墊片在分別經(jīng)歷壓力波動(dòng)后的應(yīng)力變化可得，柔性石墨纏繞墊片經(jīng)過(guò)兩次波動(dòng)后，墊片的應(yīng)力降低幅度和變形量明顯大于金屬齒形墊片的。 結(jié)合上一小節(jié)正交試驗(yàn)及對(duì)比結(jié)果可知，介質(zhì)壓力變化對(duì)柔性石墨纏繞墊片的影響較大，而對(duì)金屬齒形墊片的影響相對(duì)較小，故金屬齒形墊片更適合于壓力波動(dòng)工況。

4 結(jié)論

4.13 種因素對(duì)柔性石墨纏繞墊片應(yīng)力的影響程度為：螺栓預(yù)緊力＞壓力＞溫度，3 種因素對(duì)金屬齒形墊片應(yīng)力的影響程度為：螺栓預(yù)緊力＞溫度＞壓力。

4.2高溫工況下，相比柔性石墨纏繞墊片，金屬齒形墊片的螺栓預(yù)緊力在螺栓屈服強(qiáng)度的10%~75%范圍內(nèi)均可以達(dá)到良好密封而不被壓潰，更容易達(dá)到密封要求，在一定程度上降低了螺栓安裝難度。

4.3高溫工況下，壓力波動(dòng)對(duì)柔性石墨纏繞墊片密封性的影響大于對(duì)金屬齒形墊片密封性的影響，金屬齒形墊片更適用于壓力波動(dòng)工況。