金属缠绕垫片已广泛应用于石油、化工、冶金、发电、核能和航空航天等领域,是目前使用率最高的垫片,它是由一定几何截面的成型金属带和非金属填充材料交替而成的一种复合垫片,其特点是金属与非金属之间相互配合,具有一定的强度、刚度、多道密封和自紧作用,对于法兰面的缺陷不太敏感,有利于吸收压力、温度变化和机械振动的影响,是法兰连接系统中的重要密封元件。目前,国内已有几百家缠绕垫片生产厂,由于生产设备、生产工艺及生产技术等多方面不尽相同,致使缠绕垫片性能千差万别。1996年,原化工部静密封检测中心受原化工部委托进行垫片普查,对近百家生产的缠绕垫片进行抽样检查,结果没有一家产品在性能及外观质量上均达到国标要求。合理的结构设计并选取最佳工艺参数,对获得高质量、高性能的缠绕垫片有着重要的作用。文献[2]曾对金属缠绕垫片的密封性能进行了研究,该文将研究其压缩-回弹性能。垫片基本结构和金属钢带结构设计等方面均与文献[2]相同。

1 试验方案

  针对尺寸不同的3种V型钢带,选择缠绕时的钢带拉紧力和压紧力作为制造工艺参数。为了寻求压缩-回弹性能的最佳参数,以GB 4622.3-93中的性能指标和技术要求为依据,经大量试验后,确定出带内外环的DN80,PN5.0金属石墨缠绕垫片的拉紧力为12~18 N,缠绕压紧力(直径为40 mm的活塞力)为0.2~0.3 MPa,由此确定3水平3因子优化试验方案。
A 钢带角度/(°)  A1-111.60 A2-95.85
A3-80.90
B 钢带拉紧力/N  B1-12.0  B2-15.0
B3-18.0
C 缠绕压紧力/MPa C1-0.20 C2-0.25
C3-0.30
2 性能试验

2.1 试验条件

  试验垫片为DN80,PN5.0内外环不锈钢柔性石墨缠绕垫片、特制石棉缠绕垫片及聚四氟乙烯(PTFE)缠绕垫片。优化试验垫片采用柔性石墨缠绕垫片。试验温度为常温,最大预紧应力70 MPa,介质压力5.50 MPa,试验装置为利用状态方程法测试垫片性能的全自动垫片综合性能试验台。试验法兰为刚性法兰。垫片符合GB 4622.3-93规定。

2.2 优化试验

  采用9组优化试验,试验获得最佳压缩-回弹性能参数组合为A1B2C3(所谓最佳即压缩率满足18%~30%,回弹率最大),其压缩率在20%左右,回弹率接近30%(国标要求大于17%为合格),泄漏率达到国标一级,即泄漏率小于10-5 cm3/s。A2B2C3组合下泄漏率最低,且回弹率略高于A1B2C3组合,但压缩率仅在15%左右。A3结构下的垫片在相应条件下均有较大的屈服,性能一般。另外,经过数理统计分析,参数A、C对压缩-回弹性能和密封性能均有显著影响。

3 试验结果

3.1 性能曲线

  将石墨缠绕垫片的优化结果运用到其它2种垫片中,图1所示为A1B2C3曲线,由于石棉缠绕垫片在此条件下压缩率刚刚满足国标要求(国标要求的压缩率指标为18%~30%)。为此,将工艺参数C3降至C2,实验结果见图2。由于石墨缠绕垫片泄漏率最佳参数组合A2B2C3下的压缩率较低,故将此组合下的C3降至C2,曲线见图3。为了研究A3结构下的性能,选用A3B2C2的结果,曲线见图4。由于参数B的影响不显著,故一般试验取B2。在图1~图4中,1为柔性石墨缠绕垫片,2为特制石棉缠绕垫片,3为PTFE缠绕垫片。

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图1 缠绕垫片压缩-回弹性能曲线

图2 缠绕垫片压缩-回弹性能曲线

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图3 缠绕垫片压缩-回弹性能曲线

图4 缠绕垫片压缩-回弹性能曲线

3.2 分析讨论

  (1)由图1可看出,A1B2C3组合下的缠绕垫片性能最好,而石棉垫片压缩率偏低,这是因为柔性石墨带的密度较小,强度高,具有良好的柔软性和回弹性,综合性能优良。而石棉带则含有结晶水,在一定的制造工艺条件下容易被压实,使得垫片刚性增大,致使在相同预紧载荷下,压缩率较低,但石棉的回弹性较好。
(2)由于缠绕垫片的强度、刚度与工艺参数密切相关,故降低图1曲线中的缠绕压紧力,即组合A1B2C2。图2曲线表明,降低缠绕压紧力后,压缩率提高,回弹率下降。PTFE缠绕垫片的回弹率低于其他2种,原因在于PTFE材料受压后易冷流,受热易蠕变,具有优良的密封性能和耐蚀能力,但自身回弹能力较差。由于石棉的自身特点,随工艺参数的改变,压缩-回弹性能波动较大,在图2条件下,石棉缠绕垫片与石墨缠绕垫片的压缩率相差不多,而回弹率相差较大。
(3)在A2B2C2条件下柔性石墨缠绕垫片产生了明显的屈服平台,大量实验均证明,屈服限为60~70 MPa,见图3。而在A2B2C3条件下并无此现象,主要是随工艺参数的提高,垫片强度提高的缘故。在这一组合下,PTFE缠绕垫片不达标。试验证明,这一V型结构与PTFE交替缠绕,无论怎样改变工艺参数,性能均不好。石棉缠绕垫片的压缩率偏低,可以适当降低参数C,但回弹率有所下降。当将C2降至C1时,石棉缠绕垫片的压缩率和回弹率均达标,但不高。
(4)从图4曲线可以看出,石墨缠绕垫片发生了明显的屈服平台,其屈服极限为50~60 MPa,试验再次证明,随着钢带V型角度的减小,石墨缠绕垫片产生屈服的可能性增大,屈服极限值亦降低。另外,多次试验证明,在这一条件下,即使组合最好的工艺参数,石棉缠绕垫片的压缩回弹性能也没有多大改善,而PTFE缠绕垫片的效果较好。

4 结语

  性能试验证明,钢带结构参数和工艺参数压紧力对缠绕垫片的压缩-回弹性能有显著的影响。当其它条件不变时,随着缠绕压紧力的增大,压缩率降低,回弹率增大,泄漏率降低。另外,其它条件一定时,随着钢带角度的减小,石墨缠绕垫片发生屈服的极限值降低。优化试验获得的最佳压缩-回弹性能达到了国外同类水平。该研究对工程实践有着重要的参考价值。

作者单位:陈 庆(吉林化工学院(吉林 132022) 讲师)
郭 奇(吉林化工学院(吉林 132022) 教授)
陆晓峰(南京化工大学(南京 210009) 讲师)
朱洪生(南京化工大学(南京 210009) 教授)

参考文献

 [1] 陈 庆.金属缠绕垫片的结构与工艺参数的研究:[硕士学位论文].南京:南京化工大学,1996
[2] 陈 庆,郭 奇,由立臣等.金属石墨缠绕垫片密封性能研究.石油化工设备, 1998,27(2):19~22
[3] 岑 红,谢苏江等译.API标准601,用凸面法兰与法兰连接的金属垫片(波纹金属包垫片和缠绕垫片).北京:国家技术监督局.1995.
[4] GB 4622.3-93缠绕垫片技术条件.北京:国家技术监督局,1993.