添加時間：2018-10-11 14:11:31    摘抄：網絡

　　摘要：在墊片高溫性能試驗裝置上, 進行了不銹鋼柔性石墨纏繞墊片壓縮回彈性能、蠕變性能和密封性能的試驗研究, 得到了表征墊片壓縮回彈特性、蠕變性能和密封性能的曲線及擬合計算公式。試驗研究結果表明, 不銹鋼柔性石墨纏繞墊片的壓縮量隨試驗溫度和墊片壓緊應力的增大而增大, 墊片回彈性能隨溫度增高而下降;墊片在壓緊應力下, 常溫亦有蠕變, 蠕變量隨溫度的升高而增大;墊片具有較好的密封性能, 常溫下的泄漏率大多為10-4 數量級, 溫度低于500 ℃時為10-3數量級;泄漏率和墊片壓緊應力成負指數關系, 壓緊應力越大, 泄漏率越小;與溫度成指數關系, 隨溫度升高泄漏率增大。

　　關鍵詞：墊片;性能;試驗;高溫

　　0 前言

　　石油化工裝置在高溫工況下容易因密封部位泄漏而導致失效。在高溫環境中, 密封元件材料的物理性能和力學性能都將發生變化, 如高溫會降低墊片的回彈能力;高溫下墊片發生蠕變松弛導致墊片應力下降;高溫下墊片材質發生熱氧老化等。因而, 與常溫密封相比高溫密封要困難得多。

　　高溫下螺栓法蘭連接的緊密性是目前工程實際亟待解決的課題。要保證高溫下所用墊片的長期密封性能, 僅靠常溫試驗數據是不夠的, 建立能模擬實際工況的高溫試驗裝置, 進而對墊片熱態力學性能和高溫工況條件下的密封性能進行長期、系統試驗研究, 并尋求表征方法十分必要。1982 年以來美國和加拿大等國對墊片的高溫性能作了很多研究[ 1 ～ 4] , 而國內在這方面的研究起步較晚,這主要是由于研究本身較困難, 加之高溫試驗裝置以及試驗研究費用較高。

　　筆者以不銹鋼柔性石墨纏繞墊片這一化工、煉油等高溫裝置中常用的密封元件為研究對象, 對其常溫和高溫下的壓縮回彈性能、蠕變性能和密封性能進行了試驗研究, 探討了由墊片常溫性能預測高溫性能的方法, 以期為密封件的選用和高溫密封設計提供依據。

　　一 試驗裝置和試驗條件

　　所有試驗均在墊片高溫性能試驗裝置上進行[ 5] 。試驗裝置由機架、試驗法蘭、墊片加載系統、試驗介質給定系統、泄漏率測量系統、加熱和溫控系統等組成。

　　試驗溫度分別為15 、150 、300 、400 、500 ℃,試驗介質壓力分別為0.5 、2.0 、3.5 、5.0MPa , 試驗介質為99.9 %工業純氮, 試驗法蘭為模擬剛性不銹鋼法蘭。

　　試樣為帶內外環不銹鋼柔性石墨纏繞墊片, 墊片本體尺寸為 121mm × 95mm ×4.5mm, 內外環材料為A3 鋼, 鋼帶為1Cr18Ni9Ti , 非金屬帶為柔性石墨。

　　二 試驗方案

　　1 .壓縮回彈性能試驗

　　一次性加載卸載并考慮蠕變影響和逐級往復加載卸載兩種試驗方法得到的墊片常溫壓縮回彈性能是基本一致的[ 6] , 故本試驗采用了逐級往復加載卸載的試驗方法, 在壓縮回彈中計入蠕變的影響。選定的5 個溫度等級分別為15 、150 、300 、400 、500 ℃, 在恒定的試驗溫度下墊片應力由較低到高逐級加載, 選定的墊片應力等級為40 、55 、70 、85MPa 。最終通過試驗找出不同溫度等級下墊片應力和變形量之間的關系。

　　2 .蠕變性能試驗

　　墊片應力恒定在70MPa , 測定各溫度等級下的變形量與時間的關系。本試驗選定5 個溫度等級分別為15 、150 、300 、400 、500 ℃。

　　3 .密封性能試驗

　　1 .泄漏率與溫度、墊片殘余壓緊應力和介質壓力的關系　選定5 個溫度等級為15 、150、300、400、500℃, 4 個墊片應力等級為40、55 、70、85MPa ,4 個介質壓力等級為0.6 、2.0 、3.5 、5.0MPa 。測定不同溫度、不同墊片應力、不同介質壓力下的泄漏率。試驗時在恒定的溫度和選定的墊片應力等級下, 介質壓力由低到高逐級加載, 得到同一試驗溫度、同一墊片應力等級、不同介質壓力下的泄漏率。改變溫度和墊片應力等級, 重復上述試驗。

　　2 .高溫下時間對密封性能的影響　恒定試驗溫度400 ℃、墊片應力等級70MPa 、介質壓力5.0MPa , 測定試驗時間為0 , 10 , 20 , … , 120min時的泄漏率, 研究泄漏率隨時間的變化情況。

　　三 試驗結果分析與討論

　　1 .壓縮回彈性能

　　壓縮回彈性能是墊片的基本力學性能。在螺栓法蘭連接的預緊過程中, 墊片良好的壓縮性能是保證其表面與法蘭面形成初始密封的基本條件, 而操作時則要求墊片具有較好的回彈性能, 以便有效補償操作工況下由介質壓力、溫度和法蘭附加載荷引起的密封面的分離。根據墊片的壓縮回彈曲線便可大致了解在操作條件下連接系統由于各元件變形導致墊片殘余壓緊應力減小、進而造成連接密封性能下降的規律。

　　圖1 給出了試驗溫度500 ℃時不銹鋼柔性石墨纏繞墊片的壓縮回彈曲線。

　　由圖可見, 墊片的塑性變形量隨壓緊應力的增大而增大, 壓縮曲線和回彈曲線均非直線且不重合, 具有非線性和非保守性。其壓縮和回彈時的彈性模量大不相同, 且隨墊片壓緊應力增大而增大。

　　圖2 為墊片應力等級85MPa 和不同溫度下的壓縮回彈曲線。同一溫度不同應力等級下的壓縮曲線采用分段截取的方法[ 6] 組合而成, 回彈曲線則為最高應力等級下的曲線。由圖可見溫度越高回彈曲線越陡, 說明隨溫度的升高墊片回彈能力逐漸下降。

　　將各墊片的壓縮回彈曲線數據作擬合, 并考慮溫度的影響, 得到如下公式壓縮曲線:

　　由所得到的公式可推測任一溫度下墊片的壓縮回彈性能。對同種類型的墊片可采取只做常溫試驗的方法, 利用本試驗得到的結果進行類比, 推測其高溫性能。

　　由圖1 和圖2 可見, 墊片壓緊應力和溫度是影響墊片壓縮回彈性能的重要因素。墊片壓緊應力愈大則墊片的變形量愈大;不同溫度下壓縮回彈曲線的彈性模量不同。高溫下材料的屈服極限降低, 塑性變形量增大, 蠕變加劇, 回彈性能下降。實際工況下, 如果墊片回彈量小到不足以補償介質壓力、溫度和法蘭附加載荷引起的密封面的分離時, 可能導致泄漏率的增大, 甚至不能保證連接系統的緊密性要求, 這是高溫泄漏的重要原因之一。

　　2 .蠕變性能

　　在高溫工況下, 墊片蠕變引起連接系統中各受力元件的應力松弛, 從而導致連接系統密封失效。圖3 為墊片應力70MPa 、試驗溫度分別為15 、150 、300 、400 、500 ℃時的蠕變性能曲線。

　　由圖可見, 溫度越高, 蠕變量越大。試驗剛開始時, 蠕變變形較大, 經過約10 ～ 20min 變化趨于緩慢。蠕變量隨時間的變化規律可由式(3)表示

　　對同種類型的墊片可采取只做常溫試驗的方法, 利用本試驗得到的結果進行類比, 推測其任一溫度下的蠕變特性。

　　3 .密封性能

　　(1)泄漏率與殘余壓緊應力及介質壓力的關系墊片密封性能是一項綜合性能指標, 它受墊片材質、結構、溫度、介質性質、加載卸載狀態等多種因素影響。試驗表明, 泄漏率是介質壓力p 、墊片殘余壓緊應力SG 和溫度T 的函數, 其關系可用下式表示

　　圖4 為試驗溫度400 ℃時泄漏率與介質壓力和墊片預緊應力的關系曲線。

　　由圖可見, 在恒定溫度下泄漏率隨介質壓力的增大而增大, 隨墊片預緊應力的增大而減小。墊片預緊應力70MPa 時泄漏率與介質壓力和溫度的關系曲線如圖5 所示, 由圖可見, 泄漏率隨溫度的升高而增大。

　　分析式(4)可以發現, 泄漏率和介質壓力基本成線性關系, 具有粘性流體層流的一般特征;泄漏率和墊片殘余壓緊應力成負指數關系, 殘余壓緊應力越大, 泄漏率越小;泄漏率隨溫度的升高而增大, 兩者成指數關系。

　　(2)高溫下試驗時間對密封性能的影響　試驗研究了墊片預緊應力70MPa 、介質壓力5.0MPa 、試驗溫度400 ℃時泄漏率隨試驗時間的變化情況。

　　試驗表明, 泄漏率隨時間的增加稍有增大。這是由于高溫下墊片蠕變而使墊片與法蘭面之間的嵌合更加緊密, 試驗時墊片應力保持恒定, 則墊片的蠕變可能減小泄漏率, 但墊片材料的質量損失和老化可導致泄漏率增大, 兩者的綜合影響造成本試驗中泄漏率稍有增大但不明顯。實際螺栓法蘭連接中墊片蠕變和材料在高溫下的質量損失[ 2, 7, 8] 等會導致連接結構松弛, 從而使泄漏率大大增加。

　　四 結論

　　不銹鋼柔性石墨纏繞墊片的壓縮量隨試驗溫度和墊片壓緊應力的增大而增大, 墊片回彈性能隨著溫度的增高而下降, 其壓縮回彈曲線具有非線性和非保守性。壓縮線和回彈線可分別用式(1)和式(2)來表示。

　　由于這種墊片由金屬和非金屬組合而成, 常溫下亦有蠕變發生, 蠕變量隨溫度的升高而增大, 其規律可用式(3)描述。

　　墊片密封性能可由試驗溫度、介質壓力、墊片殘余壓緊應力和相應的泄漏率間的關系來表示, 如式(4)。不銹鋼柔性石墨纏繞墊片具有較好的密封性能, 在常溫下其泄漏率值大多在10-4 數量級,試驗溫度低于500 ℃時, 其泄漏率值為10-3 數量級。在相同溫度、同一預緊比壓下, 其泄漏率隨試驗時間的增加稍有增大, 這是由于高溫下墊片材料的質量損失和老化等原因造成的。

　　筆者試驗研究了不銹鋼柔性石墨纏繞墊片的常溫高溫力學性能和密封性能, 通過試驗數據的回歸分析得到的各公式能較全面地表征墊片的性能。據此, 可由墊片的常溫試驗數據預測其高溫性能, 為高溫螺栓法蘭連接設計和密封元件的選用提供了依據。

　　參考文獻

　　1 　Bazergui A, Marchand L.Development of tightness test procedures for gaskets in elevated temperature service.WRC

　　Bulletin, 1988 ,(339):1 ～ 20

　　2 　Derenne M, Marchand L, Payne J R, et al .Elevated temperature testing of gaskets for bolted flanged connections.

　　WRC Bulletin , 1994, (391):1 ～ 37

　　3　Bouzid A, Chaaban A, Bazergui A.The effect of gasket creep-relaxation on the leakage tightness of bolted flanged joints.Transactions of the ASME , Journal of Pressure Vessel Technology , 1995 , 117(2):71 ～ 78

　　4 　Bouzid A, Chaaban A.An accurate method of evaluating relaxation in bolted flanged connections .Transactions of the

　　ASME, Journal of Pressure Vessel Technology , 1997 , 119(1):10 ～ 17

　　5　顧伯勤, 陸曉峰.墊片高溫性能試驗裝置及測漏方法研究.石油機械, 1999, 27(1):39～ 41, 46

　　6　時黎霞, 顧伯勤, 陸曉峰.不銹鋼柔性石墨纏繞墊片基本性能研究.潤滑與密封, 1999 ,(2):22～ 24

　　7　Derenne M, Marchand L, Payne J R.Elevated temperature characterization of flexible graphite sheet materials for bolted flanged joints.WRC Bulletin, 1997 ,(419):1 ～ 88

　　8　Marchand L, Derenne M, Bazergui A.Weight loss correlation for sheet gasket materials .Transaction of the ASME, Journal of Pressure Vessel Technology , 1992 , 114(2):1 ～ 7

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