摘要:通过合理的结构设计, 对内外环 V 形金属石墨缠绕垫片的压缩回弹和密封性能进行优化试验研究, 找出性能最佳的结构与工艺参数。 并通过改变参数进行试验, 找出参数对其性能影响的规律性。 结果表明:钢带的角度、 径向压紧力、 切向拉紧力对缠绕垫片的性能有直接的影响, 且前两者对垫片性能有显著的影响;在其它条件一定时, 随着径向压紧力的增大, 回弹率增大, 泄漏率降低, 压缩率降低;角度为 95.9°和 80.9°的垫片分别在 60 ～ 70 M P a、 50 ～ 60 M P a之间基本上都发生屈服, 且有明显的屈服平台;钢带角度 111. 6°、 钢带切向力 14.7 N、 垫片径向力 0.3 M P a组合和钢带角度 95.9°、 钢带切向力 14.7 N、 垫片径向力 0.25 M Pa组合的垫片性能已远远高出国标的要求, 且无论是从外观质量还是内在性能均达到国际先进水平。

V形金属石墨缠绕式垫片是一种优良的密封元件, 在石油、化工、冶金、发电等工业生产领域广泛应用。自20世纪60年代初随着引进装置进入国内市场 , 到目前已基本上实现了国产化。由于缠绕垫片占法兰连接系统中静密封件的70%以上 , 因此其性能的优劣决定了密封的可靠性。近年来 , 在国内有些高等学校、 设计研究及生产应用单位的共同努力下 , 缠绕式垫片的研究工作取得了一定的进展。目前国内缠绕垫片的生产厂有几百家 , 每年生产能力千万吨以上 , 但由于技术和生产水平比较落后 , 存在着品种单一、 规格不全、 设备简陋、 性能质量不稳定等问题 , 以致生产的垫片性能差别较大 , 许多垫片使用效果达不到国外同类产品的水平。在文献 [ 4] 中 , 曾对 4 个厂家生产的同种材料、 同种规格的基本型缠绕垫片进行了部分性能试验 , 结果差别很大 , 有的项目竟然差 50%左右。另外 , 1996年 11月份由化工部静密封检测中心对几十家生产的缠绕垫片进行抽样检测(本文作者直接负责此项工作 ), 竟然没有一家产品能够满足全部性能指标。由此可见 , 对缠绕垫片的优化研究 , 既可以充分发挥缠绕垫片的优势 , 又可提高它的使用范围。本文作者对此作了较为深入的研究 , 其结果证明了这一工作的重要性。

1钢带结构设计

作为缠绕式垫片的主要结构和支撑构架 , 钢带几何结构尺寸是直接影响垫片性能的十分重要的参数 , 设计时主要是借鉴美国 API标准中的有关数据 , 利用成型金属钢带的弹塑性和非金属带的密封性能来满足法兰连接系统的密封要求 , 即达到与系统变形协调一致。

2 试验及结果分析

试验主要是对 3种钢带角度下的不同工艺参数的缠绕垫片的压缩 -回弹、 密封性能进行测定。试验是利用状态方程法在刚性法兰试验装置上 , 通过计算机控制垫片加载、 卸载过程 , 并由计算机采集数据。

试验条件为预紧压力 70MPa, 试验介质压力 5.5 MPa, 介质为 99.9%氮气 , 室温加载 , 卸载速度为 0.5 MPa /s。试验采用三因子三水平正交试验 , 即选取 L9 (34 )安排试验 , 以寻求最佳结构与工艺参数 , 试验垫片为 DN 80 PN 5.0内外环石墨缠绕垫片。

3 结论

(1) 通过试验发现 :钢带的角度 、 径向压紧力 、切向拉紧力对缠绕垫片的性能有直接的影响 , 且前两者对垫片性能有显著的影响。

(2) 在其它条件一定时 , 随着径向压紧力的增大 , 回弹率增大 , 泄漏率降低 , 压紧力小于 0.3 MPa, 压缩率降低 。

(3) 试验发现 , 角度为 95.9°和 80.9°的垫片分别在 60 ～ 70 MPa、 50 ～ 60 MPa之间基本上都发生屈服 , 且有明显的屈服平台 , 其原因主要与垫片的结构和工艺参数对垫片的强度、 刚度的影响有关。

(4) 钢带角度 111.6°、 钢带切向力 14.7 N 和垫片径向力 0.3MPa组合和钢带角度 95.9°、 钢带切向力 14.7 N 和垫片径向力 0.25MPa组合下的垫片性能已远远高出国标的要求 , 且无论是从外观质量还是内在性能均达到国际先进水平。