新型波齿复合垫片的研制开发

2021-01-12张孟福安源胜

经济技术协作信息 2020年35期

◎张孟福安源胜

通过对不同结构形式金属波齿环的分析、测试，证明波齿环的主要结构参数是影响波齿垫片力学性能和密封性能的关键。经使用证明波齿复合垫片具有良好的压缩回弹性能和可靠的密封性能，是高温、高压和一些苛刻工况的理想垫片。

螺栓法兰连接方式应用广泛，垫片是其中重要的密封元件，其性能的好坏将直接影响安全文明生产。目前常用的一些垫片或多或少存在着这样或那样的缺陷，很难满足各种各样的密封要求，容易出现跑冒滴漏，尤其是中高压（高温）容器和管道接头密封的问题，普通垫片很难解决。

在调研国内外垫片发展的最新情况的基础上，我们研制开发了新型波齿复合垫片。

一、垫片结构设计

1.基本结构设计。根据密封机理，垫片首先应具有良好的压缩变形能力，受压后能够产生变形，填充法兰密封面间的间隙和法兰面的凹凸不平。其次，垫片应该具有良好的回弹能力，在使用过程中能够随法兰面压紧力的减少而回弹，迅速填补由于介质应力的升高造成的法兰面间增大的间隙，始终保持垫片与法兰面的贴合。再次，垫片应具有较高的强度和耐温、耐介质腐蚀的能力，保证垫片在使用过程中不会被介质吹裂或吹掉，不会被高温熔化掉，也不会被介质腐蚀掉。目前常用垫片如橡胶板垫、缠绕垫和金属齿形垫等不耐温、易散架、易压溃和预压紧力较高，新开发的垫片要求既要具有较高的强度（不散架、不压溃）和耐高温（＞400℃）能力，又要具有较好的压缩回弹能力，适用于介质压力、温度较高且波动较大的场合。参考国内外最新垫片研制开发的信息，将垫片基本结构设计为圆弧槽波齿环与柔性石墨板材的复合结构。如图1。

由图1可见，整个垫片以金属环为骨架，上下表面复以石墨板材。为了提高垫片的压缩回弹性能，金属环上下表面加工成相互错开的波齿状同心圆弧沟槽，复合一定厚度的柔性石墨后，使整个垫片既具有金属线接触密封，又具有多道柔性石墨环密封的双重功能，大大提高了这种垫片的密封性能。通过调整和优化波齿环面的齿深、齿距和齿尖厚度，可以使垫片只需要较小的预紧压力，就可以密封很高压力的介质。同时，这种特殊的结构，确保垫片具有非常优异的抗蠕变性能，而且便于安装和定位。

图3 非对称波齿环结构

2.波齿结构设计。金属波齿环结构设计是这种新型垫片研制开发成功的关键。波形结构可以设计为“V”形槽、梯形槽和圆弧形槽，齿型又可以设计为对齿和错齿两种形式。为了探明金属波齿环结构对垫片整体性能的影响，我们利用MAC/NASTRAN大型有限元分析程序，对不同结构的波齿环进行了受力分析。分析结果表明，圆弧型波齿环片的压缩回弹性能是最好的，且抗拉强度和抗压强度较高。因此，选定新型垫片的结构为圆弧型波齿结构。对于圆弧沟槽金属波齿环，环面可以车制成图2和图3所示的结构。

由图2和图3可见，波齿结构设计不仅包括齿距、齿深和齿尖厚度三个参数的分析计算，还包括波形设计的内容。为了得到性能优良的垫片，我们深入研究了波齿结构各参数对密封性能的影响。

3.波齿结构参数的确定和优化。确定波齿结构参数是个多因素优化问题。为了使分析结果准确可靠，采用正交试验方法对各种波齿垫片结构进行组合分析，设计生产了不同规格的垫片试样，通过理论计算和试验测试相结合，详细研究了各参数对垫片性能的影响。

（1）芯板厚度对波齿环力学性能的影响.。根据有限元分析结果，将2.5mm、3.0mm和4mm厚的波齿环在承受70MPa压力时的最大应力和变形情况分别绘制如图4和图5。

图4 芯板厚度对应力的影响

图5 芯板厚度对变形的影响

从不同厚度波齿环（波齿结构相同）在受载时的应力和变形情况可见，当波齿深度较浅时，环上最大应力随厚度的增加而减小，且厚度较大的波齿环上的应力分布也较均匀；随着齿深的增加，厚度对波齿环上应力的影响趋向不明显，这时，环上最大应力将主要由波齿结构决定。

对不同厚度的波齿环，当齿深较浅时，厚度较薄的波齿环的变形大。增大波齿波深，波齿受力变形先随芯板厚度的增加而增大，而后趋于减小。相同厚度的波齿环，齿深较大的变形量也较大。

对比不同厚度波齿环的回弹性能，发现波齿结构相同的环板，芯板厚度对垫片回弹性能的影响不明显。

（2）齿距对波齿环性能的影响。齿距对波齿垫性能的影响很大。图6和图7分别是具有不同齿距的4mm厚波齿环在承受70MPa预紧比压时的环上应力和变形情况。

图6 齿距对波齿环应力的影响

图7 齿距对波齿环变形的影响

由图可见，当齿距较小时，整个环上的应力分布较均匀，且齿尖上最大应力很小，受载变形较小，整个环的刚度较大。随着齿距增大，齿尖上的应力迅速增加，整个环上的应力分布趋于不均匀，受载变形增大，整个环的刚度减小。因此，如何选择芯板厚度与波齿结构是保证垫片具有良好压缩变形能力和回弹能力的关键。

（3）齿深对波齿环性能的影响。波齿对波齿环性能的影响如图8和图9。由图可见，齿深对波齿环的性能的影响非常明显，波齿环上的应力和变形随着齿深的加大，明显增加。但在实际检测时很难把握。一是由于在生产加工时，加工测量不便，二是由于齿深对波齿环性能的影响还与齿距及齿尖厚度有关。

（4）齿尖厚度对波齿环性能的影响。参照齿形组合垫片，在减小性能分析时，仅考察了齿尖厚度分别为1与0.1mm两种情况。分析结果表明，随着齿尖厚度的增加，环上应力迅速均化，总体变形减小。因此，在设计试样的结构时，适当增加齿尖厚度，可以极大地提高垫片的承压能力，但压缩率和回弹率将有所减小。

图9 齿深对波齿环变形的影响

经对不同波齿结构波齿环受力分析，优化得到性能优良的波齿结构。从波齿环的受力分析结果看，齿距、齿深、齿尖厚度以及波齿环厚度是相互关联的，在制造时，应严格控制波齿环的结构尺寸。

二、复合工艺研究

波齿垫片由金属波齿环和柔性石墨板材复合而成，其中金属芯板具有很高的强度、很好的耐温性能和良好的弹性；柔性石墨具有良好的抗介质腐蚀能力、压缩变形能力和密封性能，是目前已知的性能最为优良的密封材料之一。如何将二者的优点结合起来，在很大程度上取决于波齿环与柔性石墨的复合工艺。传统高温垫片的制作工艺采用机械压紧的方法将二者复合在一起，但金属芯板与柔性石墨复合不牢固，在运输或安装过程中石墨板与波齿环很容易分离。为此，经过试验，我们采用高温粘结剂粘结与机械压紧结合的复合工艺，取得了良好的效果。

三、垫片性能测试

参照柔性石墨金属缠绕垫的技术条件，对新型柔性石墨波齿复合垫片进行了性能测试，测试结果见表2。

从中可以清楚看出，新型波齿复合垫片的各项性能均达到或超过了GB4622.3-93的技术要求。

从结构稳定性来看，新型波齿复合垫片稳定性非常好，不存在发生散架、压溃等问题，适宜于制作大直径容器（或管道）垫片，且应力松弛率较低，较适合用于高温的场合。而在这方面恰恰是缠绕垫所不具备的。

四、新型波齿复合垫片的试用情况

1.炼油厂二联合芳烃抽提装置的回收塔重沸器管箱法兰密封。重沸器管箱密封面外径φ1100mm，法兰密封面为凹凸面。

原设计采用铜包垫，打压时发现泄漏，更换强力垫（也称强力复合垫片）也无效，后用波齿复合垫片，才使装置生产进入平稳运行。6个月后检测法兰密封情况，性能良好。在随后的一年里经两次开停工及多次操作波动影响，一直保持良好的使用状态。

2.EA101B气化省煤器壳程法兰密封。气化省煤器为立式：型管式结构，公称直径为600mm，二管程、二壳程。设计压力：壳程 11.8MPa，管程：6.6MPa。设计温度：壳程 325℃，管程：430℃。操作介质：壳程锅炉水，管程：原料气。原使用垫片为柔性石墨金属缠绕垫，泄漏量大，使用寿命较短，由于多次出现泄漏而影响生产。2001年5月检修时更换新型波齿复合垫片，使用至今，效果良好。