王修慧 李慧芳 钱才富

摘要：為分析金属缠绕垫片结构参数对螺栓法兰连接系统密封失效的影响规律，以柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片为研究对象，采用试验与数值模拟相结合的方法研究垫片的压缩-回弹性能，并以垫片外缘最小压应力为指标分析螺栓法兰连接系统的密封性能，考核垫片结构参数对垫片外缘最小压应力和密封性能的影响。结果表明：试验与有限元数值模拟得到的柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片的非线性压缩-回弹曲线吻合很好;与工程常用的柔性石墨-不锈钢金属缠绕垫片结构参数相比，适当减小金属带宽度、石墨带宽度、缠绕层数及金属带角度可以在不同程度上提高螺栓法兰连接系统的密封性能。

关键词：金属缠绕垫片;压缩;回弹;压应力;金属带;结构参数

中图分类号：TP391.99;TQ051.3

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2021）03-0055-06

DOI：10.13340/j.cae.2021.03.010

Abstract：To analyze the influence of structural parameters of metal spiral gasket on sealing failure of bolted flange connection system， the flexible graphite-stainless steel spiral gasket is studied. The compression-rebound performance of the gasket is studied by means of test and numerical simulation. Taking the minimum compressive stress at the outer edge of the gasket as the index， the sealing performance of the bolted flange connection system is analyzed， and the influence of gasket structural parameters on the minimum compressive stress of gasket outer edge and sealing performance is studied. The results show that the nonlinear compression-rebound curves of flexible graphite-stainless steel spiral gasket obtained by finite element numerical simulation agree well with the test results. Compared with the structural parameters of flexible graphite-stainless steel metal spiral gasket commonly used in engineering，  the sealing performance of bolted flange connection system can be improved to varying degrees by appropriately reducing the width of metal belt， the width of graphite belt， the number of winding layers and the angle of metal belt.

Key words：metal spiral gasket;compression;rebound;compressive stress;metal belt;structural parameter

由于垫片的工作过程有压缩和回弹2个阶段，因此设置2个载荷步进行模拟。第一个载荷步模拟压缩过程，对上法兰施加轴向位移载荷;第二个载荷步模拟卸载过程，使上法兰回到初始位置。为得到多条卸载曲线，对上法兰分别施加0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8 mm的位移载荷进行模拟。

1.3 有限元模拟结果

1.3.1 垫片压应力计算

垫片的实际承载体是其缠绕部分，标准中规定没有柔性石墨带填充的金属带不计入密封面，因此，垫片的实际密封面积

式中：S为垫片缠绕部分面积，mm2;D3为垫片缠绕部分外径，mm;D2为垫片缠绕部分内径，mm。

垫片上的压应力

式中：F为垫片上的压力，即下法兰的支反力。……