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膨胀石墨复合垫片的结构及密封性能
时间: 2020-03-03 02:18     作者: 大发黄金版网页版登录官方

  80年代初新型碳材料快速发展起来,对许多工业生产起着至关重要的作用,被誉为21世纪材料科学领域中最具研究价值的材料。

  20世纪60年代后期,美国联碳公司用膨胀石墨制成密封材料,从而诞生了第二代密封材料。1971年美国洛克惠尔阀门工程设计中心为解决原子能阀门泄漏问题,对其国内的某九家公司生产的各种不同类型的密封结构在预设的64个试验地点均进行了对比研究。结果表明,膨胀石墨材料的密封效果最好。因而,一些发达国家如美、日、法等对这种密封材料做了进一步的深层次研究,加快了膨胀石墨材料在密封领域的发展速度,使这种髙效节能的新型多孔碳材料成为世界上备受关注的密封材料。

  自1978年起我国才开始钻研膨胀石墨材料及其复合材料制品,近几年发展速度也很快。黄卓明等研究了柔性石墨在泵类动密封上的应用,证明了柔性石墨填料密封优于浸油面纱、石棉盘根和橡胶盘根等填料密封,而且柔性石墨在碱液、稀硫酸、浓硫酸和有机溶剂中耐腐蚀且化学稳定性好;姜放对膨胀石墨填料密封流体压力的分布进行了研究,得出了填料环的数量、结构、大小及刚度对整个填料密封流体泄漏压力分布曲线的影响,并提出使用不同密度相同规格的填料环组装在同一填料函中,可使流体泄漏压力分布较为合理的见解;顾伯勤等人对不锈钢柔性石墨缠绕垫片的高温性能进行研究,实验结果表明其压缩量随试验温度和垫片压紧应力的增大而增大,垫片的回弹性能随温度的升高而下降,其压缩回弹曲线具有非线性和非保守性,而且这种垫片由金属和非金属组成,常温下亦有蠕变发生,蠕变量随温度的升高而增大;周庭年等人以蔗糖水溶液浸渍的膨胀石墨经高温处理达到在石墨层间结构中渗碳的目的,提高了膨胀石墨材料的压缩性能并提出以此渗碳材料为基体进一步与不锈钢丝制成夹层复合材料可提高抗拉强度40%左右;河南冶金设备联营公司经过几年研究,在膨胀石墨平面密封体技术上有了新的突破,提高了密封可靠性,实现了高温密封材料的更新换代,达到了增产节约的目的。

  作为一种新型功能性碳素材料,膨胀石墨(Expanded Graphite,简称EG)是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。EG 除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能以外,还具有天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性、耐辐射性等特性。[1] 早在19世纪60年代初,Brodie将天然石墨与硫酸和硝酸等化学试剂作用后加热,发现了膨胀石墨,然而其应用则在百年之后才开始。从此,众多国家就相继展开了膨胀石墨的研究和开发,取得了重大的科研突破。

  膨胀石墨是由天然石墨鳞片经过化学处理,高温下瞬时膨胀改性而成。它不仅拥有天然石墨优良的化学性能,而且具有了更多独特的机械性能,是目前适用范围广、密封性能良好的理想密封材料。主要性能介绍如下:

  (1)密度:石墨鳞片经髙温膨胀后便制成具有疏松多孔微观结构特征的膨胀石墨。其堆积密度一般为0.002~0.005g/cm3,成品密度为0.8~1.8g/cm3,因而它的质量较轻、可塑性较好;

  (2)纯度:膨胀石墨制品中碳元素的含量最多,固定的碳含量可达98%左右,有些特殊处理过的膨胀石墨材料其含碳量可超过99%,可以满足许多工业部门对密封件高纯度的要求。

  (3)稳定性:理论上说,膨胀石墨制品能在-200℃~3000℃下使用,作为密封

  填料可在-200℃~800℃安全使用。能保证低温不脆化、不老化,高温不软化、

  不变形、不分解。而且膨胀石墨还具有较小的热膨胀系数,使其稳定性更好,在高温和温度剧变的工况下也能良好的密封。

  (4)耐放射性:受中子射线、γ射线、α射线、β射线等长期照射而不发生明显变化。

  (5)不渗透性:疏松多孔的特殊结构使得其表面积很大,易形成极薄的气膜和液膜从而阻止介质渗透,对很多气体和液体具有良好的不渗透性。

  (6)自润滑性:膨胀石墨仍保持天然石墨鳞片的平面层状结构,外力作用下平面层间易相对滑动而产生自润滑,有效防止轴或阀杆的磨损。

  (7)耐腐蚀性:膨胀石墨具有稳定的化学惰性,除了强氧化剂如王水、硝酸、硫酸和卤素等一些特定介质外,能适应大部分酸、碱、盐溶液、海水、蒸汽有机溶剂等介质。

  (8)可压缩性和回弹性:膨胀石墨制品微观上具有很多可压缩的封闭小空隙,外力作用可被压缩,同时,因小空隙中的空气产生张力而具有很好的回弹性能。

  (9)柔软性:膨胀石墨质轻柔软,易加工,用普通刀具便可切割,可任意卷绕、弯折,具有很多成品形状。

  膨胀石墨独特的优异性能,使得其备受研究者的喜爱,但其本身存在的一些不可忽视的弱点,也限制了它在更广范围内的应用。比如,膨胀石墨疏松多孔的特殊结构使得它具有一定的吸水、吸油性,若用纯膨胀石墨做汽车的汽組垫密封材料,就会造成因吸水、吸油而造成严重泄漏;膨胀石墨是由天然石墨高温处理而得,其内部的结合仅仅靠微弱的范德华力,因而强度较低;耐磨性差,不抗冲刷,因而不能直接用它做某些粟、阀门的密封材料。因而,寻找柔性石墨复合材料成为了国内外从事膨胀石墨研究的科研人员的主要方向,现已取得很大进展。

  机械设备按密封面的相对运动可以分为静密封和动密封两部分,而静密封又是日常生产中常用的密封形式,如管道法兰、螺纹连接、压力容器与盖的密封等,根据工作原理,静密封又可分为螺栓法兰连接垫片密封、自紧式密封、螺纹连接垫片密封和密封胶密封等,其中螺栓法兰连接垫片密封是目前使用最广的一种静密封形式。对于这种密封结构的研究工作主要集中在两个方面:一方面是对于密封材料的性能测试,着重研究材料的制备方法以及实验仪器和方法的科学性、准确性;另一方面,对引起系统密封失效的各种原因做了大量的分析工作,对于不同材料不同形式的垫片,分别研究影响其泄漏率大小的因素。

  为防止流体的泄漏,所用基本方法是在密封口增加流体流动的阻力,当介质通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时,介质就被密封。而介质通过密封口的阻力是借助于施加在压紧面上的比压力实现的,作用在压紧面上的密封比压力越大,则介质通过密封口的阻力越大,越有利于密封。

  螺栓法兰连接的密封失效主要表现为泄漏,一旦发生泄漏就会造成事故,轻则造成能源和设备的浪费,影响正常生产运行造成经济损失,重则可能引起爆炸造成人身伤亡,对环境造成不可估量的污染程度。因而尽可能地减少泄漏、提高对容器和管道等密封系统的密封要求显得更为重要。

  一种是“滲透泄漏”,这种泄漏主要是由于垫片的材料本身具有很多毛细管,流体通过这些毛细管便可产生渗透泄漏,通常介质内压越大、温度越高、介质粘度越小,渗透泄漏的概率就越大。此外,除了这些流体性质及所处的工况条件的影响外,垫片结构类型以及材料性质也是最主要的因素,多发生在非金属塾片密封时,这是由于这些材料本身具有很多微小的间隙,组织疏松,紧密性差。当作用其上很小的压力时,介质就可能很容易地通过大量的毛细血管而发生泄漏。一般来说可以通过对这些渗透性的垫片材料添加某些填充剂。比如用硅酸、磷酸等溶液浸泡的方法进行改良,或与某些不透性材料组合制成复合材料也可减少“渗透泄漏”。

  二是“界面泄漏”,即沿着垫片与法兰压紧面之间泄漏,泄漏量大小主要与界面间间隙尺寸有关。造成这种泄漏的因素主要有两个:(1)加工时密封面凹凸不平或是压紧时力度太小、不均匀,造成了密封面上存在间隙。(2)密封面两侧存在压力差或浓度差。在实际操作时,密封面两侧存在的压力差和浓度差是无可避免的,要想减小这种界面泄漏,就必须提高加工精度,同时要合理给垫片施加压紧力,充分利用垫片产生的压缩回弹形变来填补密封上四凸不平的间隙。

  根据生产工艺及设备安装的需要,化工设备或管道连接多采用可拆式连接结构,如:螺纹连接、插套连接、法兰连接等,而法兰连接又是应用最广泛的可拆式连接,研究法兰连接结构的受力及变形情况成为了重点。依据介质内压和介质类型合理选择法兰、螺栓和塾片的材料以及结构类型,下图为法兰连接结构的一般型式。

  金属齿形垫一般用精密的车床在金属不锈钢平垫片的二面加工成同心的沟槽,根据不同的介质,可选择柔性石墨、PTFE、无石棉板或其它一些软金属,粘贴在垫片的二面。也可不带密封层直接使用,且能达到良好的密封效果,但在高压场合中容易对法兰的表面造成损失。

  根据我国2009年7月实施的化工行业标准《钢制管法兰用具有覆盖层的齿形组合垫》(标准号:HG/T20623-2009),本文选用DN80的金属齿形垫,其金属骨架结构和整体结构形式分别如图4-2、图4-3所示,标准垫片的尺寸大小如表所示。本文主要研究公称直径不变的条件下,金属骨架的齿数N和膨胀石墨覆盖层的厚度S对复合垫片力学性能的影响

  在前处理过程中,金属骨架的材料选用304不锈钢,其弹性模量为2.0x10^11 Pa,泊松比为0.313,剪切模量为7.45x10^11 Pa,屈服极限为2.05X 10^8 Pa,密度为7850kg/m3,单元类型釆用“planel83”;覆盖层的材料选用密度为1000kg/m3的膨胀石墨,其弹性模量为1.0x10^10 Pa,泊松比为0.01,剪切模量为1.0x10^7 Pa,屈服极限为6.0x10^7 Pa,单元类型为“planel82”。由于垫片结构为中心轴对称图形,忽略不计圆周方向上的应力,我们将三维几何模型简化为二维模型进行轴向应力分析。

  Planel82单元是2维4节点实体单元,用于2维模型。每个单元有4个节点,各个节点又有两个自由度,即沿x,y方向的平移。该单元即可作为平面单元(平面应力、平面应变或广义平面应变),也可作为轴对称单元,具有塑性、超弹性、应力强化、大变形、大应变能力以及力一位移混合公式的能力,可以用来模拟几乎不能压缩的次弹性材料和完全不能压缩的超弹性材料的变形。

  Planel83单元是一个高阶2维8节点实体单元,具有二次位移函数,适用于模拟不规则模型的网格划分。该单元由8个节点定义,每个节点有方向两个自由度。与PIanel82单元相似,它也可用作平面单元和轴对称单元。具有塑性、孺变、应力刚度、大变形、大应变的能力,同时具有力一位移混合公式的能力,可用来模拟接近不可压缩的弹塑性材料的变形,支持初始应力选项。并提供不同的打印输出选项。

  ANSYS软件包含了耦合自由度和约束方程的功能,能够实现对刚性区域、某些结构的铰链连接、具有对称性的相对滑动边界、周期条件和其它的特殊内节点连接等细节的准确描述。应用于模型部分的典型的耦合自由度包括:结构对称、在两个重复节点之间形成铰链、销钉、万向节和滑动连接,从而使模型的某一部分表现出刚体的特性。

  本节模拟中为了更好地表现出膨胀石墨复合层的变形协调性,仅仅用常规的单元连接节点不能实现,而必须在上面的复合层上表面上进行耦合自由度的操作,将X方向作为主自由度,约束其上表面各重复节点的X、Y方向上的位移一致,以保证上表面的刚体特性

  定义结构的分析类型为静力分析后,为了得到柔性石墨金属齿形复合垫整体结构的压缩回弹性能曲线,需要使用多步加载方法。首先需要给模型施加边界条件,本模拟中约束所有模型的下复合层的下表面的轴向自由度,即限定UY=0;然后在上复合层的上表面上施加均匀载荷60MPa,设定载荷步选项包括设定载荷步结束时间为lOs、子步数为100以及载荷步的读取方式为每一子步读取结果等,之后进行写载荷步,记为1;最后在上复合层的上表面上施加载荷大小为0MPa的载荷,设定载荷步选项包括设定载荷步结束时间为20s,其它值默认,写载荷步,记为2。其中载荷步1的作用是实现对模型的逐步加载,载荷步2的效果是实现对模型的卸载过程。

  当边界条件和载荷步设定好之后便可开始计算,选择“Solution—Slove—From LS Files完成对多步载荷的求解。

  本文介绍的是一种当前研究界较为关注的垫片一膨胀石墨金属齿形复合垫片。这种垫片以金属波形骨架为基体,在其上覆盖一层一定厚度的膨胀石墨便可得到,它不仅具有金属骨架刚度大、安全可靠的优点,还拥有膨胀石墨良好的压缩回弹性能及耐高低温等特性,收到了双重密封的效果,广泛应用于很多设备密封结构中。目前,对其进行的分析大部分还仅限于实验研究,数值模拟分析甚少,因而本文选用ANSYS软件对这种垫片的密封性能进行数值模拟分析并实现了垫片的结构优化。其中所得的结论包括:

  (1)加载过程中随着载荷步的增加即载荷数值的增大,垫片结构的应力值和位移值均在不断增加,而在卸载过程中该节点的应力值随载荷的减小而减小,这与实际的加载卸载规律一致;

  (2)当膨胀石墨覆盖层厚度为0.5mm时,标准复合垫片(12个齿)以及10个齿的复合塾片其压缩曲线mm)及覆盖层厚度为0.4mm、0.6mm的复合垫片其压缩性能曲线)当膨胀石墨的覆盖层厚度为0.5mm时,齿数为N=10的复合垫片的泄漏率最小,而标准复合垫片(N=12)的泄漏率却是最大;

  (5)当金属骨架的齿数为12个时,膨胀石墨覆盖层的厚度为的复合垫片的泄漏率最小,泄漏率的最大值仍然是标准复合垫片的泄漏率数值。

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