随机参数影响下橡胶密封垫的应力松弛特性
盾构管片接缝渗漏水原因分析及防水措施研究探讨
盾构管片接缝渗漏水原因分析及防水措施研究探讨发布时间：2022-07-20T02:11:48.669Z 来源：《建筑设计管理》2022年第4期作者：胡奎[导读] 盾构隧道管片之间大量的环向、纵向接缝是防水最为薄弱的部位胡奎中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司无锡摘要：盾构隧道管片之间大量的环向、纵向接缝是防水最为薄弱的部位，也是防水设计最为重要的环节。
管片接缝通常设置橡胶密封垫进行防水，橡胶具有非常优异的弹性及压缩反力。
但同样橡胶也具有非常优异的伸长率，这一特性在管片拼装时挤压拉伸变形会影响接缝防水效果，尤其在封顶块位置最为明显。
对盾构隧道管片拼装过程中影响接缝防水常见的问题点进行梳理，结合施工过程中的实际情况提出相对应的措施，并进行研究探讨。
关键词：管片接缝；拉伸变形；封顶块；渗漏一、研究背景：盾构隧道在建设及运营过程中管片接缝处常会有渗漏水的情况，管片接缝防水问题严重影响了后期隧道运行的质量，在后期维保过程中对于管片接缝处的处理很难根治。
管片接缝渗漏水多在封顶块位置，这是由于封顶块拼装过程中密封垫受挤压拉伸影响被挤出管片沟槽，错缝拼装时密封垫被挤出部分无法压缩而产生应力集中导致管片角部渗漏水，甚至会造成管片的破裂。
目前大直径、高埋深或地层复杂的盾构隧道为避免管片间出现较大的错位量，会在管片环缝甚至凹凸榫或剪力销进行管片拼装限位。
环缝带有凹凸榫或剪力销的管片在拼装时需将纵缝间先进行拼紧在向环向推进，在这过程中纵缝密封垫存在相互压缩后滑动的情况，纵缝密封垫易脱出管片沟槽造成密封垫角部堆积，引起管片角部防水隐患。
二、管片接缝渗漏水原因分析：1.管片接缝大面积出现渗漏：密封垫在设计阶段通常进行大量的试验验证，密封垫的防水能力是可以保证的。
现场出现接缝大面积渗漏，且管片张开及错位量都符合设计要求，导致这种问题出现可能是密封垫的弹性不满足要求，密封垫在压缩后其弹性较差，难以起到防水效果。
如图1.1所示。
决定橡胶密封能力的几个因素_赵志正
决定橡胶密封能力的几个因素赵志正 (中橡集团西北橡胶塑料研究设计院712023)编译 分析研究了各种因素(石油、海水、胺、甲醇、H2S等腐蚀性介质以及挤出、爆破压降)对在近海区域开采石油和天然气时使用的丁睛橡胶、氢化丁睛橡胶、氟橡胶、全氟弹性体、四氟乙烯与丙烯共聚物为基础的橡胶密封件的影响。
关键词: 橡胶密封件,密封能力,近海开采,石油,天然气,腐蚀性介质 橡胶制品经常在近海区域开采石油和天然气时使用。
橡胶之所以能作为密封件材料使用,主要是因为它在宽阔的范围内具有补偿金属结构件公差的能力。
与其它材料(热塑性塑料、金属)相比,橡胶更能保证良好的密封性。
作为密封材料橡胶优于金属,它在小的应力作用下能产生大的变形。
因此,通过橡胶密封件的形变就能补偿公差,不需要大的接触应力,在装配密封件时可能有相对较大的压缩变形(10%～30%)和较大的拉伸变形(50～100%)。
与塑料不同,橡胶密封件有能力补偿轴心差和振动,橡胶材料的蠕变性较小。
与塑料和金属不同还在于它的可压缩性较小。
有可能在不发生体积变化的情况下,保证外来压力的分布,如同在液体中所发生的那样。
在海底使用的设备中采用的橡胶制品,在整个使用期内应该具有合格的工作性能力,这是因为其更换非常麻烦且费用也很高。
勘探和开采石油及天然气的条件对橡胶来说是极为苛刻的使用条件。
橡胶一般应当具备耐压差、耐高、低温、耐液态烃、化学活性物质和酸性瓦斯(H2S)的性能。
作为密封材料,橡胶的不足之处是:(1)工作温度范围较窄(取决于橡胶的种类);(2)有限的耐腐蚀性介质性能;(3)耐压力爆破作用有限(取决于橡胶种类和使用条件);(4)硬度相对较低,这会使橡胶被挤入小的间隙(密封用)中,会引起密封件损坏、密封失败并造成材料损失。
密封失效的类型 在分析密封件特有的工作能力之前,必须更深入地分析可能发生的密封失效的类型。
从广义上说,由于性能降低(如刚性变化、溶胀、挤入间隙中、收缩、裂纹增长或瞬间破坏),橡胶密封件就丧失了工作能力。
应力松弛
（2）应力松弛
所谓应力松弛，就是在固定的温度和形变下，聚合物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。
这种现象也在日常生活中能观察到，例如橡胶松紧带开始使用时感觉比较紧，用过一段时间后越来越松。
也就是说，实现同样的形变量，所需的力越来越少。
未交联的橡胶应力松弛较快，而且应力能完全松弛到零，但交联的橡胶，不能完全松弛到零。
线形聚合物的应力松弛的分子机理如图7-50所示，拉伸时张力迅速作用使缠绕的分子链伸长，但这种伸直的构象时不平衡的，由于热运动分子链会重新卷曲，但形变量被固定不变，于是链可能解缠结而转入新的无规卷曲的平衡态，于是应力松弛为零（图7-50）。
交联聚合物不能解缠结，因而应力不能松弛到零。
应力松弛同样也有重要的实际意义。
成型过程中总离不开应力，在固化成制品的过程中应力来不及完全松弛，或多或少会被冻结在制品内。
这种残存的内应力在制品的存放和使用过程中会慢慢发生松弛，从而引起制品翘曲、变形甚至应力开裂。
消除的办法时退火或溶胀（如纤维热定形时吹入水蒸汽）以加速应力松弛过程。
决定橡胶密封能力的几个因素--重要
须要解决的问题. 北海的典型温度(^10) < - C和 4 0
某些橡胶( 特别是全氟橡胶 P K 的玻璃化 F M) 温度( ,十分接近.在这种条件下用来制造密 T) 封件的橡胶材料会丧失高弹性 , 密封件就会失 效. 文中论述的橡胶的T 值列于表 2 为了使 , . 密封件能在接近零度的地区或在更低温度的地
这就会使橡胶制品的可靠性降低, 就是说容易
万方数据
·3 · 2
世
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2 0 0 1
受到下列因素, 如外界压力, 热膨胀造成的挤人 到间隙中, 收缩或者爆破压降引起的破坏. 1 图 示出在温度升高的情况下弹性模量和撕裂强度 的变化情况. 根据这些数据可以得出结论 : 必须 在实际工作的温度下, 而不是按老办法在室温 下对材料进行试验.甚至通常被认为是耐高温 的材料也会发生性能下降现象.随着温度的升 高模量和撕裂强度减小, 这会导致这两个指标 值低于保持工作能力必需的数值.P K 和 FM TE F P橡胶的变化最大.P K 在 1 O下撕 FM 5 C 裂强度实际上已下降到零.这就意味着尽管这 种弹性体能抗耐很高的温度, 但在可能发生爆 破压降和挤出到间隙中的条件下使用时不得麻 痹大意. 在高温下, 由于橡胶和制做密封接头的 金属的热膨胀系数差异甚大, 密封件可能产生
抽的株胶密封件的影响.
关健词 : 株胶 密封件 , 密封能力 , 近海开采 , 石油 , 天然气, 腐性性介居
橡肺制品经常在近海区域开采石油和天然
气 l 橡胶之 能 密 O使用. t 所以 作为 封件材 使用, 料
主要是因为它在宽阔的范围内具有补偿金属结
从广义上说, 由于性能降低( 如刚性变化, 溶胀, 挤人间隙中, 收缩, 裂纹增长或瞬间破
橡胶密封制品使用及验收技术标准(草稿)
24±0.25 26±0.35 33.5±0.35 35.5±0.35 37.5±0.35 39.5±0.35 41.5±0.40 43.5±0.40 41.5±0.40
14±0.20 15±0.20 20±0.25 21±0.25 22±0.25 23±0.25 25±0.25 27±0.35 27±0.35
h1
10±0.20 10±0.20 10±0.20 10±0.20 10±0.20 10±0.20
t1
24±1.00 26±1.30 26±1.30 26±1.30 26±1.30 26±1.30
t3
10±0.70 10±0.70 10±0.70 10±0.70 10±0.70 10±0.70
16±0.20
GB/T528-1998
-30~ -30~ -40~ -40~ +10 +10 +10 +10
GB/T1685-2008 GB/T1690-1992 GB/T7762-2003
14 16
17
18
20 23
25
26
-1~ -1~ -1~ -1~
+8 +8
+8
+8
在未经放大的情况下观察，无裂
纹
4.4 卫生性能要求 橡胶密封圈的材料在使用条件下不应损害水质，应符合表 4 的要
a）贮存温度不以高于 25 摄氏度，最好为 15 摄氏度以下； b）密封制品宜避光贮存，尤其要避免强阳光和高紫外线含量的人 造光的照射； c）在存放密封制品的房间内，不宜有可产生臭氧的设备； d）密封制品宜无拉伸、无压缩、无其他形变的松弛方式存放； e）贮存密封制品的环境宜保持清洁。 4.5.4 疵点与缺陷 橡胶密封制品应没有可影响其功能的缺陷或不规整性。疵点应按 GB/T 17604-1998 进行如下分类： a）在密封工作面上的表面疵点，如 GB/T 17604-1998 中 4.1.1 所 述，应认为是缺陷。 b）在非密封工作面上的表面疵点，如 GB/T 17604-1998 中 4.1.2.1b 所述，不认为是缺陷。 c）在非密封工作面上严重的表面疵点，如 GB/T 17604-1998 中 4.1.2.1a 所述，可认为是缺陷。 d）GB/T 17604-1998 中 4.2 所述的内部疵点可认为是缺陷。 这宜由有关各方协商而定；可接收质量标准与密封制品的型式和 结构有关。 4.5.5 管道安装前，应对管材、管件的适配性和公差进行检查。 当采用法兰连接时，衬垫不得凸入管内，其外边缘宜接近螺栓孔。 4.5.6 不得采取放入双垫或偏垫的密封方式。应先将法兰密封面 清理干净，垫圈放置平正。
橡胶密封圈松弛度
橡胶密封圈松弛度橡胶密封圈作为一种常用的密封元件，在工业生产中起着至关重要的作用。
而密封圈的密封效果与其松弛度密切相关。
在实际工作中，橡胶密封圈的松弛度会随着时间的推移而逐渐增加，从而影响其密封效果。
因此，研究橡胶密封圈松弛度对于保证设备正常运行、延长设备使用寿命具有重要意义。
一、密封圈松弛度的定义与影响因素橡胶密封圈的松弛度是指在一定工作温度和压力条件下，密封圈在使用一段时间后发生的变形程度。
密封圈的松弛度不仅与其材料的性能有关，还受到许多因素的影响，如工作温度、压力、介质的性质等。
橡胶密封圈在长期使用过程中，由于内部分子链的运动和断裂，会导致其材料的弹性模量降低，从而引起密封圈的松弛度增加。
二、橡胶密封圈松弛度的测量方法为了准确评估橡胶密封圈的松弛度，可以采用不同的测量方法。
常用的方法包括拉伸试验、压缩试验和蠕变试验等。
拉伸试验通过拉伸试样来评估密封圈的弹性模量和拉伸强度，从而间接反映其松弛度的变化；压缩试验则通过将密封圈置于一定压力下进行测试，观察其压缩变形情况；蠕变试验则是测试密封圈在一定应力和温度下的持久变形情况。
三、橡胶密封圈松弛度的影响因素分析橡胶密封圈松弛度的增加与许多因素密切相关。
首先是工作温度的影响。
一般而言，密封圈在高温环境下工作，其松弛度增加的速度会更快。
高温会导致橡胶材料内部分子链的运动加剧，从而加速密封圈的松弛过程。
其次是工作压力的影响。
高压力会使密封圈更容易发生变形，导致其松弛度增加。
此外，介质的性质也会对密封圈的松弛度产生影响，一些化学性质较强的介质会对橡胶材料产生损害，加速密封圈的松弛过程。
四、橡胶密封圈松弛度对设备性能的影响密封圈作为设备中重要的密封元件，其性能直接影响着设备的正常运行。
橡胶密封圈松弛度的增加会导致密封效果降低，从而可能引起泄漏等问题，影响设备的密封性能。
同时，松弛度增加还可能导致密封圈与被密封件之间的间隙增大，影响设备的稳定性和安全性。
因此，及时监测和评估橡胶密封圈的松弛度，对于确保设备的正常运行和延长设备寿命至关重要。
垫片的密封应力
螺栓法兰接头安全密封技术（四）——垫片密封应力——摘要：在法兰接头设计或选用中，垫片虽然成本相对较低，但在保证连接密封性能、控制泄漏要求方面起着重要的作用。
人们往往容易将泄漏的原因集中在垫片上，当然有垫片本身的原因，但更多的是法兰连接系统的设计或选用中存在的许多问题，最后通过垫片密封应力的降低表现了出来。
在法兰接头安装过程以及后续的各种使用过程中，垫片密封应力的大小和变化受到众多因素的影响。
当垫片的密封应力降低到低于设计要求的基准值时，其结果是导致法兰连接的密封失效、发生泄漏。
本文分析了引起垫片密封应力降低的影响因素及其原因，介绍了估算方法，提出要减小弥补这样的影响，维持法兰接头的密封状态，初始安装螺栓载荷应足够大。
同时螺栓也要有足够的强度，能承受相应的拉伸载荷及其可能的增加量。
前言螺栓连接法兰接头的强度和密封性能对于承压设备/装置以及管道系统的正常、安全运行非常重要。
法兰连接强度的保证，在承压设备行业（包括锅炉、压力容器、压力管道）长期以来都非常重视，当然这很重要，但对于其密封性能的保证或评估国内却较少有研究。
螺栓垫片法兰连接的泄漏途径，一个是通过垫片内部的渗透泄漏，另一个是通过垫片与法兰密封面之间的间隙的界面泄漏，界面泄漏是最难对付的。
通常，我们考虑通过选用不同材料和类型垫片用于不同的设计工况条件以及在垫片表面途密封剂量等方法，达到减少/控制泄漏的目的。
要控制法兰接头的泄漏，仅仅通过采用各种措施消除垫片与法兰密封面之间的间隙/泄漏通道是远远不够的，最重要的是无论在安装阶段、还是各种使用过程中，当螺栓/垫片有蠕变松弛产生、当有介质压力等外载荷/温度等作用下，垫片与法兰密封面上必须始终保持/维持有足够的压缩应力，本文称之为“垫片密封应力”。
所以，法兰接头的强度和密封需要通过螺栓提供足够的夹紧力和垫片密封应力，来承受介质压力或各种外载荷，保证垫片的密封应力在安装以及随后的各种工况条件下都维持在设计要求的基准值以上，才能获得有效的密封、控制泄漏。
密封垫损坏的原因分析
密封垫损坏的原因分析1、密封定义a.定义：密封垫片是一种柔性的、可压缩的环形元件，用于填充两个接合部分之间的间隙，以防止介质泄漏或渗透。
b.功能：创建密封界面：密封垫片填补接合部分的微小间隙，确保介质无法通过。
承受压力和温度：密封垫片能够承受来自压力和温度变化的负荷，2、保持密封性能。
缓解振动和冲击：密封垫片能够减少机械振动和冲击的影响，提高系统的稳定性和可靠性。
3、密封垫片种类密封垫片多种多样，具体选择取决于应用的要求、工作条件和介质特性。
以下是一些常见的密封垫片和它们的应用领域：金属垫片：通常由金属材料制成，用于高压和高温的密封应用，具有高强度和耐压性能，常用于化工、石油、能源等行业。
石墨垫片：石墨垫片由石墨材料制成，具有优异的耐温性和耐腐蚀性能。
它适用于高温、高压和腐蚀性介质的密封需求，常用于石油化工、电力等行业。
聚四氟乙烯（PTFE）垫片：PTFE垫片是一种具有优异耐腐蚀性和低摩擦系数的材料。
它具有出色的耐高温性能，可以承受极低温度和高温度条件。
PTFE垫片常用于化工、制药、食品等领域的密封应用。
纤维素纸垫片：纤维素纸垫片如纸垫片、石棉纸垫片等，具有较好的密封性能和耐温性。
它们适用于一般介质和中低温条件下的密封，常用于机械设备、电力设备等行业。
橡胶垫片：橡胶垫片常用于一般介质和温度条件下的密封。
它们具有良好的弹性和密封性能，适用于管道、阀门、泵等设备的密封。
橡胶垫片广泛应用于自动化、化工、食品加工等行业。
以上只是部分的密封垫片及其应用领域，具体选择应根据实际情况进行评估，包括工作环境、介质特性、压力要求、温度范围以及预算等因素。
4、垫片破损的原因1）机械应力a. 压力变化和挤压力 :密封垫片在受到压力变化和挤压力时可能承受过大的力量，导致垫片变形、损坏或失效。
b. 摩擦和磨损：密封垫片在与相邻部件接触时，由于摩擦力和剪切力的作用，可能发生表面磨损、磨粒进入垫片表面，导致破损。
c. 振动和冲击设备的振动和冲击会产生动态应力，对密封垫片造成额外的负荷，导致疲劳和破损。
PEMFC密封结构的泄漏机理模型及应力松弛影响
第49卷第5期2021年5月华中科技大学学报（自然科学版）J. Huazhong Univ. of Sci. & Tech. (Natural Science Edition)Vol.49 No.5May 2021DOI：10.13245/j.hust.210521PEMFC密封结构的泄漏机理模型及应力松弛影响肖彪u刘水2黄晓明2张永1(1.空调设备及系统运行节能国家重点实验室，广东珠海519000:2.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉430074)摘要针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的金属双极板的压缩密封结构，提出一套泄漏率理论预测方法.该方法 以基于粗糙间隙流动数值分析的泄漏机理模型为基础，耦合了粗糙元微观力学变形特性分析和橡胶垫片宏观力学 变形特性分析，由于不依赖任何经验参数，因此可以定量评价各种因素对密封结构密封性能的影响，包括密封材 料的长期应力松弛行为.与己有实验研宂相比较，所提出的泄漏率预测模型具有较高的精度.根据进一步的计算 分析，为维持长期泄漏率在20 mL/s以下，密封结构参数可参考如下方案：双极板粗糙度低于15 n m,硅橡胶平 垫片邵氏硬度在50〜60范围内，初始压缩率在15%以上.研究结果可为PEMFC密封结构设计提供理论指导.关键词质子交换膜燃料电池(PE M FC);金属双极板；硅橡胶：密封设计；泄漏率预测中图分类号TB42 文献标志码A 文章编号1671-4512(2021)05-0116-06Leakage mechanism model and stress relaxation effect of PEMFC seal structure XIAO Biao'1LIU Shut2HUANG Xiaoming2ZHANG Yong'(1. State Key Laboratory of Air-conditioning Equipment and System Energy Conservation, Zhuhai 519000, Guangdong China；2. School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074，China)Abstract A theoretical prediction method of leakage rate was proposed for the compression seal structure of metal bipolar plate of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). The method was on basis of the leakage mechanism model based on numerical analysis of rough gap flow, and was coupled with the microscopic mechanical deformation analysis of rough elements and the macroscopic mechanical deformation analysis of rubber gaskets. The proposed method could be used to quantitatively evaluate the influence of various factors on the sealing performance of the seal structure, including the long-term stress relaxation behavior of the sealing material, without relying on any empirical parameters. Compared with the existing experimental research* the proposed leakage rate prediction model has higher accuracy. According to further calculation and analysis* to maintain the long-term leakage rate below 20 mL/s, the parameters of seal structure can be referred to the following scheme* that is roughness of bipolar plate less than 15 (im，Shore hardness of silicon rubber flat gasket within 50〜60，and initial compression rate more than 15%. Research results could provide theoretical guidance for the seal structure design of PEMFC.Key words proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)；metal bipolar plate；silicon rubber；sealing design；leakage rate prediction因高能效、无污染、便携等优点，质子交换膜 燃料电池(PEMFC)在移动电源、小型固定发电站和 电动汽车等领域备受青睐，是一种极具潜力的能源 装置PEMFC的基本结构包括双极板、扩散层和膜电极等.燃料气体和氧化气体分别通过两侧的 双极板进入与之相邻的扩散层，在膜电极相遇后发 生电化学反应，生成水并释放电能.反应气体外漏 或交混会严重影响电池工作性能，甚至引发安全事收稿日期2020-10-20.作者简介肖彪(1978-)，男，博士研究生，E-mail: ****************.com.基金项目国家重点研发计划资助项目(2020YFB1901400);国家重点实验室开放课题(ACSKL2019KT05).第5期肖彪，等：PEMFC密封结构的泄'漏机理模型及应力松弛影响1 17故，因此在双极板和扩散层之间须采取一定的密封 措施，如设置密封沟槽和密封圈12乂在正常运行条 件下，燃料电池内部聚集了电化学反应、传热传质 和结构受力等多种作用，密封圈始终工作在复杂环 境中.电池内部的压力波动、温度循环、酸性溶液 及应力松弛等效应均会导致其密封性能的下降.不 少研宄者针对PEMFC工作环境对密封性能的影响 展开研究.文献[5-7]研究了酸性溶液和温度循环条 件下硅橡胶材料力学特性的变化.文献[8]基于有 限元方法研究了内部压力对密封圈力学变形的影 响.文献[9-11]开展了 一系列工作研宄应力松弛对 密封力的影响.这些研究工作揭示了影响因素与密 封性能之间的定性关系，但因缺乏相应的量化分 析，难以直接应用于指导密封结构的设计.除了应对严苛的工作条件，PEMFC密封结构 设计还必须考虑两个特殊要求.首先是密封结构的 长效性.封装后的燃料电池难以拆卸，密封圈也因 此属于非可更替部件，即密封结构的可靠性直接影 响电池的安全性和耐久性.其次，密封力的选取须 要综合考虑电池整体性能.密封圈的设计一般要求 选取较大的压缩力以抵抗老化松弛效应，然而过大 密封力可能导致PEMFC核心部件膜电极和扩散层 受到力学破坏而影响其传输特性，而目前PEMFC 的密封设计主要依据通用机械行业制定的相关标 准，密封有效性的检验则依赖于气密性检测结果，这些方法均无法考量PEMFC密封设计的特殊性.本研宄致力于发展一套适用于燃料电池密封结 构的泄漏率预测方法，更好地揭示各种因素对其密 封性能的定量影响，同时可以预测密封圈是否能够 满足燃料电池工作的特殊要求.1密封圈界面泄漏机理模型1.1粗糙界面内气体流动模型PEMFC通常采用压缩密封的方法，即在双极 板之间使用固态或胶态垫片，通过外加压力使垫片 变形以阻断气体泄漏途径.实际上，双极板和垫片 之间因为机加工粗糙度难以实现完全接触，气体会 穿过接触界面而发生微量泄漏，即界面泄漏.金属 双极板往往采用一次成型的加工方法，其粗糙度通 常可以达到10 以上，远大于一般精加工的法兰表面(粗糙度大约为1〜2 nm),因此对金属双极板 密封结构的密封特性研究可以聚焦于界面泄漏的预 测与控制.目前，较少有合适的机理模型来指导界面泄漏分析，关键原因是难以定量表征密封界面复杂微观 形貌对气体流动的影响.本研究在前期研究im41中采用介观格子布尔兹曼方法(LBM)研宄了粗糙间隙 内气体流动特性，该方法基于粗糙表面三维数值重 构技术建立虚拟界面泄漏通道，进而利用LBM仿真分析气体粗糙界面对气体流动的影响.仿真研究发现：当通道高度保持不变时，界面 中流体的流动仍保留了平板Poiseuille流动的特征. 因此可以定义一个粗糙流量因子軋，即H〇lQ v，(1)式中：2。
基于Abaqus的橡胶密封垫对比分析
基于Abaqus的橡胶密封垫对比分析作者：陈思徐熹杨怀刚曾庆强来源：《计算机辅助工程》2013年第05期摘要：针对某型发动机开发中的橡胶密封垫密封问题，利用有限元分析软件Abaqus建立橡胶垫及其边界的有限元模型，讨论不同条件下密封垫的力学性能.为橡胶密封结构的设计计算提供一条新途径.关键词：橡胶；密封；有限元； Abaqus中图分类号： U464.132； TB115.1文献标志码： B引言橡胶密封件的失效主要表现为密封处的泄漏和密封件的损坏，最终导致失去密封性，产生泄漏.橡胶密封件泄漏的原因主要包括初始压缩量过小、密封表面质量差以及衬料选择和安装不当等.橡胶密封的原理是依据安装时密封件产生一定的压缩变形，使密封件与密封面紧密贴合，达到堵塞泄漏的目的.如果初始密封量过小，在低压时就会产生泄漏.一般，密封结构的装配关系和几何形状比较复杂，其中，橡胶密封元件具有非线性本构关系，会导致结构受力变得复杂，承载后出现大位移和大应变.因此，传统的设计方法在试验前不能预先对密封结构的性能进行评价，只能依赖于设计者的经验，不能满足现代精确设计的要求.本文针对某型发动机开发中的橡胶密封垫密封问题，利用有限元分析软件Abaqus建立橡胶垫及其边界的有限元模型，讨论不同条件下密封垫的力学性能，为橡胶密封结构的设计计算提供一条新途径.1Abaqus非线性超弹性模型随着社会的发展和科技的进步，CAE已经历50多年的发展，其理论和算法都已日趋成熟，现已成为工程和产品结构分析中不可或缺的重要工具.Abaqus具有强大的非线性分析能力，可以解决从相对简单的线性分析到复杂的非线性问题.1.1超弹性材料的本构方程确定弹性体材料的非线性特性非常困难，超弹性材料的模拟运用的是基于应变能密度的本构理论.这些本构方程主要有2类：第一类认为应变能密度是主应变不变量的一个多项式函数，当材料不可压缩时，该材料模型通常被称为Rivlin 材料，如果仅仅一次项被采用，那么模型被称为MooneyRivlin材料.第二类认为应变能密度是3个主伸长率的独立函数，如Ogden，Peng和PengLandel材料模型.[1]1.2两参数的MooneyRivlin模型常数的确定1.2.1利用橡胶的硬度对于橡胶材料，在小应变时弹性模量E0，剪切模量G，材料常数C1和C2的关系为G=E03=2（C1+C2）（6）根据橡胶硬度HA与弹性模量E0的试验数据，拟合得到二者之间的关系式为E0=15.75+2.15HA100-HA （7）记录硬度计读数HA，就可将其转化为弹性模量，再根据公式，只要确定C2/C1的比值，就可以得到C1和C2.1.2.2利用经验公式如果分析人员仅有一个C01值，并想在模型中包含一个非零的C10，则可假定C01=0.25C10，由式（5）可得E=6（C10+0.25C01）（8）C10=E6×1.25 （9）2有限元模型和分析方法某型发动机开发中，凸轮轴座去掉一部分材料后，橡胶密封垫变为单根筋密封，需评估凸轮轴位置传感器位置密封圈是否存在密封失效风险，同时对比2根筋都起密封作用时的情况.发动机模型见图1.图 1发动机模型由于密封垫和缸盖罩的沟槽在结构上是轴对称的，在理想状况下，密封垫沿轴线方向上的载荷也是轴对称的.[2]因此，可以将此处的密封垫密封研究由三维简化为二维问题.缸盖罩、密封垫和凸轮轴座的几何截面模型见图2.图 2截面几何模型选用的橡胶密封垫材料为丙烯酸酯橡胶，硬度（邵尔A型）为65.通过式（7）得到弹性模量E0，再根据经验公式，得C01=0.110 691，C10=0.427 63.缸盖罩与凸轮轴座为解析刚体模型，无需划分网格；密封垫为可变形体，网格划分情况见图3.边界条件为对凸轮轴设置固定约束，限制其各个方向的平动和转动自由度.[3]对缸盖罩施加向下1.8 mm的位移.密封垫与缸盖罩及凸轮轴座定义有限滑移（finite sliding）接触关系，摩擦类型为库伦摩擦，摩擦因数为0.11.（a）单根筋密封（b）2根筋密封图 3有限元模型3计算结果和分析压应力结果见图4，可知，单根筋与2根筋密封时，上、下接触面的接触应力均大于1 MPa，密封垫能很好地保证密封效果.接触压力的大小反应密封垫的密封能力，保证密封的必要条件是最大接触压力大于或等于油压.（a）单根筋密封（b）2根筋密封图 4压应力结果， MPavon Mises应力结果见图5，可知，单根筋密封的最大von Mises应力为2.16 MPa，而2根筋密封的von Mises应力为0.92 MPa.这是由于单根筋时，密封垫与凸轮轴接触会有一定的倾斜所致.最大von Mises应力反应截面上各主应力差值的大小，一般，von Mises应力越大，将越加速橡胶材料的松弛，造成刚度下降，材料越容易出现裂纹.压缩率过大会出现应力松弛.在静密封时，油封介质为油/空气，压缩率在15%～25%为佳.因此，如图6所示，单根筋密封的最大应变为49.37%，有出现应力松弛的危险.（a）单根筋密封（b）2根筋密封图 5von Mises应力结果， MPa（a）单根筋密封（b）2根筋密封图 6应变结果4结束语凸轮轴座去掉一部分材料后，虽然密封垫只有一根筋产生密封作用，但是能很好地保证密封效果.由于其接触时有一定的倾斜，会产生较大的von Mises应力和过大的压缩率，加速橡胶的松弛，造成刚度下降，在后续设计中应修改橡胶垫的结构.相较于传统的设计方法，运用Abaqus能有效预测橡胶密封垫的载荷分布，能更直观、定量地了解橡胶密封垫在工作时的应力应变状态，减少试验费用，缩短产品的设计周期，是橡胶密封设计和优化的理想工具.参考文献：[1]王伟，邓涛，赵树高. 橡胶MooneyRivlin模型中材料常数的确定[J]. 特种橡胶制品，2004（8）： 810.[2]尚付成，饶建华，沈钦凤，等. 超高液压下O形橡胶密封圈的有限元分析[J]. 液压与气动， 2010（1）： 6769.[3]石亦平，周玉蓉. Abaqus有限元分析实力讲解[M]. 北京：机械工业出版社， 2006.（编辑陈锋杰）。
蠕变松弛性能是表征密封材料最重要的性能之一
1 引言蠕变松弛性能是表征密封材料最重要的性能之一。
它反映了密封材料抵抗应力松弛和变形的能力，是一种瞬时的应力-应变关系，与温度、时间、初应力、密封板材厚度等多种因素有关。
通常蠕变松弛越慢，则残余压缩载荷越大，密封性能越好。
对于非石棉密封垫片，垫片的蠕变变形和螺栓残余载荷是最有效的质量评定指标。
密封材料的一系列的寿命和使用温度预测均是建立在蠕变和松弛的基础上，而螺栓的松弛归根结底又是由垫片的蠕变引起的，因此密封垫片的蠕变行为直接影响密封材料的长期行为。
无石棉密封材料是一种多组分的复合材料，主要包括非石棉增强纤维、粘结剂(胶乳)、填料和化学助剂等组分，各组分的性质和含量均影响材料的蠕变松弛性能，因此要描述纤维增强复合材料的蠕变是较困难的。
近年来，无论是无石棉密封垫片材料蠕变松驰过程的理论描述还是实验研究，国内外学者都做了大量的工作，从研究方式上可以分为：理论研究，建立蠕变过程近似模型和蠕变实验研究。
2 理论研究2.1 细观力学模型复合材料在一定应力水平下的蠕变通常有3个阶段。
第一阶段称为暂态阶段，该阶段应变加快，但应变率减小，趋于稳定；第二阶段，应变以几乎不变的速率缓慢增长，这一稳态阶段一般持续时间较长，持续时间的长短主要取决于应力水平；第三阶段，材料由于损伤的积累而接近于破坏，最终导致材料蠕变断裂。
关于纤维增强复合材料的蠕变理论模型，主要有Boltzmann叠加原理、Eshellby模型、自恰模型。
这3种模型在分析之前都进行了大量的假设，所以在描述聚合物基复合材料的应力应变场时显得非常困难。
对于某些简单的情况，例如复合材料在蠕变过程中假设应力保持不变时，Findley 提出幂次律的蠕变关系式为：ε（ｔ）＝ε0＋Ａt n (1)其中，n为材料常数；A和ε0为与应力水平有关的两个函数；ε0表示t＝0时受载的瞬时反映。
这一公式与实际复合材料的实验曲线较符合，可描述蠕变的第一和第二阶段。
但是在密封垫片的实际工作中，垫片的工作载荷是变化的，此时密封垫片的蠕变过程是复杂的，难以正确描述。
垫片密封失效分析及垫片的选用
（２）正确的安装垫片 安装时垫片和法兰表面要保持洁净；应检查毽片表面 是否有径向的划痕，法兰表面粗糙度是否合适，法兰面的凸 台是否对准；密封平面的平行度是否满足使用垫片型式的 要求；检查垫片的形式、材料、尺寸和螺栓是否符合规定的 要求；安装时将垫片放人正确的位置，螺栓须对称逐渐拧 紧，如需一定的螺栓应力，则应使用力矩扳手，以获得正确 的螺栓预紧力。 （３）垫片应合理储存 非金属垫片必须储存于干燥凉爽的地方，不要直接暴 露于阳光下或有臭氧的地方，应该平放『疗ｉ不能挂在钩上，储 存期超过２ ａ须榆查是否已经变质；储存垫片的箱盒必须 标明垫片的材料、形式、尺寸、及温度、压力等级等技术数 据，以免用错。
２０００：３６－－４１．
万 方数据
２００９年第３期
赵春梅．垫片密封失效分析及垫片的选用
５５
径，都能提高法兰抗弯刚度及抗变形能力【１】。 垫片的硬度应低于法兰硬度，在允许范围内，二者之间 相差越大．实现密封就越容易。 １．５密封面没有达到相应要求 法兰密封面的形状和粗糙度应与垫片相配合，一般与 金属垫圈接触的密封面，要求尺寸精度很高，粗糙度在 Ｒａ６．３，３．２，而软质垫片的密封面精度可低些，粗糙度Ｒａ２５— １２．５即可。但密封面必须避免径向机械刻痕、毛刺和其他机 械损伤。 密封面的平直度和密封面与法兰轴线的垂直度是保证 垫片均匀压紧的前提，因此在设计、安装时必须考虑管线热 膨胀造成的推力或偏心力的影响。 密封面不洁净，有机械损伤和腐蚀损坏以及残留的旧 垫片，也会导致垫片密封失效。 ２预防垫片密封失效的措施 由于垫片密封失效问题轻则引起静密封点的跑、冒、 滴、漏，严重者可能造成装置停工，甚至造成重大的火灾、爆 炸、中毒等安全事故。要防止垫片失效，必须注意３个方面 的问题。 （ｉ）合理选用垫片，必要时将垫片升级使用 对于输送易燃、易爆、剧毒及强腐蚀介质的设备、容器、 管线上，不允许使用石棉橡胶垫片，应根据操作条件来提高 垫片的耐温、耐压等级．即选用更高温度压力等级的垫片； 对于有应力松弛，压力、温度波动的介质，即使中低压场合， 也应选用具有良好的回弹性的耐高温高压的缠绕式够片。 使用金属垫片时，应在完全退火的状态下使用，尽可能选用 较软的金属材料，金属垫片的硬度宜比法兰硬度低
静密封过程中垫片密封失效的模型与影响失效的因素探析
静密封过程中垫片密封失效的模型与影响失效的因素探析【摘要】垫片密封的可靠性直接关系到工业装备的安全可靠运行，但迄今为止，尚未建立密封系统寿命的完整概念，更无寿命预测的具体方法。
在已有的泄漏率计算公式中，没有考虑时间的因素，不能反映泄漏率随时间的变化规律，也就无法知道密封系统在使用过程中其泄漏率的变化情况。
在实际工况下，在初始一段时间内，密封系统的泄漏率通常小于所规定的指标泄漏率，但随着时间的推移，泄漏率就会逐渐增大，到了一定的时间以后泄漏率就会大于规定的指标泄漏率，此时就可能导致泄漏事故。
【关键词】机械密封；密封系统；泄露事故；强度失效；法兰连接；表面粗糙度引言静密封装置已被广泛应用于工业、农业、国防和人们的日常生活中，螺栓法兰垫片这种静密封连接，却是石油化工设备、容器和管道中最常用的连接形式。
这种密封结构在操作状态下的失效一般来说极少是因为强度失效，而主要是由于螺栓法兰垫片系统的泄漏而导致密封失效，而垫片是影响其泄漏最主要的元件。
所以，对垫片密封性能的研究一直是法兰连接研究中的重点。
１垫片密封的失效模型１.1 失效现象在一定的工况条件下，一方面，垫片中的一些组成部分会发生高温分解和氧化，使得垫片的密度降低、孔隙率增大。
有机组分的分解和氧化还会降低垫片中粘结材料的挤压性能，从而就降低了其填充垫片内部微孔的能力。
这些因素将导致垫片的渗透泄漏增加。
另一方面，垫片中一些大分子链之间会产生交联，使其从线型结构或支链型结构转化为体型结构，使得垫片变硬、变脆，丧失弹性，这就减弱了垫片填满法兰表面缺陷的能力，使得界面泄漏率大大增加。
因此，在一定的工况条件下，随着时间的推移，垫片材料的内部结构就会发生变化，其原子或分子重新排列形成新的化学键，使得垫片的物理性质和材料形态发生变化，致使密封性能不断恶化，泄漏率不断增加，最终导致系统的泄漏率超过所规定的指标而发生失效。
１.2 反应论模型一般说来，当对材料、元件有害的反应持续到一定限度，失效即随之发生，描述这种失效的模型称为反应论模型。
硫化橡胶压缩应力松弛试验及对制品密封效果的探讨
硫化橡胶压缩应力松弛试验及对制品密封效果的探讨硫化橡胶压缩应力松弛试验及对制品密封效果的探讨1. 引言硫化橡胶是一种重要的弹性材料，广泛应用于各个行业中，特别是在制品密封领域。
而硫化橡胶在使用过程中会遇到应力松弛的问题，即在长期承受一定压力后，硫化橡胶会出现形变现象，降低其密封效果。
了解硫化橡胶的压缩应力松弛特性对于提高制品的密封效果具有重要意义。
2. 硫化橡胶压缩应力松弛试验2.1 试验原理硫化橡胶压缩应力松弛试验是通过施加一定的压缩力，并保持一段时间后，测量硫化橡胶的回弹程度来评估其应力松弛性能。
一般来说，试验会在常温下进行，并记录回弹程度的变化情况。
2.2 试验步骤（1）选取硫化橡胶样品，并确保其尺寸均匀一致。
（2）施加一定的压缩力，可以使用试验机或者其他方式进行。
（3）保持一定时间后，释放压缩力。
（4）测量硫化橡胶的回弹程度，可以通过测量压缩前后的高度差进行判断。
3. 硫化橡胶压缩应力松弛对制品密封效果的影响3.1 应力松弛与密封效果的关系硫化橡胶的应力松弛会导致其回弹能力下降，从而使制品在压缩过程中不能完全回复到原始状态，导致密封效果变差。
应力松弛对制品的密封效果有着直接影响。
3.2 密封效果与应力松弛机制的关系硫化橡胶的应力松弛是由材料内部的弹性部分发生形变所引起的，这种形变主要与硫化橡胶的分子结构有关。
当硫化橡胶分子结构不均匀、交联程度不高时，应力松弛现象更加明显，导致制品的密封效果降低。
4. 总结与展望通过对硫化橡胶压缩应力松弛试验及对制品密封效果的探讨，可以得出以下结论：（1）硫化橡胶的应力松弛会降低制品的密封效果。
（2）硫化橡胶的应力松弛与材料的分子结构、交联程度有关。
（3）进一步研究硫化橡胶的应力松弛机制，优化材料的制备工艺，可以提高硫化橡胶的密封效果。
展望未来，可以通过深入研究硫化橡胶的分子结构与应力松弛之间的关系，并结合新材料的开发，进一步提高硫化橡胶的应力松弛性能，以提升制品的密封效果。
密封垫片蠕变松弛率的标定及试验过程中的注意事项
工作研究密封垫片蠕变松弛率的标定及试验过程中的注意事项闫文刚（中国建材检验认证集团咸阳有限公司，陕西 咸阳 712000）摘 要：蠕变松弛率是密封垫片一项非常重要的指标，它反映了垫片在螺栓应力下的扭矩损失以及自身厚度变薄的程度。
垫片厚度变薄会产生间隙导致泄漏，而且有些垫片一开始密封效果很好，但随着时间的推移会慢慢产生泄漏。
所以对垫片蠕变松弛率的测定必须要从设备的标定、标定的注意事项以及试验过程中诸多的严格严谨的操作等方面去入手，才能保证数据的真实可靠，减少垫片泄漏事件的发生。
关键词：蠕变松弛率；标定；拉伸速率；线性；连续一、蠕变松弛率的原理与作用蠕变松弛（应力松弛）是指垫片在一定的压力下（螺栓扭矩），其内部结构慢慢流动位移（变薄）的现象。
螺栓的应力导致了材料内部分子间的滑移，材料的弹性应变有一部分转化为不可逆的塑性应变。
蠕变松弛率大的垫片在螺栓扭矩之下内部结构更容易发生蠕变慢慢变薄，使得螺栓的扭矩保持慢慢减低，从而垫片与法兰的界面产生间隙导致介质的泄漏。
蠕变松弛率小的垫片在螺栓扭矩之下内部蠕变很小，螺栓的扭矩损失更少，更不易产生泄漏，所以蠕变松弛率是密封垫片非常重要的一个指标，而且会随着温度、压力、时间的增加而上升。
二、蠕变松弛率仪器的类别根据GB/T20671.5-2006的规定，蠕变松弛率仪器的测试仪器主要分为两种，一种是借助应变计来直接测量扭矩从而计算出扭矩的损失。
另一种则是借助带千分表的应力螺栓，通过螺栓的长度变化来计算对应扭矩的损失。
当然前提为应力计和应力螺栓都须标定合格方可使用。
由于第二种方法在行业内较为普及和常用，所以对应力螺栓的使用进行比对和研究，即标准中所说的方法B。
松弛率测定仪的设备包括两块平圆板、带有特殊孔的标定过的螺栓、垫圈和螺母，其材质为ASTM A193 B7级合金钢或ASTM B637 UNS N07718及高温合金或其他合金；千分表组件和套筒扳手。
试样样品最常用的尺寸为宽度10.16mm±0.38、长度31.75mm±0.38mm，也可以是环状和长条。
FX-4_和FX-17_典型橡胶密封圈加速老化性能研究
装备环境工程第20卷第5期·26·EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING2023年5月FX-4和FX-17典型橡胶密封圈加速老化性能研究李健1，司马逸之2，吴云章1，王丽萍1（1.陆军航空兵研究所，北京 101121；2.陆军航空兵学院，北京 101121）摘要：目的研究FX-4和FX-17典型橡胶密封圈的加速老化性能。
方法对初始压缩率为14%和20%的FX-4和FX-17这2种橡胶密封圈，进行5个温度点不同时长的加速老化试验，通过试验测定FX-4和FX-17橡胶密封圈的拉伸强度、扯断伸长率、硬度以及压缩永久变形等4个性能指标，并进行分析和比较。
结果硬度指标随老化温度以及老化时间的变化不明显。
拉伸强度与扯断伸长率在200 ℃老化试验后，均出现明显的下降趋势，但在同一老化温度下老化10、70 d后，拉伸强度与扯断伸长率未发生明显的变化。
在较低的老化温度时，压缩永久变形率随老化温度以及老化时间的变化不明显；在150、200 ℃温度老化后，压缩永久变形率随着老化时间的增加而呈上升趋势。
结论FX-4与FX-17橡胶密封圈的压缩永久变形率在老化温度点较低时，受温度的影响不显著，在同一温度下随老化时间的增加呈上升趋势；在老化温度点较高时，压缩永久变形率随着老化时间的增加而呈上升趋势。
关键词：典型橡胶密封圈；FX-4；FX-17；加速老化性能；拉伸强度；压缩永久变形率中图分类号：V216 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2023)05-0026-07DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2023.05.005Accelerated Aging Performance of FX-4 and FX-17 Typical Rubber SealsLI Jian1, SIMA Yi-zhi2, WU Yun-zhang1, WANG Li-ping1(1. Army Aviation Research Institute, Beijing 101121, China; 2. Army Aviation College, Beijing 101121, China)ABSTRACT: The work aims to study the accelerated aging performance of FX-4 and FX-17 typical rubber seals. During initial compression rates of 14% and 20% and different duration of accelerated aging at five temperature points, four performance pa-rameters of FX-4 and FX-17 rubber sealing rings, including tensile strength, elongation at break, hardness, and compression permanent deformation, were tested, analyzed and compared. The hardness index did not change significantly with aging tem-perature and aging time. After aging test at 200 ℃, both tensile strength and elongation at break showed an obvious downward trend, however there was no obvious change in tensile strength and elongation at break after aging for 10 and 70 days at the same temperature. The change of compression permanent deformation rate with aging temperature and aging time was not ob-vious at low aging temperature point. After aging at 150 ℃ and 200 ℃, the compression permanent deformation rate increased收稿日期：2023–03–04；修订日期：2023–05–02Received：2023-03-04；Revised：2023-05-02作者简介：李健（1974—），男，硕士。
改性三氧化二钇填充橡胶应力松弛行为研究
运动范围较小 、松弛时间较短的机构 。几个链
节联合运动的范围较大 , 松弛时间也较长 。若 要牵动整个网的运动 ,则松弛时间最长 [728 ] 。
多加德金 [9 ]研究硫化胶的应力松弛 , 认为
简单马氏模型可以写作 :
-
dσ
dt
=
1 τ
(σ
-
σ∞
)
( 225)
并提出松弛时间和内应力的关系如下 :
τ τ = eU
中 Y210 和 Y215 试样的应力松弛系数变化缓 慢 。对于这两个试样来说 ,加入的稀土元素均 匀分布 在橡 胶 内 部 [ 5 ] , 阻 挡 了 分 子 链 段 的 运 动 ,使得分子链的构象变化落后于形变 、形变落 后于应力的程度更大 ,需要更长的时间才能达 到平衡状态 [ 10 ] 。
第 35卷第 12期
这可能是由于加入的稀土的含?较大偶联剂改性后虽然能提高分散的均匀程度但也?能完全避免团聚的出现这样使得当橡胶受到外?作用时必然会引起橡胶内部的应?集中这将加速大分子或链段的运动所以其应?速率就比较大应?松弛时间较短反应在图7中?出现了应?松弛系数随时间的变化曲线变化较快的现象
第 35卷第 12期 2008年 12月
作者简介 :任艳军 ( 19802) ,女 ,河北唐山人 ,河北科技师范学 院助教 ,硕士 ,从事复合材料的制备及改性研究 。 河北科技师范学院青年基金资助项目 。
1. 2 基本配方 天然橡胶 80,顺丁橡胶 20,炭黑 N330 48,
氧化锌 6, ,硬脂酸 1,古马隆树脂 1,硫黄 1,促 进剂 DM 2,促进剂 CZ 2,三氧化二钇 变量 。 1. 3 试样制备
图 2 并联的马氏模型
并联的马氏模型表示橡胶受力时有许多不 同的松弛机构在起作用 。每个机构有自己的弹 性模量与粘度 ,也即有各自独立的松弛时间 。 硫化胶与生胶不同的地方在于硫化胶的网状结 构有平衡模量 ,因而便相当于有一个永不松弛 的机构或有一个松弛时间无穷大的机构 (τ∞ ) 。 生胶没有这种机构 ,应力最终将松弛到零 [ 6 ] 。
垫片的密封应力
螺栓法兰接头安全密封技术（四）——垫片密封应力——摘要：在法兰接头设计或选用中，垫片虽然成本相对较低，但在保证连接密封性能、控制泄漏要求方面起着重要的作用。
人们往往容易将泄漏的原因集中在垫片上，当然有垫片本身的原因，但更多的是法兰连接系统的设计或选用中存在的许多问题，最后通过垫片密封应力的降低表现了出来。
在法兰接头安装过程以及后续的各种使用过程中，垫片密封应力的大小和变化受到众多因素的影响。
当垫片的密封应力降低到低于设计要求的基准值时，其结果是导致法兰连接的密封失效、发生泄漏。
本文分析了引起垫片密封应力降低的影响因素及其原因，介绍了估算方法，提出要减小弥补这样的影响，维持法兰接头的密封状态，初始安装螺栓载荷应足够大。
同时螺栓也要有足够的强度，能承受相应的拉伸载荷及其可能的增加量。
前言螺栓连接法兰接头的强度和密封性能对于承压设备/装置以及管道系统的正常、安全运行非常重要。
法兰连接强度的保证，在承压设备行业（包括锅炉、压力容器、压力管道）长期以来都非常重视，当然这很重要，但对于其密封性能的保证或评估国内却较少有研究。
螺栓垫片法兰连接的泄漏途径，一个是通过垫片内部的渗透泄漏，另一个是通过垫片与法兰密封面之间的间隙的界面泄漏，界面泄漏是最难对付的。
通常，我们考虑通过选用不同材料和类型垫片用于不同的设计工况条件以及在垫片表面途密封剂量等方法，达到减少/控制泄漏的目的。
要控制法兰接头的泄漏，仅仅通过采用各种措施消除垫片与法兰密封面之间的间隙/泄漏通道是远远不够的，最重要的是无论在安装阶段、还是各种使用过程中，当螺栓/垫片有蠕变松弛产生、当有介质压力等外载荷/温度等作用下，垫片与法兰密封面上必须始终保持/维持有足够的压缩应力，本文称之为“垫片密封应力”。
所以，法兰接头的强度和密封需要通过螺栓提供足够的夹紧力和垫片密封应力，来承受介质压力或各种外载荷，保证垫片的密封应力在安装以及随后的各种工况条件下都维持在设计要求的基准值以上，才能获得有效的密封、控制泄漏。
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第47卷第4期2019年4月同济大学学报（自然科学版）JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITYCNATURAL SCIENCE)Vol. 47 No. 4 Apr. 2019文章编号：〇253-374X(2019)04-0535-05DOI： 10.11908/j. issn. 0253-374x. 2019.04.012随机参数影响下橡胶密封垫的应力松弛特性雷震宇\王志强S江竹2(1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海201804; 2.西华大学能源与动力工程学院，四川成都610039)摘要：采用Mooney-Rivlin超弹性和Prony级数形式黏弹性模型，将有限元结果与试验数据对比，对模型参数进行验证.运用Ansys-PDS随机分析模块计算各随机参数对表面接触应力的灵敏度，以及超弹性和黏弹性参数变化对表面接触应力松弛特性的影响.结果表明:参数取值合理;对表面接触应力影响较大的随机参数为《2和CQ1的影响次之，而r2的影响可以忽略不计;松弛主要发生在加载第1天，1年内基本保持稳定;超弹性参数取值越大，应力衰减越小，黏弹性参数则相反.关键词：橡胶密封垫；应力松弛；随机有限元法；灵敏度分析中图分类号：TU455.43 文献标志码：AStress Relaxation Characteristics of Rubber Gasket Under Effect of Random Parameters LEI Zhenyu1,WANG Zhiqiang1,JIANG Zhu2(1. Institute of Rail Transit, Tongji University, Shanghai 201804, China；2. School of Energy and Power Engineering，Xihua University, Chengdu 610039, China)Abstract：The Mooney-Rivlin hyperelastic model and the Prony series viscoelastic constitutive model were used to verify the selected calculation parameters by finite element analysis compared with stress relaxation test data. Then, the Ansys-PDS module was used to analyze the sensitivity values of all random parameters to surface contact stress and the influence of hyperelastic and viscoelastic parameters on the surface contact stress relaxation. The results show that parameter values are reasonable. Random parameters which have great influence on the surface contact stress are a 2and Ci〇, followed by «i >n and C01, and the effect of n is negligible. Relaxation mainly occurred on the first day of loading and remained basically stable within 1 year. The larger the values of hyperelastic parameters, the smaller the stress attenuation is, and the opposite of viscoelastic parameters.Key words: rubber gasket; stress relaxation; stochastic finite element method；sensitivity analysis盾构法隧道的防水关系到隧道功能的正常发 挥.盾构法隧道管片接缝间的密封主要通过埋设在 接缝间的橡胶密封垫压缩后的弹性反力防水，一般 由橡胶密封垫与混凝土管片间的接触应力来表示橡 胶密封垫弹性反力，并要求表面接触应力大于水压. 橡胶密封垫通常采用三元乙丙橡胶，该橡胶具有优 良的耐老化特性.然而，橡胶具有与高分子材料类似 的黏弹性特性，在长期受压状态下，会出现力学松弛 现象[1].在实际工程中，管片接缝宽度可近似认为保 持不变，因此橡胶密封垫主要体现出应力松弛的力 学行为.应力松弛的结果造成表面接触应力的衰减，从而对隧道的防水能力产生直接的不利影响，有可 能无法满足隧道100年使用寿命的设计目标.以往对盾构法隧道防水材料耐久性的研究，大 多数是以拉伸力学指标(如硬度、伸长率、拉伸强度 等[2])来评价防水材料耐久性.从橡胶密封垫的防水 机理来看，通过研究接触应力松弛行为的时变特性 来评价橡胶作为防水材料的耐久性更有实用价值[3].由于原材料配比、加工误差等原因造成合成橡 胶材料参数的不确定性.由文献[4-6]的研究结果可 知，材料的超弹性属性参数G。
和Gn的变异对橡胶 密封垫表面接触应力的影响较大，尤其G。
是影响抗 水能力的主要因素，但研究结果只能反映橡胶密封 垫的短期力学行为，对橡胶密封垫耐久性产生的影 响鲜有文献讨论.力学松弛特性还涉及材料的黏弹收稿日期：2018-10-02基金项目：国家自然科学基金(11772230, 51408434);西华大学汽车工程四川省髙校重点实验室开放基金(SZJJ2017-014);西华大学流体 及动力机械教育部重点实验室开放基金(SZJJ2015-034)第一作者：雷震宇(1970—），女，副教授，工学博士，主要研究方向为地下结构工程.E-maiMeiZ henyu@126. com通信作者：江竹(1979—），女，副教授，工学博士，主要研究方向为动力工程.E-mail:397470723@qq. com536同济大学学报（自然科学版)第47卷性参数.本文中采用超弹性-黏弹性本构模型，选择橡胶 密封垫材料参数作为随机输入变量，以表面平均接 触应力为分析目标，运用Ansys-P D S随机分析模块 计算各随机参数对橡胶密封垫应力松弛特性的影 响.结合应力松弛试验，分析应力松弛行为的时变特 性规律.1橡胶应力松弛本构模型Ansys软件中采用广义Maxwell模型表示黏弹 性行为，黏弹性模型是由一个非线性弹簧(见图1的A部分)和n个由弹簧和黏壶串联组成的Maxwell 模型并联而成(见图1的B部分)[7].A部分体现了 与时间无关的超弹性，本文中采用Mooney-Rivlin 超弹性模型;B部分体现了与时间响应密切相关的 非线性黏弹性，本文中采用Prony级数形式黏弹性 本构模型，该模型能较准确地表达橡胶的松弛特性[8].模型中G,(f=0，l，…，n)为剪切模量，（f=0, 1，…，n)为黏壶系数.图1超弹性-黏弹性模型Fig. 1 Hyperelastic-viscoelastic model1.1超弹性本构模型弹性橡胶密封垫在使用过程中始终处于压缩状 态，本文中所分析的断面(见图2)最大压缩率约为 35%，在不利工况下实际压缩率通常小于35%.因此，采用两参数的Mooney-Rivlin超弹性模型，该模 型几乎可以模拟所有橡胶的力学行为，一般适用于 应变约为100%(拉伸)和3〇%(压缩)的情况•应变能密度函数表达式如下所示：w=c1〇a1-3)+c〇1a2-3)(1)式中。
和Cw为材料力学参数；^和分别为Cauchy-Green应变张量的第一和第二应变不变量.1.2黏弹性本构模型在黏弹性单元中，体积形变和剪切形变行为是 解耦的，黏弹性本构方程可写成如下形式[9]:a=^2G^^dt+I^KCt)^d t(2)式中w为Cauchy应力;G⑴为剪切松弛函数;尺⑴ 为体积松弛函数;e为应变偏量部分;A为体积应变 部分力为当前时间;J为单位张量.式(2)中等号右 边第一部分表示剪切形变引起的应力，第二部分表 示体积形变引起的应力.对于可视为不可压缩材料的橡胶来说，体积应 变为零，因此式(2)中等号右边第二部分可以忽略不 计，则橡胶的黏弹性本构方程可简化为c r=j*2G(〇(3)本文中采用Prony级数形式来表达式（3)中的 剪切松弛函数G(〇，如下所示：nG(〇=G(〇〇)+^；G,e^(4)当时间f趋于无穷大时，G(〇〇)=G〇，G。
为图1中纯 弹性元件的剪切模量.定义相对剪切模量a t=吳(5)式(4)两边同除以G。
，则有G⑴G〇n=1+D卬e—#式(6)中zv被称作松弛时间，定义式为(6)T i =rji/G i(7)在有限元计算中，a,即为反映材料黏弹性特 性的参数.2有限元模型及计算参数的验证2.1有限元模型盾构法隧道接头橡胶密封垫和管片沟槽尺寸如 图2所示.模拟橡胶密封垫压缩采用的单侧压缩有 限元模型如图3所示.压缩过程中，混凝土管片沟槽 及上压板可视为刚体，而橡胶密封垫可视为柔性体，沟槽、上压板与橡胶的接触采用刚-柔接触.超弹性-黏弹性体的橡胶采用planel83单元;对 于接触单元，采用targel69单元和contal72单元•2.2计算参数的选取及验证超弹性材料参数 C1G=0. 700 MPa，C(n=0. 035 MPa[7].根据文献[10]，图1中B部分的黏弹性模型 个数取2,即n = 2,对应的黏弹性参数^ = 0.119 696，ri =241. 820 8，a2 =0• 475 895，r2 = 4.370 416.对如图3所示模型利用有限元分析软件Ansys第4期雷震宇，等:随机参数影响下橡胶密封垫的应力松弛特性537进行确定参数的应力松弛计算，提取橡胶密封垫表 面平均接触应力S 的计算结果，并与实测应力松弛对比，如图4所示.33.037.3b 沟槽图2橡胶密封垫及沟槽尺寸(单位:mm)Fig.2 Dimension of rubber gasket and groove (unit ：• •图3橡胶密封垫单侧压缩有限元模型Fig. 3 Unilateral compressive finite element model forrubber gasket0.20■-实测结果计算结果'0 10 20 30 40 50时间/d图4实测和模拟应力松弛对比Fig. 4 Comparison of stress-relaxation between test andsimulation results从图4可见，计算结果与实测结果拟合度较好. 计算所得橡胶密封垫表面平均接触应力S 的应力松 弛率为51.0%，应力松弛试验结果为50. 4%，两者 相差0. 6%，说明本文中所选取的材料参数取值合理，所选取的本构模型也能较好地模拟橡胶密封垫 的应力松弛行为.由图4可知，在开始阶段应力下降较快，随着时 间的增加，下降速度逐渐减小，应力曲线渐趋收敛， 即橡胶密封垫上表面接触应力渐趋稳定.3各随机参数的统计特征选定橡胶密封垫材料的超弹性参数(^。