柔性石墨金属波齿复合垫片的分级研究
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mm 名称 数值 158.3 118.3 3 名称 数值 4 1.2 0.6
图 5 垫片的变形图 Fig.4 Deformation of the gasket 表 4 金属骨架与压缩率的关系 Table 4 The relationship between metal skeleton and compressibility
AB
2 πDB 4
（1） （2） （3）
图 2 DN100 下压力等级与预紧比压的关系 Fig.2 The relationship between Classes and initial compression stress in Class 900
FB AB S B FTB FB N B
收稿日期： 2014-08-23 作者简介 ：陈元（1988-） ，男，湖北荆门人，硕士，2015 年毕业于辽宁石油化工大学化工过程机械专业，研究方向：密封技术。E-mail： coolboy_cy@163.com。
第 44 卷第 2 期
陈
元，等：柔性石墨金属波齿复合垫片的分级研究
2 π( DO DI2 ) AG 4
（4） （5）
SG
FTቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ AG
2 预紧比压的计算
表 1 Class 300~1 500 垫片的预紧比压 Table 1 The initial compression stress of the gaskets under Class 300~1 500
DN Class300 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350 400 450 500 600 100.3 106.0 86.3 52.8 69.8 68.4 92.4 58.0 45.7 38.1 48.5 52.2 75.1 77.0 88.5 96.0 101.0 91.9 115.6 预紧比压 SG/MPa Class600 100.3 106.0 86.3 52.8 69.8 68.4 72.4 58.0 63.2 68.7 87.2 70.6 95.9 100.8 116.4 104.6 94.8 103.3 115.3 Class900 214.2 165.7 226.4 138.5 153.7 179.4 159.2 97.5 100.8 103.8 106.2 110.2 120.6 126.7 138.7 122.9 126.4 136.3 177.1 Class1500 214.2 165.7 226.4 138.5 153.7 179.4 159.2 155.5 125.2 155.6 165.8 154.3 168.9 224.6 241.5 241.6 225.0 242.7 288.8
图 4 垫片的应力分布图 Fig.4 Stress distribution of the gasket
图 3 柔性石墨金属波齿复合垫片的几何图 Fig.3 Geometric figure of flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets 表 2 垫片的结构尺寸 Table 2 The structural dimensions of the gasket
1 垫片结构型式和密封原理
柔性石墨金属波齿复合垫片的结构型式有基 本型、带定位环型和带定位耳型。基本型柔性石墨 金属波齿复合垫片适用于榫槽面和凹凸面法兰，带 定位环型和带定位耳型柔性石墨金属波齿复合垫 ［3］ 片适用于全平面和突面法兰 。柔性石墨金属波齿 复合垫片在预紧力作用下，柔性石墨被压缩并填补
受构造材料、结构设计、制造工艺、使用工况等多 种因素的影响。 GB/T 12622-2008 中柔性石墨金属波 齿复合垫片以 45 MPa 预紧比压来评价压缩率、回弹 率及密封性能，而未考虑工况的影响，这导致了低 压力级别的法兰连接中由于螺栓尺寸较小，数量较 少，柔性石墨金属波齿复合垫片的压缩刚度较大而 不能被完全压缩；高压力级别法兰连接中，螺栓尺 寸较大，数量较多，柔性石墨金属波齿复合垫片刚 性较小而被压溃，从而影响该产品的安全使用。
第 44 卷第 2 期 2015 年 2 月
当 代 化 工 Contemporary Chemical Industry
Vol.44，No.2 February，2015
柔性石墨金属波齿复合垫片的分级研究
陈
摘
元, 任建民
（辽宁石油化工大学 机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001）
要： 对柔性石墨金属波齿复合垫片的标准进行了剖析，发现同一压力级别不同名义尺寸的垫片，绝
按式（1）-（5）计算得到与不同压力级别对 应的各个名义尺寸的垫片预紧比压，如表 1 所示。 为了更清楚地说明同一压力级别的垫片不同 名义尺寸和预紧比压的关系以及同一名义尺寸的 垫片不同压力级别与预紧比压的关系，把压力级别 为 Class900 各名义尺寸的垫片预紧比压和名义尺寸 为 100 mm 各压力级别的垫片预紧比压示于图 1、 图 2 中。
Workbench 是 ANSYS 软件中的一个重要模块， 与 CAD 软件无缝衔接，可以方便地导入非常复杂 的三维模型进行分析。尤其在对大型复杂的装配件 进行分析时，网格划分独具特色，其智慧化的网格 建立技术，可以依据模型几何形状建立出高品质的 网格，有效缩短求解运算的时间，确保分析精度及 准确性。 3.1 结构参数 垫片选自 GB 19066.1-2008 中的 Class900、 DN100 凹凸面法兰用基本型柔性石墨金属波齿复 合垫片。其结构如图 3 所示，尺寸如表 2 所示。
大部分的预紧比压在某一应力水平附近波动，同一名义尺寸不同压力级别的垫片预紧比压各不相同。利用 ANSYS WORKBENCH 对柔性石墨金属波齿复合垫片进行有限元数值模拟，计算出在规定预紧比压下不同结构 参数的柔性石墨金属波齿复合垫片的压缩率，结果表明在相同预紧比压作用下不同结构的垫片压缩率各不相 同。即可以通过调整垫片结构参数达到调整垫片压缩回弹性能的目的。据此，可以实现柔性石墨金属波齿复合 垫片生产按压力等级区分。 关 键 词：金属骨架; 等级划分; 有限元分析 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）02-0356-03 中图分类号：TQ 42
式中：AB、AG—螺栓根径截面积、垫片全接触面积； FB、FTB—螺栓拉伸载荷、螺栓总拉伸载荷； DB、DO、DI—螺栓根径、垫片外径和垫片内径； NB—螺栓个数； SB—螺栓预紧应力(≤M22 mm, SB=174 MPa;M24~M48, SB=203 MPa)； SG—垫片预紧应力（或预紧比压） 。
图 1 Class 900 下名义尺寸与预紧比压的关系 Fig.1 The relationship between DN and initial compression stress in Class900
传统垫片设计是根据施加足够大小的螺栓载 荷将垫片压缩到规定的厚度。柔性石墨金属波齿复 ［4］ 合垫片的预紧比压参考 ASME B16.5 和 ASME ［5］ B16.20 。进行计算。螺栓法兰连接系统中，法兰 选自 HG/T 20615-2009《钢制管法兰（Class 系列） 》 凹 凸 面 带 颈 对 焊 钢 制 管 法 兰 ， 垫 片 选 自 GB 19066.1-2008《柔性石墨金属波齿复合垫片》凹凸 面法兰用基本型柔性石墨金属波齿复合垫片。公式 计算如下：
由图 1 和图 2 可以看出，同一压力级别不同名 义尺寸的垫片，绝大部分的预紧比压在某一应力水 平附近波动。同一名义尺寸不同压力级别的垫片预 紧比压各不相同。据此，柔性石墨波齿复合垫片按
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当
代
化
工
2015 年 2 月
压力等级进行区分是可行的。
3
柔性石墨金属波齿复合垫片的有 限元分析
数下的垫片压缩量和压缩率。AMSE 和 GB/T19066. 3-2003 中规定垫片的压缩率在 35%左右， 这里将压 缩率为 35%作为参考指标。其结果如表 4 所示。
357
法兰密封面上的缺陷，金属骨架上的一道道环状齿 峰与法兰密封面形成线密封。显然，要产生初始密 封的基本要求是压缩垫片，使其与密封面间产生足 够的压力（即垫片预紧应力） ，以阻止介质通过材 料本身的渗透，同时保证垫片对连接件有较大的顺 应性，即垫片材料受压缩后发生的弹性或弹塑性变 形能够填塞密封面的变形和表面粗糙度，以堵塞界 ［1］ 面泄露的通道 。
齿距 p/mm 4 4 4 4 4 4 4 5 6.7 齿深 h/mm 0.6 0.6 0.6 0.6 0.4 0.5 0.7 0.7 0.7 齿厚 t/mm 1.2 1.4 1.6 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 压缩量/mm 1.0895 1.0129 0.9356 0.8574 0.9741 1.0323 1.4109 1.1469 1.1422 压缩率 C, % 36.3 33.8 31.2 28.6 32.5 34.4 47.0 38.2 38.1
Research on Classification of Flexible Graphite Covered Wave-Serrated Metal Gaskets
CHEN Yuan , REN Jian-min
(Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China) Abstract: Standards of flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets were analyzed. It’s found that the gasket pretightening in the condition of same pressure levels and different nominal size fluctuated around a certain value,gasket pretightening in the condition of same nominal size and different pressure levels were not identical.The finite element simulation of flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets was carried out by using ANSYS WORKBENCH. The compression ratio of flexible graphite corrugated metal gaskets under different structural parameters was calculated. The result shows that the gaskets can be classified by pressure through adjusting the structural parameters. Accordingly, flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets can be classified according to pressure. Key words: Metal skeleton; Classification; Finite element analysis
垫片密封是过程工业装置中压力容器、工艺设 备、动力机器和连接管道等可拆连接处最主要的静 密封型式。虽然法兰接头与泵轴、阀杆、搅拌器轴 等密封相比，其泄露量不及它们大，但法兰接头的 数量则比它们多得多，因此它们成为过程装备泄露 ［1］ 的主要来源 。波齿复合垫片是用于静密封的垫片 之一，由带多道同心圆波齿的金属骨架和两侧的柔 性石墨覆层复合而成。 自 20 世纪 90 年代应用以来， 因其具有密封性能优异、 回弹性能好、 使用寿命长、 安全可靠性高、适应性广等一系列优点，已广泛用 于石油化工等行业的法兰连接设备和管道的密封 ［2］ 上 。 然而对垫片性能起决定作用的金属骨架结构， 绝大多数厂家仅凭经验生产，不区分压力等级使 用，致使垫片性能差异很大，安全可靠性得不到保 证。因此，研究波齿复合垫片的分级技术是非常必 要的。 柔性石墨金属波齿复合垫片的性能很大程度上
图 5 垫片的变形图 Fig.4 Deformation of the gasket 表 4 金属骨架与压缩率的关系 Table 4 The relationship between metal skeleton and compressibility
AB
2 πDB 4
（1） （2） （3）
图 2 DN100 下压力等级与预紧比压的关系 Fig.2 The relationship between Classes and initial compression stress in Class 900
FB AB S B FTB FB N B
收稿日期： 2014-08-23 作者简介 ：陈元（1988-） ，男，湖北荆门人，硕士，2015 年毕业于辽宁石油化工大学化工过程机械专业，研究方向：密封技术。E-mail： coolboy_cy@163.com。
第 44 卷第 2 期
陈
元，等：柔性石墨金属波齿复合垫片的分级研究
2 π( DO DI2 ) AG 4
（4） （5）
SG
FTቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ AG
2 预紧比压的计算
表 1 Class 300~1 500 垫片的预紧比压 Table 1 The initial compression stress of the gaskets under Class 300~1 500
DN Class300 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350 400 450 500 600 100.3 106.0 86.3 52.8 69.8 68.4 92.4 58.0 45.7 38.1 48.5 52.2 75.1 77.0 88.5 96.0 101.0 91.9 115.6 预紧比压 SG/MPa Class600 100.3 106.0 86.3 52.8 69.8 68.4 72.4 58.0 63.2 68.7 87.2 70.6 95.9 100.8 116.4 104.6 94.8 103.3 115.3 Class900 214.2 165.7 226.4 138.5 153.7 179.4 159.2 97.5 100.8 103.8 106.2 110.2 120.6 126.7 138.7 122.9 126.4 136.3 177.1 Class1500 214.2 165.7 226.4 138.5 153.7 179.4 159.2 155.5 125.2 155.6 165.8 154.3 168.9 224.6 241.5 241.6 225.0 242.7 288.8
图 4 垫片的应力分布图 Fig.4 Stress distribution of the gasket
图 3 柔性石墨金属波齿复合垫片的几何图 Fig.3 Geometric figure of flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets 表 2 垫片的结构尺寸 Table 2 The structural dimensions of the gasket
1 垫片结构型式和密封原理
柔性石墨金属波齿复合垫片的结构型式有基 本型、带定位环型和带定位耳型。基本型柔性石墨 金属波齿复合垫片适用于榫槽面和凹凸面法兰，带 定位环型和带定位耳型柔性石墨金属波齿复合垫 ［3］ 片适用于全平面和突面法兰 。柔性石墨金属波齿 复合垫片在预紧力作用下，柔性石墨被压缩并填补
受构造材料、结构设计、制造工艺、使用工况等多 种因素的影响。 GB/T 12622-2008 中柔性石墨金属波 齿复合垫片以 45 MPa 预紧比压来评价压缩率、回弹 率及密封性能，而未考虑工况的影响，这导致了低 压力级别的法兰连接中由于螺栓尺寸较小，数量较 少，柔性石墨金属波齿复合垫片的压缩刚度较大而 不能被完全压缩；高压力级别法兰连接中，螺栓尺 寸较大，数量较多，柔性石墨金属波齿复合垫片刚 性较小而被压溃，从而影响该产品的安全使用。
第 44 卷第 2 期 2015 年 2 月
当 代 化 工 Contemporary Chemical Industry
Vol.44，No.2 February，2015
柔性石墨金属波齿复合垫片的分级研究
陈
摘
元, 任建民
（辽宁石油化工大学 机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001）
要： 对柔性石墨金属波齿复合垫片的标准进行了剖析，发现同一压力级别不同名义尺寸的垫片，绝
按式（1）-（5）计算得到与不同压力级别对 应的各个名义尺寸的垫片预紧比压，如表 1 所示。 为了更清楚地说明同一压力级别的垫片不同 名义尺寸和预紧比压的关系以及同一名义尺寸的 垫片不同压力级别与预紧比压的关系，把压力级别 为 Class900 各名义尺寸的垫片预紧比压和名义尺寸 为 100 mm 各压力级别的垫片预紧比压示于图 1、 图 2 中。
Workbench 是 ANSYS 软件中的一个重要模块， 与 CAD 软件无缝衔接，可以方便地导入非常复杂 的三维模型进行分析。尤其在对大型复杂的装配件 进行分析时，网格划分独具特色，其智慧化的网格 建立技术，可以依据模型几何形状建立出高品质的 网格，有效缩短求解运算的时间，确保分析精度及 准确性。 3.1 结构参数 垫片选自 GB 19066.1-2008 中的 Class900、 DN100 凹凸面法兰用基本型柔性石墨金属波齿复 合垫片。其结构如图 3 所示，尺寸如表 2 所示。
大部分的预紧比压在某一应力水平附近波动，同一名义尺寸不同压力级别的垫片预紧比压各不相同。利用 ANSYS WORKBENCH 对柔性石墨金属波齿复合垫片进行有限元数值模拟，计算出在规定预紧比压下不同结构 参数的柔性石墨金属波齿复合垫片的压缩率，结果表明在相同预紧比压作用下不同结构的垫片压缩率各不相 同。即可以通过调整垫片结构参数达到调整垫片压缩回弹性能的目的。据此，可以实现柔性石墨金属波齿复合 垫片生产按压力等级区分。 关 键 词：金属骨架; 等级划分; 有限元分析 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）02-0356-03 中图分类号：TQ 42
式中：AB、AG—螺栓根径截面积、垫片全接触面积； FB、FTB—螺栓拉伸载荷、螺栓总拉伸载荷； DB、DO、DI—螺栓根径、垫片外径和垫片内径； NB—螺栓个数； SB—螺栓预紧应力(≤M22 mm, SB=174 MPa;M24~M48, SB=203 MPa)； SG—垫片预紧应力（或预紧比压） 。
图 1 Class 900 下名义尺寸与预紧比压的关系 Fig.1 The relationship between DN and initial compression stress in Class900
传统垫片设计是根据施加足够大小的螺栓载 荷将垫片压缩到规定的厚度。柔性石墨金属波齿复 ［4］ 合垫片的预紧比压参考 ASME B16.5 和 ASME ［5］ B16.20 。进行计算。螺栓法兰连接系统中，法兰 选自 HG/T 20615-2009《钢制管法兰（Class 系列） 》 凹 凸 面 带 颈 对 焊 钢 制 管 法 兰 ， 垫 片 选 自 GB 19066.1-2008《柔性石墨金属波齿复合垫片》凹凸 面法兰用基本型柔性石墨金属波齿复合垫片。公式 计算如下：
由图 1 和图 2 可以看出，同一压力级别不同名 义尺寸的垫片，绝大部分的预紧比压在某一应力水 平附近波动。同一名义尺寸不同压力级别的垫片预 紧比压各不相同。据此，柔性石墨波齿复合垫片按
358
当
代
化
工
2015 年 2 月
压力等级进行区分是可行的。
3
柔性石墨金属波齿复合垫片的有 限元分析
数下的垫片压缩量和压缩率。AMSE 和 GB/T19066. 3-2003 中规定垫片的压缩率在 35%左右， 这里将压 缩率为 35%作为参考指标。其结果如表 4 所示。
357
法兰密封面上的缺陷，金属骨架上的一道道环状齿 峰与法兰密封面形成线密封。显然，要产生初始密 封的基本要求是压缩垫片，使其与密封面间产生足 够的压力（即垫片预紧应力） ，以阻止介质通过材 料本身的渗透，同时保证垫片对连接件有较大的顺 应性，即垫片材料受压缩后发生的弹性或弹塑性变 形能够填塞密封面的变形和表面粗糙度，以堵塞界 ［1］ 面泄露的通道 。
齿距 p/mm 4 4 4 4 4 4 4 5 6.7 齿深 h/mm 0.6 0.6 0.6 0.6 0.4 0.5 0.7 0.7 0.7 齿厚 t/mm 1.2 1.4 1.6 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 压缩量/mm 1.0895 1.0129 0.9356 0.8574 0.9741 1.0323 1.4109 1.1469 1.1422 压缩率 C, % 36.3 33.8 31.2 28.6 32.5 34.4 47.0 38.2 38.1
Research on Classification of Flexible Graphite Covered Wave-Serrated Metal Gaskets
CHEN Yuan , REN Jian-min
(Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China) Abstract: Standards of flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets were analyzed. It’s found that the gasket pretightening in the condition of same pressure levels and different nominal size fluctuated around a certain value,gasket pretightening in the condition of same nominal size and different pressure levels were not identical.The finite element simulation of flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets was carried out by using ANSYS WORKBENCH. The compression ratio of flexible graphite corrugated metal gaskets under different structural parameters was calculated. The result shows that the gaskets can be classified by pressure through adjusting the structural parameters. Accordingly, flexible graphite covered wave-serrated metal gaskets can be classified according to pressure. Key words: Metal skeleton; Classification; Finite element analysis
垫片密封是过程工业装置中压力容器、工艺设 备、动力机器和连接管道等可拆连接处最主要的静 密封型式。虽然法兰接头与泵轴、阀杆、搅拌器轴 等密封相比，其泄露量不及它们大，但法兰接头的 数量则比它们多得多，因此它们成为过程装备泄露 ［1］ 的主要来源 。波齿复合垫片是用于静密封的垫片 之一，由带多道同心圆波齿的金属骨架和两侧的柔 性石墨覆层复合而成。 自 20 世纪 90 年代应用以来， 因其具有密封性能优异、 回弹性能好、 使用寿命长、 安全可靠性高、适应性广等一系列优点，已广泛用 于石油化工等行业的法兰连接设备和管道的密封 ［2］ 上 。 然而对垫片性能起决定作用的金属骨架结构， 绝大多数厂家仅凭经验生产，不区分压力等级使 用，致使垫片性能差异很大，安全可靠性得不到保 证。因此，研究波齿复合垫片的分级技术是非常必 要的。 柔性石墨金属波齿复合垫片的性能很大程度上