不锈钢柔性石墨缠绕垫片的高温性能研究

试验装置和试验条件
所有 试 验均 在 垫 片 高温 性 能 试 验 装 置上 进 行 。试验装 置由机 架、试 验法兰、垫片加 载系 统、试验介质给定系统、泄漏率测量系统、加热和 温控系统等组成。 试验 温度分 别为 15、 150、 300 、400、 500 , 试验介质压力分别为 0 5、2 0、 3 5、 5 0MPa, 试 验介质为 99 9% 工业纯氮 , 试验法兰 为模拟刚性 不锈钢法兰。 试样为带内外环不锈钢柔性石墨缠绕垫片 , 垫 片本体尺寸为 121mm 95mm 4 5mm, 内外环材
由图可见, 温度越高 , 蠕变量越大。试验刚开 始时, 蠕变变形较大 , 经过约 10~ 20min 变化趋于
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试验表明 , 泄漏率随时间的增加稍有增大。这是由 于高温下垫片蠕变而使垫片与法兰面之间的嵌合更 加紧密, 试验时垫片应力保持恒定 , 则垫片的蠕变 可能减小泄漏率 , 但垫片材料的质量损失和老化可 导致泄漏率增大 , 两者的综合影响造成本试验中泄 漏率稍有增大但不明显。实际螺栓法兰连接中垫片 蠕变和材料在高温下的质量损失 等会导致连 接结构松弛, 从而使泄漏率大大增加。
图 3 预紧应力 70MPa、 不同温 度下蠕变量 随时间的变化
力越大 , 泄漏率越小 ; 泄漏率随温度 的升高而增 大 , 两者成指数关系。 ( 2) 高温下试验时间对密封性能的影响 试验 研究 了垫 片预 紧应 力 70MPa 、介 质压 力 5 0MPa、 试验温度 400 时泄漏率随试验时间的变化情况。
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时不锈钢柔性石墨
1. 压缩回弹性能试验 一次性加载卸载并考虑蠕变影响和逐级往复加 载卸载两种试验方法得到的垫片常温压缩回弹性能 是基本一致的[ 6] , 故本试验采用了逐级往复加载卸 载的试验方法, 在压缩回弹中计入蠕变的影响。选 定的 5 个 温 度 等 级 分 别 为 15、 150 、 300、 400、 500 , 在恒定的试验温度下垫片应力由较低到高 逐级加载 , 选 定的 垫 片应 力等 级 为 40、 55、 70、 85MPa 。最终通过试验找出不同温度等级下垫片应 力和变形量之间的关系。 2. 蠕变性能试验 垫片应力恒定在 70MPa, 测定各温度等级下的 变形量与时间的关系。本试验选定 5 个温度等级分 别为 15、150、300、400、500 。 3. 密封性能试验 1. 泄漏率与温度 、垫片残余压紧应力和介质 压力的 关系 选定 5 个温 度等级为 15、150、300、 400、500 , 4 个垫片应力等级为 40、55、70、85MPa, 4 个介质压力等级为 0 6、2 0、3 5、5 0MPa。测定不 同温度、不同垫 片应力、不同 介质压力下的 泄漏 率。试验时在 恒定的温度和选 定的垫片应力 等级 下, 介质压力由低到高逐级加载, 得到同一试验温 度、同一垫片应 力等级、不同 介质压力下的 泄漏 率。改变温度和垫片应力等级 , 重复上述试验。 2. 高温下时间对密封性能的影响 恒定试验 温度 400 、 垫 片 应 力 等 级 70MPa 、 介 质 压 力 5 0MPa, 测定试验时间为 0, 10, 20, , 120min 时的泄漏率, 研究泄漏率随时间的变化情况。
图 1 500 下垫片压缩回弹曲线
由图可见, 垫片的塑性变形量随压紧应力的增 大而增大, 压缩曲线和 回弹曲线均非 直线且不重 合 , 具有非线性和非保守性。其压缩和回弹时的弹 性模量大不相同, 且随垫片压紧应力增大而增大。 图 2 为垫片应力等级 85MPa 和不同温度下的压 缩回弹曲线。同一温度不同应力等级下的压缩曲线 采用分段截取的方法[ 6] 组合而成 , 回弹曲线则为最 高应力等级下的曲线。由图可见温度越高回弹曲线 越陡, 说明随温度的升高垫片回弹能力逐渐下降。
-3 0 40
回弹曲线: SG DG = - 0 0025 + 0 96 SK DK 式中 SG DG SK DK T 垫片残余压紧应力; 垫片变形量; 垫片最大压紧应力; 不考虑蠕变时的垫片最大变形量 ; 试验温度。
17 94 + 0 087T
( 2)
由所得到的公式可推测任一温度下垫片的压缩 回弹性能。对同种类型的垫片可采取只做常温试验 的方法, 利用本试验得到的结果进行类比, 推测其 高温性能。 由图 1 和图 2 可见 , 垫片压紧应力和温度是影 响垫片压缩回弹性能的重要因素。垫片压紧应力愈 大则垫片的变形量愈大; 不同温度下压缩回弹曲线 的弹性模量不同。高温下材料的屈服极限降低, 塑 性变形量增大, 蠕变加剧 , 回弹性能下降。实际工 况下, 如果垫片回弹量小到不足以补偿介质压力、 温度和法兰附加载荷引起的密封面的分离时 , 可能 导致泄漏率的增大, 甚至不能保证连接系统的紧密 性要求, 这是高温泄漏的重要原因之一。 2. 蠕变性能 在高温工况下, 垫片蠕变引起连接系统中各受 力元件的应力松弛, 从而导致连接系统密封失效。 图 3 为垫片应力 70MPa、试验温度分别为 15、150、 300、400、500 时的蠕变性能曲线。
前
言
油等高温装置中常用的密封元件为研究对象, 对其 常温和高温下的压缩回弹性能、蠕变性能和密封性 能进行了试验研究 , 探讨了由垫片常温性能预测高 温性能的方法, 以期为密封件的选用和高温密封设 计提供依据。
石油化工装置在高温工况下容易因密封部位泄 漏而导致失效。在高温环境中 , 密封元件材料的物 理性能和力学性能都将发生变化, 如高温会降低垫 片的回弹能力; 高温下垫片发生蠕变松弛导致垫片 应力下降; 高温 下垫片材质发 生热氧老化等。因 而, 与常温密封相比高温密封要困难得多。 高温下螺栓法兰连接的紧密性是目前工程实际 亟待解决的课题。要保证高温下所用垫片的长期密 封性能, 仅靠常温试验数据是不够的, 建立能模拟 实际工况的高温试验装置 , 进而对垫片热态力学性 能和高温工况条件下的密封性能进行长期、系统试 验研究 , 并寻求表征方法 十分必要。 1982 年 以来 美国和加拿大等国对垫片的高 温性能作了很 多研 究[ 1~ 4] , 而国内在这方面的研究起步较晚 , 这主要 是由于研究本身较困难, 加之高温试验装置以及试 验研究费用较高。
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料为 A3 钢, 钢带为 1Cr18Ni9Ti, 非金属带为 柔性 石墨。
起的密封面的分离。根据垫片的压缩回弹曲线便可 大致了解在操作条件下连接系统由于各元件变形导 致垫片残余压紧应力减小、进而造成连接密封性能
试
验
方
案
下降的规律。 图 1 给出了试验温度 500 缠绕垫片的压缩回弹曲线。
参 1 考 文 献
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Bazergui A, Marchand L. Development of tightness test procedures for gaskets in elevated temperature service. WRC Bulletin, 1988 , ( 339) : 1~ 20
第 28 卷
第2期
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试验研究
不锈钢柔性石墨缠绕垫片的高温性能研究
顾伯勤
摘要
时黎霞
( 南京化工大学 )
陆晓峰
在垫片高温性能试验装置上 , 进行了不锈钢柔性石墨缠绕垫片压缩回弹性能 、 蠕变性
能和密封性能的试验研究 , 得到了表征垫片压缩回弹特性 、 蠕变性能和密封性能的曲线及拟合计 算公式。 试验研究结果表明, 不锈钢柔性石墨缠绕垫片的压缩量随试验温度和垫片压紧应力的增 大而增大 , 垫片回弹性能随温度增高而下降 ; 垫片在压紧应力下, 常温亦有蠕变 , 蠕变量随温度 的升高而增大 ; 垫片具有较好的密封性能 , 常温下的泄漏率大多为 10- 4 数量级 , 温度低于 500 时为 10- 3数量级 ; 泄漏率和垫片压紧应力成负指数关系 , 压紧应力越大, 泄漏率越小; 与温度成 指数关系 , 随温度升高泄漏率增大 。 主题词 垫片 性能 试验 高温 笔者以不锈钢柔性石墨缠绕垫片这一化工、炼
[ 2, 7, 8]
试验温度 低于 500 时, 其 泄漏率值 为 10 数量 级。在相同温度、同一预紧比压下, 其泄漏率随试 验时间的增加稍有增大 , 这是由于高温下垫片材料 的质量损失和老化等原因造成的。 笔者试验研究了不锈钢柔性石墨缠绕垫片的常温 高温力学性能和密封性能, 通过试验数据的回归分析 得到的各公式能较全面地表征垫片的性能。据此, 可 由垫片的常温试验数据预测其高温性能, 为高温螺栓 法兰连接设计和密封元件的选用提供了依据。
[ 5]
顾伯勤, 博士 , 教授 , 生于 1957 年 , 1996 年获奥地利累奥本矿冶大学机 械工程专业博士 学位 , 后在该校从 事博士后研究 , 1997 年 2 月回国 , 现主要从事教学和密封技术研究工作 , 任机械工程学院副院长。地址 : ( 210009) 江苏省南京 市。电话 : ( 025) 3322113。 E- mail: bqgu @ dns. njuct. edu. cn。 ( 收稿日期 : 1999- 07- 09; 修改稿收到日期 : 1999- 10- 18)
将各垫片的压缩回弹曲线数据作拟合 , 并考虑 温度的影响 , 得到如下公式 压缩曲线:
第 28 卷
第2期
顾伯 勤等 : 不 锈钢柔性石墨缠绕垫片的高温性能研究
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3 S G = ( 73 80 - 0 07T ) D 1 G
( 1)
缓慢。蠕变量随时间的变化规律可由式( 3) 表示 DG = 1 + ( 1 38 10- 3 + 2 00 10- 5 T ) ln ( t ) ( 3) DK 对同种类 型的垫片可采取只做常 温试验的方 法 , 利用本试验得到的结果进行类比 , 推测其任一 温度下的蠕变特性。 3. 密封性能 ( 1) 泄漏率与残余压紧应力及介质压力的关系 垫片密封性能是一项综合性能指标 , 它受垫片材 质、结构、温度、介质性质、加载卸载状态等多种 因素影响。试验表明, 泄漏率是介质压力 p 、垫片 残余压紧应力 S G 和温度 T 的函数, 其关系可用下 式表示 L = 1 20 10 pT
试验结果分析与讨论
1. 压缩回弹性能 压缩回弹性能是垫片的基本力学性能。在螺栓 法兰连接的预紧过程中, 垫片良好的压缩性能是保 证其表面与法兰面形成初始密封的基本条件 , 而操 作时则要求垫片具有较好的回弹性能, 以便有效补 偿操作工况下由介质压力、温度和法兰附加载荷引
图 2 不同温度下的压缩回弹曲线
图 5 垫片预紧应力 70MPa 时不同温 度下泄漏率随介质压力的变化
SG
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( 4)
图 4 为试验温度 400
时泄漏率与介质压力和
垫片预紧应力的关系曲线。
图 4 400
时泄漏率与垫片预紧
应力和介质压力的关系
由图可见, 在恒定温度下泄漏率随介质压力的 增大而增大 , 随垫片预紧应力的增大而减小。垫片 预紧应力 70MPa 时泄漏率与介质压力 和温度的关 系曲线如图 5 所示 , 由图可见 , 泄漏率随温度的升 高而增大。 分析式 ( 4) 可以发现 , 泄漏率和介质压力基本 成线性关系 , 具有粘性流体层流的一般特征; 泄漏 率和垫片残余压紧应力成负指数关系 , 残余压紧应
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Derenne M, Marchand L, Payne J R, et al. Elevated temperature testing of gaskets for bolted flanged connections. WRC Bulletin, 1994, ( 391) : 1~ 37
3 Bouzid A, Chaaban A, Bazergui A. The effect of gasket creep - relax ation on the leakage tightness of bolted flanged joints. Transactions of the ASME, 4 Journal of Pressure Vessel