1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.1前言

随着现代石油、化工、能源、深海和航天技术的飞速发展，装置的大型化和高参数化对静密封连接结构（即螺栓法兰连接系统）提出了愈来愈高的要求^[1]。静密封连接的可靠性直接关系到装置的安全运行和现场操作管理人员的生命安全。由于机械加工的结果,机械产品的表面必然存在各种缺陷以及形状和尺寸偏差。因此在机械零件的接触处不可避免地会产生微小的间隙，当存在压力差或浓度差时，工作介质就会通过间隙而泄漏。

在石化装置中，螺栓法兰连接是最普通的一种连接方式。在螺栓法兰连接系统中，预紧时，垫片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；而在操作工况下,垫片的回弹性能是补偿密封面相对分离,保持垫片压紧应力的必要前提。复杂的工况要求垫片既有非常好的密封性能，又有非常好的回弹性，这是难以做到的,因为初始密封时垫片中有较大密封应力，在高温工况下，具有较大预应力的垫片受温度和介质压力的共同作用，将产生显著的蠕变和应力松弛，其压缩回弹性能明显下降；此外，垫片材料发生氧化或热分解，屈服强度降低，塑性变形量增大，必将导致垫片回弹性能下降。而且，在很多工况下，系统还会受到周期性的振动或冲击等。因此，新型复合垫片设计和优化方面的研究已成为流体密封研究领域中的一个重大课题^[2]。

1.2垫片密封机理

1.2.1密封基本概念

垫片密封是指容器、管道等的连接件和垫片组成的一种密封结构，它是静密封的主要形式。所谓连接的紧密性，应当是以操作条件下，垫片密封所能达到的最小泄漏率；或在规定的泄漏率指标下，垫片密封所能承受的最高操作条件如温度、压力等来衡量。通常表示为垫片的残余应力、操作压力、温度和泄漏率之间的关系。

美国压力容器研究委员会（PVRC）根据法兰接头的不同使用场合对泄漏提出了定量要求，提出了”法兰连接暂行紧密性判据”，以单位长度的质量泄漏率表示，划分了三个紧密度级别，其中把2#215;10^-3mg/s#215;mm定为标准级。而国内七十年代石油化工厂对设备和管道等静密封要求规定泄漏点在0.5#8240;以下。美国环保局1990年发布了”空气净化法”（Clean Air Act），对泵、阀门、法兰的密封制定了易挥发物泄漏量的限制规定，要求近年来分别达到lt;1000ppm、lt;500ppm、lt;500ppm^[3]，从而对静密封提出了更新的要求^[4]。垫片的泄漏情况分为三种：I型－法兰和垫片界面之间存在微小缝隙引起的泄漏；II型－垫片和法兰界面或垫片内部存在毛细孔，流体呈粘滞状态的泄漏；III型－流体沿垫片本体或界面向外渗透（扩散，分子流）形成的泄漏，即渗漏。

1.2.2影响密封性能的主要因素

从密封机理的角度，垫片的密封性能与介质粘度、压力、温度、垫片尺寸、密封面状态等诸多因素有关^[5,6]。但对同种材料，同一种介质工况，则考虑因素就可减少，其中预紧应力、表面不平度、密封面两侧压差是对密封性能起决定作用的三大要素。其相互关系为一定大小的预紧应力只能压平一定程度的不平度并形成封闭环和使封闭环上具有一定大小的反力，从而可以保持一定大小压差的密封性，如果预紧应力不变，不平度加大，则就不能形成封闭环，或即使形成封闭环，但由于封闭环上反力不足，无法密封原来的压差，除非预紧应力足够大，才能保证密封。

对特定垫片和密封介质来说，介质压力和垫片应力（或称残余应力）是影响密封的最重要的因素。为了保证流体的密封，必须在密封表面间施加一个相互作用力，使密封面产生一定的预紧应力，引起不平度的减小。对气体而言分为两种情况：一种是分子2附于密封面内边沿，分子1以P力撞2，则分子2受到的撞击力小于σ_S；另一种是分子1撞击密封面内边沿，受到σ_S抗力，如介质压力P＜σ_S则分子1楔入半球后，受到σ_S抗力不再前进，故不再产生塑性变形，仅产生弹性变形，故P＜σ_S只需一基本闭合宽度。

表面粗糙度是影响密封的重要的因素，法兰的表面粗糙度对密封性能的影响很早便开始研究了。在最早的垫片密封试验(1934年)中曾使用了不同粗糙度的法兰。1979年Raut在其论文中提到，用石棉缠绕垫对四组不同粗糙度的法兰做密封试验，结果表明：y值相同，泄漏量却不一样，表面粗糙度最小者，泄漏量最小，研磨过的密封面的密封效果要比未研磨的密封面密封效果好^[7]。

除以上三大要素之外，温度是影响密封性能的重要因素。温度升高后，介质物理性质变化，连接结构的各元件的高温力学性能发生变化，法兰、螺栓和垫片高温变形影响连接系统密封性能。目前对高温问题的研究较少，因此迫切需要研究温度对连接结构密封性能的影响，以便对连接结构进行优化设计、研制出更好的垫片密封材料，减小高温下的泄漏率^[8,9]。

1.3复合垫片的性能分析与研究

1.3.1垫片的发展历史

平形金属包覆石棉垫片是一种传统垫片，它由石棉板和金属夹壳组成。金属夹壳可增加垫片的强度，同时可防止介质从石棉纤维之间渗漏，但由于金属夹壳与法兰压紧面接触，故其密封性能较差。目前，平形金属包覆石棉垫片主要用于中低压管道和换热器上^[10]。

在80年代，以膨胀石墨为软填料的金属缠绕垫片得到了广泛应用。金属钢带可提高垫片的回弹能力，膨胀石墨带起密封作用，故此种垫片的回弹性能较好，在温度压力波动条件下仍能保持良好的密封。其主要缺点是在直径较大时易于压溃和散架，安装时对螺栓均匀压紧要求较高。

因此，有人想到用几种材料组成的复合垫片来替代原始的垫片。

1.3.2复合垫片的基本结构

复合垫片是一种新型的静密封垫片。它是以金属垫片为骨架，其密封表面上加入多道同心圆沟槽，然后在沟槽中压入石墨材料而制成^[11]。

结构类型：

（1）基本型：该类型（图1-1，a）适用于凸凹法兰和榫槽法兰，也适用于平面法兰

（2）带外定位环型 该类型（图1-1，b）适用于需要安装定位的场合，如平面法兰^[12]。

1.3.3垫片材料

（1）骨架材料：骨架材料（表1-1）可根据不同的使用条件选用。

（2）复合材料：复合材料为膨胀石墨或称柔性石墨。它具有优良的柔韧性、回弹性、自润滑性、耐高温性、耐低温性和耐蚀性，还具有气体的不渗透性和抗蠕变性等^[13]（表1-2）

表 1-1骨架材料性质

	金属名称	最高使用温度，℃	熔点，℃
低碳钢	08	450	1535
15	450	1400
合金钢	Cr18Ni9	540	1420
Cr18Ni2Mo2Ti	540	1420
0Cr13	650	1480
1Crr13	680	1480
1Cr18Ni9Ti	870	1480
Cr23N23	870	1400
蒙乃尔合金	810	1300
因康镍合金	1100	1400
铂	1300	1770

表 1-2：膨胀石墨的主要性能

项目	指标
抗拉强度，MPa	8.2~18.8
抗压强度，MPa	60~80
适用温度，℃	-196~1500
滑动摩擦系数	0.149
回弹率，%	＞40
线膨胀系数	（1.6~4.7）#215;10-5
扩散率，cm2/s	0.026~0.11
氮气渗漏率，ml/（cm２#183;s）	（2.1~3.1）#215;10-4
预紧密封比压，MPa	7.0
垫片系数	1~2
耐蚀性	强酸、强碱、强氧化物等

1.3.4刚性分析

（1）建立力学模型

复合垫片在工作时，螺栓力和系统压力的合力作用于垫片密封表面上。作用在齿尖上的力P使骨架和齿尖产生变形。取一个沟槽为研究对象（图1-2，a），沟槽两侧的齿尖可视为支点，力P作用于沟槽底部的齿尖上，形成一个双支承的简支梁。由于梁的截面从两支点A、B到力作用点逐渐增大且近似呈线性关系，所以可视为变截面等强度梁（图1-2，b）

（2）最大受力变形量计算

根据挠曲线微分方程可求出最大挠度为Y=P_il³／32EI。对于直径为d的齿尖可算出惯性矩f。由于沟槽的数量与垫片的宽度N有关，一般n/N=0.2～0.3，取n/N=0.25。在受力相同的情况下求得复合垫片的最大挠曲变形量与缠绕垫片最大挠曲变形量之比为0.018，可见复合垫片的变形量约为缠绕垫片的2％，而其刚性比缠绕垫片大得多。由于复合垫片骨架的刚性大，在螺栓预紧力的作用下产生较大的弹性变形能，当温度压力波动时变形能及时释放与储存，确保密封的连续性和持久性，避免失弹现象。

1.3.5密封特点

（1）基本性能

可求出或查得的复合垫片各种性能参数下：抗拉强度≥55MPa；抗压强度≥120MPa：压缩率为20％~34.5％；回弹率为20％~65％；垫片系数为2~3.75；预紧密封比压为31.6~71.0MPa；使用温度为-200~870℃；耐辐照为9.1#215;106~1.5#215;107Gy；介质压力≤20MPa；热扩散力为0.11~0.26cm/s；热应力松弛lt;10％；耐蚀性强，除硫酸、盐酸和硝酸在特定的浓度及温度下不适用外，其他介质均可适用。

（2）密封特点

密封可靠。复合垫片金属骨架上下表面均有相互错开的抛物线形沟槽，这就具备了使骨架产生变形的空间。当垫片受压时，骨架可产生弯曲变形，同时齿尖也产生压缩变形，这两种变形均为弹性变形，使金属骨架和膨胀石墨将法兰密封面压得更紧，保证了密封。

回弹性好，使用寿命长。金属骨架的刚性和强度弥补了膨胀石墨刚性差和强度低的不足，而膨胀石墨的柔性又弥补了骨架变形小的特点。复合垫片具有金属垫片和非金属垫片特点，使用寿命长，密封可靠。

便于存运和安装使用。复合垫片不存在散架、散圈和扭曲等问题，特别是大规格垫片这方面的优点更加突出。

制造简单，价格适当。复合垫片金属骨架的沟槽是车制的，加工容易，膨胀石墨的压入也比较方便。其成本和价格仅为缠绕垫片的50％～80％。

（3）柔性石墨----金属复合垫片的垫片应力与密封性能的关系^[14]

由图1-3可见，对于冲刺金属板增强柔性石墨垫片，随垫片应力的增大，垫片的泄漏率减少；但当垫片应力增大到某一值后泄漏率减少的趋势减慢，而在随后的卸载过程中，虽然垫片应力在降低，其泄漏率继续减少，这与上面的分析有相似之处。在随后的垫片应力的减少过程中，泄漏率有所增加，且在试验的垫片应力范围内，其泄漏率均在10^-3cm³/sec或10^-4cm³/sec的数量级。

（4）柔性石墨板的密度对冲剌金属板增强柔性石墨垫片密封性能的影响

对于柔性石墨----金属复合密封垫片而言，影响其气密性能的因素之一是柔性石墨本身的渗透性，因此柔性石墨面板的密度必然直接影响垫片的气密性能。图1-4表明了柔性石墨板初始密度对冲刺金属板增强柔性石墨垫片密封性能的影响，由图可见，柔性石墨板初始密度增高，在产生压缩后，其最终密度也提高，显而易见其泄漏率减小。此外，在同样条件下，起着固体屏障作用的内圆周金属镶边的垫片自然气密性能更好，因此适当提升柔性石墨的密度（例如1.2g/cm³以上）和采用镶金属边的结构有利于减少渗透和泄漏。

1.4垫片设计方法的研究

1.4.1两种规范设计方法

沿用多年的GB150和ASME VII-1规范的垫片密封设计方法，是具有环形垫片的螺栓法兰连接计算规则。这种方法的关键是：一个紧密的螺栓法兰垫片接头必须在安装时将垫片预紧到一定的载荷；操作时，垫片上必须保持足够的最低载荷。其特点是：操作和预紧载荷均基于”规范”推荐的m和y^[15]系数。对每种类型和材料的垫片有一个或一组m和y系数，与密封介质性质、压力、温度等无关。按照m和y代表的概念，”规范”只考虑接头或是”不漏”或是”漏”。即只考虑所设计的螺栓垫片法兰接头在结构上能否保证安全，能否保证接头达到紧密不漏。实际上m、y是非规定性的，只是用来确定垫片安装和操作状态下需要的建议值。

（1）中国压力容器规范的方法

GB150规范除了内压外，不考虑其他外力或外力矩，也不能进行密封性试验。具体计算步骤如下。

①确定操作工况下需要的最小螺栓载荷

②确定预紧垫片需要的最小螺栓载荷

③确定需要的最小螺栓面积

④由需要的最小螺栓面积和实际的螺栓面积决定设计预紧载荷

⑤决定设计操作载荷

接着，规范要求对法兰作弹性应力分析，证实这些螺栓载荷能否为法兰材料的许用应力所接受。显然，整个计算过程没有涉及对接头的泄漏率或密封度要求，而是通过限制法兰应力来满足法兰刚度要求，从而认为满足了控制泄漏的要求。

(2) Whalen的简化方法^[16]

Whalen方法也基于垫片的最小预紧应力和密封介质端部流体静压力。但为简化起见，其使用垫片全接触宽度，不考虑法兰的密封面实际宽度和表面粗糙度。因此，其计算步骤就比较简单。

①计算预紧螺栓的总载荷

②计算端部流体静压力

③减少垫片接触面积或增加预紧螺栓的总载荷。

1.4.2PVRC法

上节所述的GB 150或ASME VII-1规范的法兰连接设计方法已经沿用了多年，其中的垫片系数y和m^[17]引自1943年Ross，Heim和Markle^[18]发表的论文，且没有说明这些数值是经过试验的。近年来不断有人向ASME询问有关这些系数的基础和合理性，而且事实上也有不少容器法兰按照规范计算不能保证严密性，同时不断出现的新的结构或材料的垫片需要补充新的系数。因此，美国ASME锅炉和压力容器委员会压力容器研究委员会（PVRC）在近20多年中进行了广泛的垫片试验研究工作，并在积累的大量数据基础上发现：许多复杂的因素影响垫片性能，包括允许泄漏率、密封介质、内压、装配垫片应力、垫片尺寸和密封表面粗糙度等；垫片的密封性能和垫片应力之间的关系可以定量表示为某些与垫片有关的参数的函数关系^[19,20]，这些参数在确定螺栓载荷中起着重要作用，并且这些重要参数已可代替”规范”中的m和y系数。于是ASME的一个特别工作小组（SWG）制订新的垫片系散和法兰连接设计方法（以下称PVRC方法）。

PVRC方法虽然在法兰弹性应力分析和评定方法与原来规范基本保持不变，但也增加了许多新内容，包括：

I. 使用接头密封度作为设计准则；

II. 采用基于泄漏率的垫片常数 G_b ,a, G_s和相应的计算方法确定螺栓预载荷，新的垫片系数可以定量表示螺栓接头的密封度，且可由标准试验方法得到或验证，计算也给出相应这些系数的法兰应力和密封度的限制范围；

III.对法兰刚度提出要求；

IV. 考虑作用在螺栓法兰连接上的外力和外力矩；

V. 修改螺栓设计面积和设计螺栓操作载荷的定义；

VI.考虑如多程管壳式换热器中分程隔板上的垫片载荷对螺栓载荷的影响。

1.4.3EN1591方法^[21,22,23]

欧洲标准协会(CEN)下属法兰及其接头技术委员会(TC74)已经提出1个新的欧盟法兰计算方法，即EN1591-1垫片圆形法兰连接的设计规则的第一部分-计算方法，按EN 1591-1方法进行计算 时，需要输入1组垫片的特性系数，所以又制订了ENV1591-2法兰及其接头垫片圆形法兰连接的设 计规则的第二部分-垫片系数作补充。由于该标准缺乏充分的数据，不满足设计要求，而垫片参数又与密封性之间没有定量关系，此外，温度对垫片系数的影响也未予反映。为此，CEN/TC74又制订了1个新的欧盟标准(草案)prEN13555法兰及其接头垫片圆形法兰连接设计规则用垫片系数和试验方法，定义了EN1591-1中的垫片系数和垫片试验方法，并解决上述EN1591-2存在的缺陷。prEN13555中的垫片参数更全面、更实质地反应了垫片的重要性，而且这些垫片参数又都是可以通过实验加以确定的。

该计算方法要求满足强度和密封两个准则，考虑法兰-螺栓-垫片系统的全程行为。紧密度标准：在装配条件下，垫片表面压力必须大于最小压缩应力Q_MIN。在随后的计算条件下，紧密度准则要求所有的计算条件下的垫片压缩应力必须大于相应紧密度等级要求的最小垫片应力Q_I或Q_SMIL(L)。

EN1591-1特别适合于下列场合：法兰承受热循环载荷，且其影响是主要的；螺栓载荷需要采用规定的拧紧方法控制；存在较大的附加载荷（如管道推力和弯矩）或对密封的要求特别要求。

1.4.3数值计算法^[24]

由于计算机技术的迅速发展和普及应用，用数值方法进行密封结构设计和性能研究，已获得了广泛的应用，包括差分法、有限单元法（FEM）、数字仿真和最优化技术等。其中FEM已成为密封设计的重要工具。FEM可以用于分析密封元件的各种应力或变形，对密封性能进行数值分析和预测，因此可解决传统经验法、数学解析法和试验分析法等不能解决的复杂和疑难的密封问题。近年来，随着密封理论和实践的不断发展和完善，FEM在法兰接头的密封分析中也备受青睐。如前所述，在大多数情况下，规范对法兰接头进行标准设计，经过长期的实际使用证明其能满足一般的密封要求，但它们主要还是凭借经验或有限的实验数据，其结果也是定性的多，定量的少。对于复杂的密封结构（如换热器管板和头盖法兰的组合结构），或承受除压力外的其他外载荷（如外弯矩和轴向力），或承受瞬态的压力或（和）热循环工况，特别是回答法兰接头是否达到密封等问题，传统的经验设计方法就无能为力了。尽管有些规范，如上述的PVRC和EN1591方法根据多年的科学研究成果，对垫片密封设计方法进行了修改，例如给出了与泄漏率密切相关的垫片性能参数，以及各种工况下的计算垫片应力的方法。但据此得到的垫片应力仅是平均值，螺栓载荷，法兰的应力和变形也不是真实的情况。实际上，垫片应力在法兰密封面上的分布是非均匀的。基于FEM方法，对实际法兰接头进行数值模拟后，就能得到包括螺栓载荷、法兰变形和应力、垫片应力分布等重要信息。如图1-5（a）所示为一管道法兰接头的3维轴对称有限元模型，图1-5（b）是预紧工况下垫片应力在密封面上的分布云图。FEM可以模拟垫片的非线性和滞迟特性的载荷-变形关系，也可以模拟预紧螺栓程序、外载荷或（和）热载荷、开工或停工时的瞬态工况，从而获得这些条件下的垫片、螺栓和法兰的特性，为对其进行机械完整性和连接密封性分析提供了充分而接近真实的数据。虽然FEM获得了广泛应用，但不能完全代替试验分析法。当问题过于复杂或需要对它们的结果进行验证时，试验分析仍是必要的方法，但相对试验分析法，运用FEM可降低对密封模拟试验或原型试验的要求，同时节省了时间和成本。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

垫片是重要的密封元件，其蠕变和应力松弛、降低的回弹能力会降低垫片的密封性能，其密封性能直接关系到系统的严密性。理想的垫片密封材料应具有表面易屈服、整体回弹性能好的综合特性。寻找新型密封复合材料，兼顾力学性能、高温性能、密封性能和工艺性能成为如今重要的研究课题。

本课题将设计一种新型复合垫片，并采用数值模拟方法对复合垫片的力学性能进行研究，结合垫片工况条件、工作原理及其数值模拟，对复合垫片结构参数进行优化，以保证垫片能达到密封要求。具体内容如下：

1．对螺栓法兰连接复合密封垫片的结构类型及其性能参数相关文献进行查阅并对其表征方法进行综述，