多因素条件下非石棉橡胶垫片密封性能*

张 斌 周剑锋 宇晓明 胡宁宾 陈春辉 孔慈宇

(1.江苏省电梯智能安全重点建设实验室，常熟理工学院机械工程学院 江苏常熟 215500;2.江苏省过程强化与新能源装备技术重点实验室，南京工业大学机械与动力工程学院 江苏南京 211816)

螺栓法兰连接是工业中最常见的连接结构，其在石油、化工、核能、航空航天等行业有着广泛的应用。而垫片作为螺栓连接结构中核心部件，对设备的安全运行起着至关重要的作用[1-3]。石棉纤维橡胶板曾是一种广泛使用的密封材料，但由于石棉纤维对人体与环境的危害严重，国内外研究机构和企业陆续着手研发非石棉短纤维增强橡胶密封复合材料，并已进入推广使用阶段。非石棉增强纤维已由有机纤维向无机纤维、单一纤维向混杂纤维发展，主要有芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、钛酸钾晶须和硼纤维等，品种日益丰富[4-6]。

关于垫片密封性能，国内外学者开展了大量研究。张雨果等[7]研究了膨体聚四氟乙烯垫片厚度对密封性能的影响，结果表明，随着垫片预紧应力的增加，垫片的泄漏率减小，泄漏率和垫片预紧应力成负指数关系；当预紧力达到一定值时，泄漏率趋于稳定。励行根等[8]对柔性石墨金属波纹复合增强垫片密封性能进行了试验研究，发现石墨覆盖层厚度对复合垫片的密封性能有重要影响。贾丙中[9]研究了不同结构参数下垫片的压缩回弹和密封性能，得到了垫片应力和泄漏率之间的关系，给出了2×10-5cm3/s目标泄漏率下的垫片系数m值和预紧比压y值。GU等[10]提出了多孔介质模型来研究垫片的密封性能，发现该泄漏模型能很好地预测垫片的泄漏率。

上述的研究主要集中在不同垫片厚度和预紧力下的泄漏率测试，很少见到综合考虑密封介质压力、垫片尺寸效应和预紧力等多因素的研究。本文作者以非石棉橡胶垫片为对象，研究预紧应力、介质压力和垫片尺寸效应等多种因素对泄漏率的影响。

1 试验部分

1.1 试验试样

试验所用的非石棉橡胶垫由张家港市苏港密封材料有限公司生产，在材料选用和加工技术方面严格按照化工行业标准HG/T 20610-2009。以3组不同尺寸垫片为试验对象，每组5个，共15个垫片试样，如图1所示。垫片的尺寸分别为φ107 mm×61 mm×3.0 mm(DN50)、φ141 mm×89 mm×3.0 mm(DN80)、φ194 mm×141 mm×3.0 mm(DN125)。

1.2 试验设备

试验在自制的泄漏率测试平台上进行，该试验平台主要由垫片加载系统、介质供给系统、测漏系统和试验法兰等组成。加载系统为液压万能试验机(WEW-1000D)，其最大试验载荷为1 000 kN，加载、卸载速度在0.01～500 mm/min之间。试验介质为99.99%高纯氮气，试验测漏系统部分如图2所示，泄漏率测试精度为1×10-5cm3/s，最大可测垫片外径为250 mm。

图2 测试平台中的测漏系统

1.3 试验方案

试验依照标准GB/T 12385-2008《管法兰用垫片密封性能试验方法》进行。非石棉橡胶垫片的标准预紧应力为35 MPa，最大允许介质压力为4.0 MPa。试验选取的预紧应力范围为35～50 MPa，介质压力范围为0.5～3.0 MPa。试验中的加载速度为0.2 MPa/s，当预紧应力加载至设定值后，保持15 min，随后通入氮气，保持10 min后开始测试泄漏率，每个工况条件下测试3组数据取平均值。

2 试验结果

试验施加的介质压力分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa 6个等级。图3示出了DN50型非石棉橡胶垫片在预紧应力分别为35、40、45、50 MPa时的泄漏率曲线。可知，当介质压力相同时，垫片的泄漏率随着预紧应力的增大而减小；当预紧应力一定时，垫片的泄漏率随着介质压力的增大而增大。在选定工况下，泄漏率范围为0.048～1.33×10-3cm3/s，泄漏率波动较大。

图3 非石棉橡胶垫片DN50泄漏曲线

图4示出了DN80型非石棉橡胶垫片在预紧应力分别为35、37.5、40、42.5、45 MPa 时的泄漏率曲线，其泄漏率曲线变化规律与DN50型垫片大致相同，泄漏率值与DN50型相比有所降低。例如，在预紧应力40 MPa、介质压力0.5 MPa的工况下，DN50型垫片的泄漏率为2.54×10-3cm3/s，DN80型垫片的泄漏率为1.40×10-3cm3/s，泄漏率降低了44.9%。当预紧应力为45 MPa，介质压力为0.5 MPa时，DN80型垫片的泄漏率为5.50×10-4cm3/s，密封效果良好。

图4 非石棉橡胶垫片DN80泄漏曲线

图5示出了DN80型非石棉橡胶垫片在预紧应力分别为35、37.5、40、42.5、45 MPa时的泄漏率曲线。该型垫片泄漏率变化规律与DN50型和DN80型垫片相似，但相同工况下的泄漏率值有所降低。例如，在预紧应力40 MPa、介质压力0.5 MPa的工况下，DN125型垫片的泄漏率为9.76×10-4cm3/s，相较于DN50型垫片泄漏率降低了61.6%。当预紧应力为45 MPa，介质压力为0.5 MPa时，DN80型垫片泄漏率达到3.356×10-4cm3/s，密封效果良好。

图5 非石棉橡胶垫片DN125泄漏曲线

综上可知，在相同的预紧应力和介质压力下，非石棉橡胶垫片尺寸越大，泄漏率越小。其主要原因是，随着垫片尺寸的增加，有效密封面宽度增加，泄漏率随之降低。

3 泄漏模型

常见的密封垫片泄漏模型有平行圆板、三角沟槽和多孔介质3种[11-13]。其中，多孔介质泄漏模型更适用于非金属垫片，因此文中采用多孔介质泄漏模型来预测非石棉橡胶垫片的泄漏率。氮气在非金属垫片密封连接结构中的泄漏运动属于不可压缩黏性流体的层流流动，不存在分子流。垫片的泄漏率LL与介质压力p1、预紧应力SG及外径Dx的关系[10，14]可由式(1)表示。

(1)

式中：AL、nl为回归系数；ηx为气体的动力黏度，其中，试验所用氮气动力黏度η=1.75×10-5Pa·s；SG0为垫片最小预紧压力(对于非石棉橡胶垫片，SG0取值为30 MPa)；D0为试验垫片的最大外径。

通过Statistica软件对试验数据进行拟合，得到的拟合系数如表1所示。可知，泄漏模型的相关系数为0.85，与试验结果吻合度不高，其主要原因是文中综合考虑了介质压力、垫片尺寸效应和预紧力等多个影响因素，过多的变量造成了原有多孔介质泄漏模型预测不准确。

表1 非石棉橡胶垫片泄漏方程的回归系数

基于原有多孔介质泄漏模型，增加了2个回归系数，采用回归分析法，经过多次的拟合与验证，获得了改进模型，如式(2)所示。

(2)

式中:ml、ul为新增的2个回归系数。

对改进后的泄漏模型进行拟合，得到了非石棉橡胶垫片泄漏率试验的回归系数AL、nl、ml、ul，其结果列于表2中。可知，改进后泄漏模型的相关系数为0.94，能较好地表征试验结果。

表2 非石棉橡胶垫片泄漏方程修正后的回归系数

以预紧应力为40 MPa下的DN50型垫片为例，将试验结果与拟合公式(1)和(2)得到的泄漏率曲线进行对比，如图6所示。结果表明，改进后泄漏模型的预测值与试验结果更为接近，更适用于非石棉橡胶垫片的泄漏率预测。

图6 DN50型垫片泄漏率预测值与试验结果对比

4 结论

(1)以3种不同尺寸的非石棉橡胶垫片(DN50、DN80和DN125)为研究对象,对不同预紧应力和介质压力下的垫片进行试验，获得了泄漏率随工况条件和垫片尺寸的变化规律。

(2)当介质压力相同时，预紧应力越大，垫片泄漏率越小；当预紧应力相同时，介质压力越大，垫片泄漏率越大；当预紧应力和介质压力相同时，垫片尺寸越大，泄漏率越小。

(3)采用改进后的多孔介质泄漏模型对试验数据进行了拟合，结果表明，改进后泄漏模型的预测值与试验结果更为接近，相关系数为0.94，可有效预测非石棉橡胶垫片的泄漏率。