第４１卷第６期 ２０１２年６月 当 代 化 工 Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｖ０］．４１．ＮＯ．６ Ｊｕｎｅ，２０１ ２ 柔性石墨金属波齿复合垫片金属骨架 结构参数的研究 刘宏超，任建民 （辽宁石油化工大学机械【 程学院，辽宁抚顺１１３００１） 摘 要：在金属波齿复合垫片的金属骨架上，施加一定的压紧应力（４５ ＭＰａ）。在二组的不同结构参数下， 采用有限元法对三种不同齿尖厚度做对比分析，了解它的密封性能。分析结果表明，在齿尖部位，随着其厚度 的增加，波齿环上的应力出现迅速均化的现象，整体变形减小。可知，适当的齿尖厚度，能够使波齿垫片的承 载能力得到极大的提高。 关键词：金属骨架；结构参数；有限元应力分析 文献标识码：Ａ 文章编号： １６７１—０４６０（２０１２）０６—０６１７－０３ 中图分类号：ＴＢ ４２ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｓｋｅｌｅｔｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｇｒａｐｈｉｔｅ Ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｇａｓｋｅｔｓ ＬＩＵＨｏｎｇ—ｃｈａｏ，ＲＥＮＪｉａｎ—ｍｉｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｓｈｉｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｆｕｓｈｕｎ １ １ ３００ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｅｒｔｉｎｇ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ（４５ ＭＰａ）ｏｎ ｍｅｔａｌ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｍｅｔａｌ ｇａｓｋｅｔ，ｕｎｄｅｒ ｔｈｒｅｅ ｇｒｏｕｐｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｏｏｔｈ ｔｉｐ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｔ ｔｈｅ ｔｏｏｔｈ ｔｉｐ ｓｉｔｅ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｗａｖｅ ｇｅａｒ ｒｉｎｇ ａｐｐｅａｒｓ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｒａｐｉｄ ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎ．ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｔｏｏｔｈ ｔｉｐ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｇａｓｋｅｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｍｅｔａｌ ｓｋｅｌｅｔｏｎ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ；Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ 垫片密封是过程Ｔ业装置中压力容器、Ｔ艺设 １垫片结构型式与密封原理 １．１ 结构型式 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。目前常用的一些垫片如橡胶板垫、缠绕 垫、包覆垫和金属齿形垫等存在易散架、易压溃和 预压紧力较高等缺陷¨ｊ，基本上难以满足各种各样 的密封要求。 波齿复合垫片是近年来在石油化工等过程工业 柔性石墨金属波齿复合垫片的结构型式分为基 本型、带定位环型和带隔条型 。金属波齿垫片骨 架结构分为“Ｖ”形槽、梯形槽和圆弧形槽，齿型 分为对齿和错齿两种形式 。金属骨架材料有ｏ８（１ｏ） 或类似低碳钢、１ Ｃｒ ＯＣｒｌ Ｎｉ。或类似奥氏体不锈钢、 中应用较广泛的静密封元件之一，其主体是由带多 道同心圆波齿的金属骨架和两侧的柔性石墨覆层复 蒙奈尔合金或其他特殊材料。基本型垫片的结构及 组成如图１所示，垫片整体厚度为 圆弧半径为 齿间距为尸，齿深为 ，齿厚度为ｆ， 为内径， 为外径，网格处为柔性石墨层。 合而成。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Ｔ等行业的法兰连接设备和管道静 密封上 。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，缺乏科学的理 论分析，致使垫片性能差异很大，安全可靠性得不 到保证。因此，合理设计骨架的波齿结构是非常必 要的 图１ 基本型柔性石墨金属波齿复合垫片 Ｆｉｇ．１ Ｂａｓｉｃ ｔｙｐｅ ｏｆ ｌｅｘｉｆｂｌｅ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｍｅｔａｌ ｔｏｏｔｈｅｄ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｇａｓｋｅｔ 收稿日期：２０１ ２－０３—１ ７ 作者简介： 刘宏超（１９８４一），男，辽宁凌源人，辽宁石油化工大学在读硕士研究生，研究方向：密封技术。Ｅ ｍａｉｌ：１ ３８４２３５７４６９＠１ ６３．ＣＯＮ 化 工 １．２密封原理 划分可采用自由网格划分方法，单元采用四边形单 元，南于各种垫片在结构参数上的差异，各个垫片 柔性石墨金属波齿复合垫片的金属骨架具有良 好的压缩性和回弹性，使用时在螺栓法兰上施加一 定的预紧应力，将柔性石墨材料压入骨架和法兰的 沟槽中，金属骨架上下表面的环形齿尖和法兰紧密 骨架模型网格划分后，节点数１ ０００左右，四边形 单元数在９００左右，齿尖宽为０．１ ｍｍ波齿垫片骨架 单元网格划分情况见图３。 接触。当法兰被进一步加大应力时金属骨架产生弹 性变形，会使膨胀石墨受到压缩，使其封闭在金属 骨架和法兰面之间形成的环形密闭空间里 。于此， 整个波齿复合垫片就形成了多道的金属材料和膨胀 图３波齿垫片骨架单元网格划分 石墨材料相结合的双重密封。 ２波齿垫片金属骨架的性能研究 ２．１数值模拟计算 根据我国２００３年１２月出版发行的中华人民共 和国国家试验标准，波齿垫片骨架的试样规格是 １２０．５ Ｔｒｉｍ ｘ ８４ ｍｍ ｘ ３．０ ｍｍ ６ Ｊ￣本文作者主要研 究基本型垫片，其内径 ＝８４ ｍｍ、外径 ＝１２０．５ ｍｍ、骨架厚度ｔ－＝３ ｍｍ、齿尖厚度分别为０ｍｍ、０．０５ ｍｍ和０．１ ｍｍ。金属波齿复合垫片的骨架结构，其 具体结构尺寸如表１。 表１ 本研究中的波齿复合垫片结构尺寸 Ｔａｂｌｅ １ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅ ｔｏｏｔｈ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｇａｓｋｅｔ ＡＮＳＹＳ结构分析是有限元分析中最常用的一 个应用领域，主要用于确定结构或部件上引起的位 移、应力、应变、变形和力等，正符合研究垫片的 形变和应力分布情况。由于垫片只承受轴向载荷力 的作用，而在几何和载荷方面均属于轴对称，所以 可以看作平面问题分析，齿尖宽为０．１ ｍｍ波齿垫片 骨架横截面示意图如图２。前期处理中，单元类型 采用“ｐｌａｎｅ４２”，材料的弹性模量为２．０６ｅｌｌ，泊松 比为０．３ 。边界条件和载荷方面，在模型两端沿Ｘ 方向固定、上表面 方向移动、下表面 向施 加轴向载荷４５ ＭＰａ 。 ３ ６ 图２波齿垫片骨架横截面示意图 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｇａｓｋｅｔ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ２．２网格划分 南于实际问题和在几何模型上的简化，故网格 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｇａｓｋｅｔ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｕｎｉｔ ｍｅｓｈ ２＿３加载求解 计算模型所加的载荷和边界条件，０．１ ｍｍ齿尖 宽波齿垫片骨架承载见图４，３种规格垫片其边界条 件是相同的。 图４波齿垫片骨架承载 Ｆｉｇ．４ Ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｇａｓｋｅｔ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｃａｒｒｙｉｎｇ ３波齿垫片骨架数值分析结果 通过对垫片金属骨架进行数值模拟得出金属骨 架受力后的轴向应力分布和变形，由此分析不同结 构参数对垫片金属骨架力学性能的影响，图５是齿 尖宽为０．１ ｍｍ波齿复合垫片骨架变形图；图６—１４ 分别是齿尖宽为０ ｍｍ、０．０５ Ｐｉｒｍ和０．１ ｍｍ波齿复 合垫片骨架沿垫片骨架下表面 Ⅱ载面）节点的轴向 应力分布等值线图。 图５垫片骨架变形图 Ｆｉｇ．５ Ｇａｓｋｅｔ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｆｉｇｕｒｅ ３．１ ０ ｍｍ齿尖宽结构 －Ⅷ．３ ！ ３３Ｅ＋０－．２８” ＋０８．２２１Ⅲ－．８Ｉ ＋０ １ｏＥ ” ￣１０９１７６７８ 图６ Ｒ＝２ ｍｍ轴向应力等值线图 Ｆｉｇ．６ Ｒ＝２ ｍｍ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｏｕｒ ｍａｐ ＿＿—＿●国圈雕嗣重薯蕾＿＿—＿—霉嚣翟离 ＝＝＝ ＿＿＿—＿＿＿● Ｐａ 。 ； ；晶 。 ；。。 ｛ ｛ ％＋。 图７ Ｒ＝２．５ｍｍ轴向应力等值线图 Ｆｉｇ．７ Ｒ ２．５ ｍｍ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｏｕｒ ｍａｐ 第４１卷第６期 刘宏超，等：柔性石墨金属波齿复合垫片金属骨架结构参数的研究 ６１９ 夏 ・ 躅 紫 写蠢蔫 。 ．４３４Ｅ＋０８ 一．３１７Ｅ＋Ｏ８ 一．２００Ｅ＋０８ ．８３７Ｅ￣０７ ．３２９Ｅ＋０７ 图８ Ｒ＝３ ｍｍ轴向应力等值线图 Ｆｉｇ．８ Ｒ＝３ ｍｍ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｏｕｒ ｍａｐ ３．２ ０．０５ ｍｍ齿尖宽结构 图９ Ｒ＝２ ｍｍ轴向应力等值线图 Ｆｉｇ．９ Ｒ＝２ ｍｍ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｏｕｒ ｍａｐ 缸：？；４２Ｅ ； ！ ９Ｅ ＋０８１６Ⅲ－．８１ ｎ＋０．８Ⅲ Ｅ＋－．０８４ 盟０７ 图１０ Ｒ＝２．５ ｍｍ轴向应力等值线图 Ｆｉｇ．１０ Ｒ ２．ｍｍ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｏｕｒ ｍａｐ Ｐａ ” ｉ 。 ； ； 。 ％＋。 图１１ Ｒ＝３ｍｍ轴向应力等值线图 Ｆｉｇ．１１ Ｒ＝３ｍｍ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｏｕｒ ｍａｐ ３．３ ０．１ ｍｍ齿尖宽结构 图１２ Ｒ＝２ ｍｍ轴向应力等值线图 Ｆｉ２．１２ Ｒ＝２ ｍｍ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｏｕｒ ｍａｐ 图１３ Ｒ＝２．５ ｍｍ轴向应力等值线图 Ｆｉｇ．１３ Ｒ ２．５ ｍｍ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｏｕｒ ｍａｐ 图１４ Ｒ＝３ｍｍ轴向应力等值线图 Ｆｉｇ．１４ Ｒ＝３ ｍｍ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｏｕｒ ｍａｐ ４结果分析 （１）从图６－８中可以看出，在齿尖厚度为０ ｍｍ 时，在齿距比较小的时候，整个波齿环上的受力分 布比较均匀，且齿尖应力比较集中，最大应力很小， 可以看出，整体的受载变形不大，整个波齿环的刚 度比较大。当齿距增大的时候，齿峰的应力增加比 较迅速，整个波齿环上的应力分布趋于分散，受载 变形趋于增大，整个波齿环上的刚度变小。 （２）从图９一ｌ４中可以看出，在齿尖部位，随着 厚度的增加，齿环上的应力出现了迅速均化现象，整 体变形减小，可知，适当的齿尖厚度在某种程度上可 以提高垫片的承载能力。同时，随着半径圆弧的尺值 的增大，相应点的最大应力值也增大，说明大圆弧条 件下的承载能力削弱，柔性增大，有利于形成预紧密 封，可知，小圆弧多齿数的波齿复合垫片具有更好的 承载能力，且最大应力均作用在齿尖部。 （３）应用ａｎｓｙｓ软件对波齿环进行数值模拟 的分析结果来看，波齿垫片的受力状况随着齿尖厚 度、圆弧半径、齿距和齿数的变化而变化，所以在 生产制造时，对于波齿环结构的具体尺寸必须进行 严格的控制。 ５结论 运用有限元软件对波齿环进行数值模拟计算， 根据应力的分布情况，可知波齿环的结构参数，对 波齿复合垫片的性能有直接的影响，结构参数的优 化和新型垫片的开发需要通过实验进一步论证。下 一步的主要任务就是在金属骨架方面，选用各种不 同的齿尖厚度、圆弧半径、金属骨架厚度及齿深， 在标准的实验压紧应力条件下进行对比分析，从而 获得最佳结论。 参考文献： ［１］顾伯勤．静密封设计技术［Ｍ］．北京：中网标准出版礼，２００４ ［２］刘宗良，刘东．金属波纹垫片及其发展ｆＪＩ．石油化Ｉ：没备技术， ２００１．２２ｆ５１：３９—４０． ［３］ＧＢ／Ｔ １９０６６．１—２００３柔性石墨金属波齿复合垫片分类【ｓ】．中华人民 共和国国家质量监督检验检疫总局，２００３—１２ ［４］张文娟，段兹华．石墨波齿复合垫片的密封性能【Ｊ１．化 进展， ２００６，２５：６２５—６２７ 【５］李多民，段兹华，仇性启．波齿复合垫片常温压缩回弹性能实验研 究Ｉ Ｊｌ润滑与密封，２００９，３４（３）：９１—９３ ［６］ＧＢ／Ｔ １９０６６．３—２００３柔性石墨金属波齿复合垫片技术条件 ．中华 人民共和罔国家质量监督检验检疫总局，２００３—１２． ［７］李多民．石墨金属波齿复合垫片力学性能的有限元分析『Ｊ１．润滑 ｊ 密封，２００９，３４（１ １）：６４—６７． ［８］尚庆军，周先军．波齿复合垫片结构参数研究『Ｊ１．压力容器，２００３， ２０（７）：１３—１５．
