非金属垫片密封的寿命预测模型

1、非金属垫片密封的寿命预测模型2021年6月第34卷第6期润滑与密封LUBRICATIONENGINEERINGJune2021非金属垫片密封的寿命预测模型李玉艳顾伯勤(1.南京工业大学机械与动力工程学院江苏南京210009;2.浙江国泰密封材料股份浙江杭州311255)摘要:考虑到垫片的载荷历程及其材料退化对密封性能的影响,依据多孔介质泄漏模型,建立了非金属垫片密封寿命的物理模型;对非石棉橡胶垫片密封进行了恒加速寿命试验,确立了寿命分布模型;结合寿命试验数据对非石棉橡胶垫片密封的寿命进行了预测,预测结果与工程实际相符.关键词:垫片;密封;寿命;预测模型中图分类号:TB42文献标识码:A文章编号

2、:02540150(2021)60523LifePredictionModelofNonmetallicGasketSealingLiYuyan.GuBoqinI'(1.CollegeofMechanicMandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,NanjingJiangsu210009,China;2.CathayPacking&SeMingCo.,Ltd.,HangzhouZhiang311255,China)Abstract:Consideringtheeffectofthegasketcompressiv

3、estresschangeandthedeteriorationofmaterialsonsealingperformance,thephysicalmodelforpredictingthelifeofnonmetallicgasketsealingWasbuiltaccordingtothetransfertheasbestosfibergaskets,andthelifedistributionmode1wasputforward.Accordingtothetestingdataandthepresentedmodel,thelifeofcompressednon-asbestosfi

4、bergasketsealingwaspredicted,andtheresultsaccordwiththoseofthejointsinservice.Keywords:gasket;sealing;life;predictionmodel非金属垫片密封广泛应用于过程工业各部门,其密封一旦失效不仅会造成巨大的经济损失,而且会污度来讲,准确预测既定工况下垫片密封的寿命,具有重要意义.目前,已有许多学者针对垫片密封寿命展开了研究,其中陈永林和袁立明在考虑垫片材料老化根底上给出了寿命计算公式,但忽略了垫片载荷的变化历程;陆晓峰等对垫片密封作了高温情况下变形协调分析,提出了基于高温蠕变的垫片密封寿

5、命预测方法,但并未考虑材料劣化对寿命的影响.现有的寿命评价方法主要集中在理论推导和试样数量很少的试验研究根底上,尚未建立基于较多试验数据并综合考虑垫片密封特性及其寿命随机性的寿命的劣化,在多孔介质泄漏模型的根底上建立了垫片密封寿命的物理模型,并通过加速寿命试验确定了寿命基金工程:国家自然科学基金工程(10872088);教育部博士点基金工程(20070291004);扬子石化公司科技开发工程.收稿日期:20211210作者简介:李玉艳(1984一),女,硕士研究生,研究方向为流体密封与测控技术.E-mail:sunnyl01sin,corn.分布模型.1非金属垫片密封寿命的物理模型螺栓预紧载荷

6、为垫片提供了初始压紧应力,保证了密封连接的初始紧密性.但是,垫片应力不是恒定的,随着服役时间的延长,垫片会发生蠕变松弛,其Maxwellian7模型,采用如下动力学经验表达式描述引:,/一,1,or/or0=AexPlBexpfltl(1),/式中:or.为垫片初始压紧应力;or为任意时刻t时的垫片剩余压紧应力;A,B,C和为与温度无关的常数;T为开氏温度;t为时间.垫片密封的泄漏通道主要由2局部组成:一是垫片材料内部的孔隙,二是垫片外表与法兰面接触处的间隙.对长期服役的非金属垫片而言,一方面,其部分组分会发生分解和氧化,导致垫片失重,密度降低,材料内部孔隙数量增多,孔径增大;另一方面,垫片的

7、回弹性能降低,减弱了其填充接触面间间隙的能力,这种间隙同样随着服役时间的延长而增大,增多2021年第6期李玉艳等:非金属垫片密封的寿命预测模型53退化条件下的非金属材料,其物理性能随时间的增加呈规律性变化j.用f()来表征孔隙的大小与数量,-厂(s)随t的单调变化,其可用以下公式表示:)=):Dexp(一Eexp()(2)式中:D,E,F和为与温度无关的常数;t为时间.非金属垫片材料可以近似看作是各向同性的多孔介质,介质通过垫片的总流率,J(流率)为层流流率和分子流流率之和,即:=AL吉(ors)+A寺()】c3式中:P.和P分别为垫片两侧的介质压力;f为垫片的有效宽度;为介质的动力黏度;M为

8、介质的分子量;为垫片标准安装应力.文献10研究说明:压力容器和管道的大部(1)一(3),并将流率转化成工程上常用的体积流率,那么非金属垫片密封泄漏率可由下式表示:L/exp(xp(一号)0_n(p.一P2)(4)式中:A,B,C,n和为回归系数.将式(4)左右两边取对数并考虑到实际工况作近似处理得到:lnt=0+blnlntr+clnln(10P)+d/T(5)式中:0,b,C和d为回归系数;P=p-p:.2垫片密封的寿命分布模型垫片密封在服役期间,由于外界因素干扰或自身缺陷都会造成其寿命的不确定性,因此个别试样的实准确预测垫片工程寿命,必须明确其分布规律.表1加速寿命试验方案和试验结果Tah

9、】e】Testschemeandres1l】ts0fthacleratedlifetest试验介质压力水试验温度垫片应力故障时号平/MPa水平/K水平/MPa间/h垫片密封寿命的实验室数据和现场数据都较少,程工业中影响垫片密封寿命的主要因素有温度,垫片应力和介质压力¨.采用芳纶纤维增强橡胶垫片(675×4,43×1.5mm)作3应力4水平的恒加速寿命试验,以泄漏率到达1×应用均匀设计方法制定的试验方案,对3O个芳纶纤维增强垫片密封做了5组恒加速寿命试验,得到了26个寿命数据,相应的试验结果如表1所示.常见的分布有正态分布,指数分布,对数正态分布和威布尔分

10、布.威布尔分布具有广泛的适应性,大量的实践说明,但凡因某一局部失效或故障就会引起全局机能停止运行的元件,器件,设备等的寿命都可看作或近似看作满足威布尔分布.结合专家意见,假设非金属垫片密封的寿命满足威布尔分布:F(t)=1一exp()t>10(6)式中:m为形状参数,m>0;71为尺度参数,田>0.采用范一蒙特福特方法进行威布尔分布假设检验,对5组寿命分别计算范-蒙特福特统计量,其结果如表2所示.Table2ResultsofVanMonfforthypothesistesting试验号t2345Fo.由表2可知,各组试验的F值均介于R.和.之间,所以

11、不能拒绝假设,即可认为该类垫片密封的寿命服从威布尔分布.加速试验要求产品失效机制不变,即要求威布尔检验法-进行检验,得到统计量:B/C=3.33/1.04=3.21(7)取显着性水平=0.05,查可靠性统计表可知(4)=9.488.由于/C<(4),所以不能拒绝假设,可认为5组应力组合水平下的诸间无线性无偏估计方法得到m的近似无偏估计为:赢=1.565.3寿命预测模型确实定通过假设检验可知,垫片密封寿命服从尺度参数m为1.565的威布尔分布.由式(6)可得E(反)-ln/.=0+6(口)+c(p)+d()(8)式中:i为试验序号;.,k,z分别为各组试验中各应力的水平数.采用最正

12、确线性无偏估计方法(BLUE)对式(8)润滑与密封第34卷中的参数进行回归.令X=123451(Or2)1()1(Or5)1(4)1()A=那么式(8)(五)=XO,0=A,.0AA,A.0A,可以表述为:由高斯.马尔科夫定理及试验数据,BLUE为0=(X'A)X'A=(9)可得0的由此可得工况条件:35MPa,P=0.6MPa,T=298K时寿命的对数=10.41nln(0.5x10.)其平均寿命为一/1,E(T)=而厂I1+÷H,l的非石棉橡胶垫片密封连接50%左右在服役17个月后有不同程度的泄漏,这与预测结果根本吻合.4结论(1)在考虑垫片压紧载荷历程以及温度和

13、时间共同作用下垫片材料退化对其密封性能影响的根底上,建立了基于多孔介质模型的非金属垫片密封寿命作温度,介质压力,垫片应力之间的关系.(2)对30个芳纶纤维增强垫片密封做了5组恒加速寿命试验,得到了26个寿命数据,通过对这些威布尔分布.(3)结合垫片密封的物理模型和寿命分布模型,采用最正确线性无偏估计方法得到了物理模型中的回归参数,运用所建立的模型预测了非石棉垫片密封连接的寿命,预测结果符合工程实际情况.参考文献【1】陈永林.螺栓法兰连接系统可靠性研究D.南京:南京工业大学,2001.【2】袁立明.芳纶纤维橡胶基密封材料的热氧老化研究D.南京:南京工业大学,2004.方法J.南京工业大学,200

14、2,24(4):1417.connectionsbasedoncreepanalysisisatelevatedtemperatureJ.JournalofNanjingUniversityofTechnology,2002,24(4):1417.【4】胡少波,顾伯勤.静密封寿命的模糊综合评判方法J.石油化工设备,2006,35(5):l518.typesealusingfuzzycomprehensivedecisionprocessJ.PetreChemicalEquipment,2006,35(5):1518.【5】SassoulasH.Ageingofmetallicgasketsfo

15、rspentfuelcasks:Centurylonglifeforecastfrom25,000一hlongexperimentsJ.NuclearEngineeringandDesign,2006,236:24112417.【6】MihaelaPaunescu.Experimentalresal-chregardinggasketsdurabilityJ.InternationalJournalofFatigue,2006,28:10811086.【7】TobolskyAV.PropertiesandStructureofPolymersM.JohnWileyandSons,1960.种表

16、示方法J.特种橡胶制品,1980,45(4):4550.vulcanizedrubberunderstressstateJ.SpecialPurposeRubberProducts,1980,45(4):4550.究J.特种橡胶制品,1997,18(1):4251.calpropeyofvulcanizateduringtheperiodofheatageingJ.SpecialPurposeRubberProducts,1997,18(1):4251.eratesthronghsealingconnectionswithnonmetallicgasketsJ.ChineseJournalofChemicalEngineering,2007,15(6):