压缩非石棉纤维橡胶垫片密封材料性能研究的进展

1、压缩非石棉纤维橡胶垫片密封材料性能研究的进展谢苏江 蔡仁良( 华东理工大学化工机械研究所 ,上海 200237)摘要 综述了压缩非石棉纤维橡胶垫片密封材料( CFS) 的性能研究和开展 、应用现状 ,对 CFS 的根本性能 、高温时效性能 、蠕变松驰行为和垫片常数的研究和开展情况作了较系统的介绍 。关键词垫片 压缩非石棉纤维橡胶垫片 性能前言垫片密封质量不仅仅取决于密封垫片 , 而且与 整个垫片 螺栓 法兰连接系统相关 , 包括垫片的安装 ,螺栓载荷 ,介质的压力 、温度和性能等因素 。其中 ,垫片的性能仍是其最主要因素 ,垫片的机械完整 性 、垫片厚度的损失而引起的螺栓载荷下降 、垫片的骤

2、。研究以 CAF 为参比 , 以 CFS、PTFE、柔性石墨垫片 、金属包复垫片和缠绕垫片等多种商业产品为研 究对象 , 采用物理模型和数学方法归纳 、探索评定密 封材料质量的方法 , 研究高温时效后它们的性能变化 , 以预测保证密封垫片材料长期有效和平安操作13 ,6的使用条件。本文综述了国内外在这方面对 CFS的研究情况 。1 , 2衰减均可能使逸漏转化为大泄漏。随着无石棉密封材料的出现 , 对密封要求的提高以及对环境安 全考虑的增加 , 防止或减小泄漏变得越发困难和重 要 ,合理设计 (包括垫片选择 、评定 、安装 、操作) 可以 减少或防止逸漏和大泄漏 , 其中尤以垫片的选择和 评定最

3、为关键 3 。近百年来已经形成了一整套适合压缩石棉纤维增强橡胶板 ( Compressed asbestos fiber , CAF) 的性能表 征方法和试验标准 。虽然没有系统的理论和试验研 究 , 但依赖长期的经验累积 , 其结果对指导 CAF 的 生产和应用仍具有一定的现实作用 。ASTM F104 4 、 BS7531 5 及一些生产厂规定 , 根据 CAF 的标准来对 压缩非石棉纤维橡胶板 ( Compressed no - asbestos fiber sheet , CFS) 进行表征和试验 3 , 而且规定的技术性能 也与 CAF 相近 。然而 , 由于缺少长期使用经验和可 靠

4、的性能数据积累 , 传统的 CAF 性能表征和试验方 法难以用来正确评定实际 CFS 的质量 , 更难以正确 指导其生产和应用 。因此 ,对密封材料进行适宜的性 能表征和行为研究显得十分必要 。为此 , PVRC、MTI 和其它一些国家和组织在过去 二十年里 , 对垫片材料的室温和高温性能进行了系 列化的研究 , 目的是深入了解垫片的行为并制定新 的垫片试验方法和评定标准 , 最后由有关国家的标 准组织 (如 ASTM 和 API) 采纳为标准垫片性能试验 方法 , 作为建立统一的高温垫片评定方法的重要步2CF S 的一般性能表征和试验方法传统密封材料最重要的性能包括 : 抗载能力 、压缩回弹

5、性能 、蠕变松弛性能 、密封性和抗化学介质能力 , 它们是表征和评定密封材料品质的主要指标 3 , 6 。( 1) 抗拉强度 密封材料抗拉强度反映了材料抵抗拉伸和断裂的能力 , 石棉纤维的增强效果十清楚显 , CAF 一般具 有较高的抗拉强度 , 根据 ASTM F152 要求 , 高品质 CAF 横向抗拉强度一般在 35MPa 以上 。但是考虑垫片主要受压力作用 , 而不受拉伸作用 , 抗拉强度并不 是密封材料最关键的技术性能 , 因此 , 对于 CFS 一般 只要求具有 7. 0MPa 以上的横向抗拉强度 , 而大局部 CFS 的横向抗拉强度根本在 10MPa 左右 3 。虽 然 抗 拉

6、强 度 已 不 如 以 往 标 准 规 定 的 那 样 重要 , 但考虑抗拉强度可作为评定材料性能稳定性和 可重复性的一个快速 、简便的方法 , 并且可以在一定 程度上反映垫片耐介质压力的能力和抗时效损伤的 能力 , 因此在材料研制和应用中仍作为一个重要的 评定指标 , 尤其是在高温时效研究中 , 剩余抗拉强度 仍是一个主要技术指标 7 。( 2) 压缩回弹性能 压缩回弹性能反映了密封材料发生弹性或塑性变形 , 填补密封外表缺陷 , 并进行弹性补偿维持密封6 化 工 设 备与 管 道第 40 卷3 , 13的能力 ,它与密封材料的组成及配比有密切关系 。按 A S TM F 36 8 对垫片进

7、行常温压缩试验 , 可 获得垫片材料的压缩率和回弹率 。通常 C F S 要求压 缩率为 717 % , 回弹率大于 50 % , 与 CA F 根本相同 。A S TM F 36 是在室温下进行的 , 反映的是短期 行为 ,而且不能代表材料的高温性能 。为此 ,B S7531Pet e r Chil ds 等按 B S2815 和 A S TM F 38(B ) 研究了 C F S 的蠕变松弛性能 (见表 1 和图 3) ,结果说明 C F S 的抗蠕变松弛能力介于高品质 CA F 和 普通 CA F 之间 , 并随材料厚度增加 、初始应力下降和温度增加而降低 , 且随组份不同其变化速率也不

8、 同 。表 1 CF S 的应力松弛( 初始应力 : 35M Pa ,垫片厚度 : 1. 6m m)5把试验温度提高为 300 , 垫片应力也规 定 为40M Pa , 而 D IN 52913 也 把 试 验 条 件 定 为 300 、50M Pa , 以反映 C F S 在高温下的压缩回弹能力 , 但 也仅是某一垫片应力和温度下的单一值 。为此 ,有的厂商通过热压缩试验 ( Ho t Co mp re ssio nTe st ) 研究了不同垫片应力和温度下的垫片变形情况 , 由此可以确定 C F S 在不同情况下的最大承压能力 (图 1 ,图2) 3 。PV R C 的 H RO T 试验

9、方案 (热松弛热紧密性试7 , 12验)研究了在温度 1200F ( 649 ) 下经时间 4天 , 在模拟刚性条件下进行超载和温度循环时垫片的抗松弛能力 。结果说明 : CA F 由于含有 70 - 80 % 的石棉纤维 , 在粘合剂分解后仍具有有效的抗松弛 性和适当的密封性 , 而 C F S 垫片由于纤维含量少 ,耐热差 , 在长时间的高温作用下 , 纤维与粘合剂同时 分解 ,因此它们的抗蠕变松弛性能较 CA F 差 。( 4) 耐介质性能耐介质性能包括 : 耐油性能 、耐化学介质性能和 耐溶剂性能 , 反映了材料对介质的抵抗性 , 通常用材料的厚度增加率和重量增加率表示 , 直接决定材

10、料 的适用环境 。耐介质性能取决于材料的组成成分 (如 基体材料 、增强材料 、填料和加工助剂等) , 对于与非 惰性介质接触的垫片 , 耐介质性能是一个十分重要 的技术指标 , 在其他性能保证的情况下 , 介质浸渍后垫片材料保持适度的厚度增加率有利于密封性能的( 3) 蠕变松弛性能蠕变松弛是表征密封材料最重要的性能之一 , 反映了垫片材料抵抗应力松弛和变形的能力 , 是一 种瞬时应力 - 应变关系 ,与温度 、时间 、初应力 、垫片 厚度等多种因素有关 。通常 , 蠕变松弛越慢 , 那么剩余 压缩载荷越大 , 密封性能越好 。对于非石棉垫片 , 蠕变松弛是法兰接头在工作寿命内发生泄漏的主要原

11、 因 , 它对结合面的密封能力及垫片工作寿命起着决 定作用 9 。10A S TM F 38 (B )根 据 承 受 初 始 应 力20. 68M Pa 的垫片材料在 100 热空气下经 22 小时处理后螺栓伸长的松弛百分率来反映材料的蠕变松 弛性能 ; B S2815 和 11 D IN 52913 12 那么通过测试螺栓 的剩余应力来反映密封材料的抗蠕变松弛能力 , 而 且试验时间和温度都较 A S TM F 38 延长和提高 , 以 便更真实地反映 C F S 的抗蠕变松弛能力 。提高 14 , 15。目前 , 国内外对密封材料耐介质性能的研究相 1994-2021 China Acad

12、emic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 材料高品质CAF普通CAFCFS剩余应力 ( N/ mm2)301720 - 302003 年第 5 期7 当少 , 可使用的评价标准主要是 A S TM F 146 耐油性能的试验方法 16 ,虽然 D IN 28090 - 3 已公布了化 学品对垫片材料压缩 、回弹和密封性能的试验方法 ,但尚待应用考证 17 。( 5) 密封性能征垫片性能的技术指标还包括 : 耐热性能 、抗粘着能力 、密度以及对法兰面的腐蚀性等 , 它们对于合理选 用和评定 C F S 垫片 ,

13、确保其平安可靠和耐久性能具有重要作用 13 。C F S 的高温时效研究和质量评定( 1) 机械性能研究 2 ,24 ,25垫片和螺栓载荷随时间和温度的变化可以通过 法兰分析模型进行预测 , 不同垫片材料的纯机械行 为数据是该模型的根底 , 而 80 年代以前 , 这方面的 研 究 很 少 。为 此 , PV R C 建 立 了 室 温 机 械 试 验3密封性能是垫片品质好坏的综合表现 ,泄漏率是最直观的指标 。A S TM F 37 18 提供了室温评价垫片材料气体和液体泄漏率的方法 , D IN 3536/ 6 19 提 供了垫片抗渗透性的测试方法 ,B S7531 5 对 C F S 的

14、气体渗透性试验也作了明确的规定 (一般要求 C F S的泄漏率不大于 1mL / mi n ) 。 早 期 密 封 试 验 大 多 是 在 室 温 下 进 行 , Er n stSa ut e r 20 研究了一定垫片应力下介质压力与泄漏率的关系 ; J o h n B ro w n 21 研究了 C F S 在不同垫片应力 下泄漏率与介质压力的关系 ; 结果说明泄漏率的对数 和介质压力的对数呈线性关系 。对几种 C F S 的密封 压力 、温度及垫片厚度的研究 , 发现对于气体介质 , 垫 片越薄越好 , 它可使密封所需螺栓载荷降低 , 抗蠕变松弛能力提高 , 但垫片也不能太薄 , 必须具有

15、一定的 厚度以填补法兰面上的加工缺陷和机械划痕 ; 而对于 液体介质 ,垫片厚度根本不起作用 22 。由于传统试验 方法不能完全反映垫片的实际使用性能 , 所以目前正 把 A S TM F37 的密封性试验与 A S TM F38B 的蠕变松弛试验方法联合起来 , 即将试件在预定的载荷 、温 度和时间下发生蠕变松弛后 , 再用密封介质进行密封( Roo m -t e mp e ra t ureMec ha nical Te st Proce dure ,RO M T) 和 热 态 机 械 试 验 ( Ho t Mec ha nical Te stProce dure , HO M T ) ,

16、通过加载 - 卸载循环 、恒垫片 应力下的蠕变 、恒垫片变形下的应力松弛三种试验 程序来估计实际垫片蠕变/ 松弛的大小 。T T RL 于1993 年根据压缩载荷机械试验 (L o a d -Co mp re s2sio n Mec ha nical Te st Proce dure ,L CM T ) ,研究了垫片在压缩条件下紧密度和变形的关系 。利用这些机 械试验可以评定垫片在室温和高温下的短期机械完 整性和蠕变行为 , 结果说明室温下 C F S 的机械完整性和抗蠕变能力可与 CA F 相比拟 , 但在高温下与CA F 相差较大 。( 2) 机械筛选试验 26 28机械筛选试验目的是研究

17、和评定纤维增强弹性 体密封材料的长期高温机械性能和适用性 , 主要以23性试验 , 故称为蠕变密封试验, 其结果如表 2 所示 。七十年代后期 ,随着对 C F S 为主的垫片性能的深 入研究 , 密封试验已经从早期的常温试验向高温时效研究方向开展 , 并取得了一系列成果 , 这在后面再作 论述 。表 2 蠕变松弛 - 密封性试验结果( 法兰预加载荷 : 20. 7M Pa ;介质 :氮气 ;内压 : 190k Pa)M T I 的 A T R S 试 验( Age dTe n sile Rela xa t io nSc ree n Te st Proce dure ) 为主 , PV R C

18、 和 T T RL 通过提高试验温度和增加密封性测试而分别设计进行了 HA T R 试 验 ( Hi g h - t e mp e ra t ure A ge d L ea ka ge Rela xa t io n Sc ree n Te st Proce dure ) 和 A RL A 试验( A ge dA d he sio n Te st Proce2Rela xa t io nL ea ka gedure) 。机械筛选试验的一个主要结果是引入了三个质 量评定参数 Q r 、Q x 和 Q p 以反映时效时间和温度对 材料的损伤 , 并以 Q p 来综合评定垫片材料的机械完整性和抗蠕变松

19、弛性 , 把 Q 大于 0. 5 作为 C F S 通p过机械筛选试验的一个根本准那么 。2保持 %TS XQ p = ( Q x) ( Q r) =( 1)100075其中 : TSX = 经 A T R S/ HA T R 时效试验后试样的横向剩余抗拉强度 ; 保持 % = A T R S/ HA T R 试验装置除上述几个根本性能外 , 直接或间接地用以表 1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 材料未进烘箱前的 泄漏量 ,mL / h在 100o C 下 蠕 变

20、 松弛22小时 , %置于烘箱后的 泄漏量 ,mL / hC F S1550582422857654241145101647413435CA F5840208136538 化 工 设 备与 管 道第 40 卷时效后应力的保持率 。机械筛选试验的另一个重要结果是根据等量的 时效产生等量的损害而定义了另一个质量评定参数当量时效因子 A e , 提供了不同试验条件进行比拟 的基准 , 为用 A T R S 试验数据外推预测使用寿命提供了根底 。对于 A ra mi d 纤维增强的 C F S ,有 :在 P F IR 试验中有一定的剩余强度但在真实火焰中松弛严重 , 而 CA F 中石棉纤维含量越多

21、可减缓蠕变 和 厚 度 损 失 。 F IR S 和 F I T T 试 验 表 明 CA F 在1200 0F ( 649 ) 下仍具有较高剩余抗拉强度和紧密度 T SX 1500p si ( 10. 5M Pa ) , Tp 50 , 以及好的 垫 片 完 整 性 ; 而 A ra mi d 纤 维 增 强 C F S 不 能 通 过1000 0F ( 538 ) 以 上 的 F IR S 试 验 , 也 不 能 通 过1200 0F ( 649 ) 的 F I T T 试验 。H0. 2T - 300( 2)A e =19. 9其中 : T = 时效温度 ( 0F) , H = 时效时间

22、 ( h) 。对于 A ra mi d 纤维增强的 C F S , A e 计算的长期 使 用 温 度 与 材 料 的 活 化 能 有 密 切 关 系 , 为 此 ,PV RC90 - 1 采用稍做改良的 A T R S 装置获得了失 重和机械性能变化的关系 , 并由此开展了基于失重 关系的新的时效参数 A p 。对于4 高温紧密度试验 31 33( )垫 片 的 室 温 密 封 性 能 研 究 比 较 多 , 特 别 是PV R C 的室温紧密度试验方案 ( Roo m - t e mp e ra t ureProce dure , RO T T ) , 系统研究了垫Ti g ht ne s

23、s Te st片应力 ( S g) 、紧密度系数 ( Tp) 、垫片变形 (D g) 以及试验时间的相互关系 , 并为螺栓法兰的设计制定了一 个新修订的垫片系数 。然而 ,高温密封性能的研究那么 比拟困难和缺乏 , 七十年代起 , 随着 C F S 出现和应 用 , PV R C 、M T I 和 T T RL 等国际组织为了研究在模拟实际操作压力 、螺栓载荷和温度条件下垫片的 密封性能 , 在 RO T T 根底上设计进行了一系列高温 密封试验方案 。热操作紧密性试验/ 时效热操作紧密0 . 6T T c A p = 17000 H ( 1/ To - 1/ T)其中 : T = 时效温度

24、( K) , H = 时效时间 ( h) , T c = 失重率变化时的临界温度 ( K) , To 、To = 失重率为零 时的截距温度 ( K) 。利用 A p 根据垫片材料的横向剩余抗拉强度 、载 荷松弛和失重率等可以确定垫片长期操作温度 , 并可预测垫片的密封性能 ; 在可接受的泄漏根底上 , 从短期 A RL A 试验结果采用时效参数 A p 可以确定垫 片长期使用寿命 ; 而且 A p 也可精确反映垫片材料紧密度行为的变化以及时效后泄漏率水平与失重之间的紧密关系 。( Ho t Op e ra t io nalTe st Pro2性试验方案Ti g ht ne ssce dure

25、/ A ge d Ho t Op e ra t io nalTi g ht ne ss Te stPro2ce dure , HO T T / A HO T ) 对真实工况下垫片的高温密封行为 (温度 1200F , 时间超过 14 天) 进行了评定 ; E HO T 试验方案 (逸出热紧密性试验) 研究了适度时 效 ( 1200F , 8 天) 对垫片紧密性行为的影响 (对垫片 常数 Gs 的影响) ; 热吹出试验方案 ( Ho t Blo wo utTe st Proce dure , HOB T ) 研究了在过度松弛情况下 的紧密性行为 , 试验温度高达 1200F ; F I T T

26、试验计 划研究了在模拟火焰过程中 ( 1200F , 15 分钟) 垫片 的紧密性情况 。高温密封性能研究说明 , 不同温度 、不同时效 、不同材料的密封行为差异很大 , 如在 800F ( 427 ) 经一周时效后 A ra mi d 纤维增强的 C F S 垫片泄漏率 比室温增加了 10000 倍 ,而相同条件下 ,CA F 垫片的 泄漏率只增加 320 倍 。这一增加与时效引起的物质 损伤相一致 , 而且发现弹性体粘合的片状材料均有类似的情况 , 同时也可以看出试验的 C F S 的高温密 封性能通常比 CA F 差 , C F S 垫片的室温密封行为难 以反响在操作温度下的密封能力 。

27、同时 , 紧密度的研究引进了一个将给定垫片应耐火试验 29 ,30( 3)早期的耐火试验以 PV R C 的垫片热机械蠕变试验 ( P F IR 试验) 为主 , 可测量剩余抗拉强度 、蠕变 速率 、总蠕变等性能参数 。19861987 年 ,M T I 规划47 采用 A T R S 试验装置进行了模拟火焰筛选试验( Fi re Si m ula t io n Sc ree n Te st Proce dure , F IR S ) ,以 评定垫片在火焰筛选试验中的可接受性 。PV R C 规 划 88 - 16 和 89 - 03 提出了基于模拟火焰下连接紧 密性的更复杂的耐火试验 火焰紧

28、密性试验 ( Fi reSi m ula t io n Ti g ht ne ss Te st , F I T T ) 。通过设定不同 的试验温度 , 根据 F IR S 试验以后试样是否完整 , 有无一定剩余强度 、极度扩展 、明显压出或横向冷流以 对垫片材料的耐火性进行表征和筛选 。P F IR 结果说明 CA F 比 A ra mi d 增强的 C F S 稳 定且具有更好的短期蠕变性 , 玻璃纤维增强的 C F S 1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 200

29、3 年第 5 期9 力下的介质压力和质量泄漏率关联起来的无因次参量 紧密度系数 ( Tp) :降解 :B / T( )t = A e10B / T* 0. 5也即其中 :( )Lrml g t = l gA + l ge11p*( 5)Tp =pLrmt = 降解到达一定程度所需的时间 ( 失效时( M Pa ) , * = 参 考 大 气 压其 中 :p = 气 体 压 力ph - 1间) , T = 绝对温度 K , A = 频率因子化能 ,e = 自然对数的底 。( )(), B = 活( 0. 1013M Pa ) , L rm = 质量泄漏率 ( m g / s) , L rm *

30、= 单位质量泄漏率 ( 1m g / s) 。由此 , 以 CA F 的行为为参考 , 定义了三个紧密 度质量参数 Q t 、Q t 和 Q t 。由此以 l g t 对 1/T 作图可以得到材料的耐热图 。对于几个给定的垫片失重和泄漏率水平可以分别获得材料耐热曲线 , 由此对材料的热耐久性进行 评定 ,对其长期工作温度进行精确预测 。( 6) 根据 A r r he ni us 模型和耐热图 , 引进了一个 当量时效因子 Ae , 以此预测垫片的长期使用温度 , 它可很好地适用于各种弹性体垫片材料 。Qt = 1/ 2Log ( T p m in) / 1. 5 + (斜率) / 1. 5(

31、 6) ( 7)( 8)Q t = 1/ 2Tp m in) / 32 + (斜率) / 1. 5Q t = T p m in/ 32 (对氦气)其中 : 斜率 = 1/ Lo g ( T p m in) - Lo g ( T p m in) ,T p m in 是最小的紧密度值 , 32 表示较好时效的压缩石棉垫片的平均紧密性 。0. 2 ( T - 148 . 9 )Ae = t( 12)11. 0586其中 T 为温度 ( ) ,t 为时效时间 ( h) 。但试验说明 , 不同 C F S , Ae 计算的长期使用温 度和耐热曲线的长期使用温度结果存在一定差异 , 即目前的 M T I/

32、 PV RC 质量评定草案必须进行进一 步改良以更好地适应对所有弹性体材料的评定 , 改进的方向是建立以机械筛选试验为根底的耐热图 。由此得到了对于 F I T T 试验可接受的判据为 :Q t 、Q t 、Q t 1 , T p 32( 5) 长期时效研究 34 , 35为了证实基于筛选试验的垫片长期操作寿命预 测的真实性和准确性 , 改良和完善弹性体垫片材料的质量评定方法 。近年 M T I 和 PV RC 在短期高温 时效试验的根底上对压缩纤维增强垫片材料进行一 年以上的高温时效试验 。结果说明 :( 1) 连续和间断时效对垫片性能影响相同 ;( 2) 温度和时效气氛对载荷松弛行为没有很

33、大 影响 , 蒸汽时效的垫片失重和泄漏率比空气时效低 , 基于相同的垫片失重 , 高温下的短期试验可以用以 预测低温下长期的载荷松弛 。( 3) 温度对垫片失重的影响随材料而异 ,同一 材料也随时间而变 , 但对一个试验温度 , 失重 ( w ) 和 时效时间 ( t ) 存在如下关系 :4蠕变松弛性能的理论分析和试验研究PV R C 、M T I 等对 C F S 和 CA F 长期时效研究中 , 垫片的蠕变变形和螺栓剩余载荷 (螺栓载荷的松弛) 是密封材料最为有效的质量评定指标 , 一系列的 寿命和使用温度预测均是建立在蠕变和松弛根底之 上 , 而螺栓载荷的松弛归根到底又是由垫片的蠕变 引

34、起的 , 因此密封材料的蠕变行为直接影响材料的长期行为 1 ,3 。对垫片的纯蠕变已有很多试验研究 。1936 年Tho r n 讨论了垫片的蠕变效应 ; Baile y 、Ma ri ne 、Wa2 t e r s 、Fe ssle r 、Kra us 等许多学者在进行螺栓法兰连 接时又对垫片的蠕变进行了一定探讨 ; 1963 年 Smo2 le y 等比拟全面分析了垫片的蠕变松弛对螺栓法兰 连接的影响 , 并在由单个螺栓上紧的圆柱状法兰间 进行垫片压缩试验根底上 , 对蠕变做了很好的描述 和讨论 ; 1972 年 Pi n de ra J . T . 和 Sze Y. 给出了一 些垫片纯蠕

35、变的结果 , 对描述法兰连接性能以及对 泄漏试验的解释具有很重要的意义 , 但关于这些垫 片的松弛性能或有关组合垫片的蠕变 松弛性能几w = kt ( 9)( 4) 垫片失重和泄漏率间存在内在关系 。足够的时效导致 C F S 的粘结剂和非石棉纤维发生热降 解而使其失重增加从而引起泄漏率持续增加 , 而 CA F 由于在时效过程中失重变化不大 , 因此其初始和最终泄漏率根本相同 , 即 CA F 几乎不受热降解的 影响 。( 5) 垫片材料在空气中的热降解遵循 A r r he2ni us 模型 , 可以采用 A r r he ni us 方程分析垫片的热 1994-2021 China Ac

36、ademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 10 化 工 设 备与 管 道第 40 卷乎没有可用的数据 ; 1972 英国标准 B S1832 和 1982年 A S TM F 38 给出了垫片的蠕变松弛试验装置 , 它 们借鉴了 Smole y 的试验原理 ,试验既不是纯蠕变也重要作用 , 建立新的垫片设计系数成为密封技术研究开展的一个重要方向 。1974 年 PV R C 开始的一个探索性试验研究结 果说明影响垫片性能有许多复杂的因素 , 包括允许 泄漏率 、密封介质 、内压 、装配垫片应力 、垫片尺寸和

37、 密封外表粗糙度等 。通过试验研究和分析 A SM E 的一个特别工作小组 ( SW G) 与 PV R C 共同拟订了新 的垫片常数 , 与此同时也对传统的螺栓法兰设计规 那么作相应的改变 。新的垫片常数包括 Gb 、a 、Gs 、Gb 和 a 共同代表 了垫片在初始预紧下的密封能力 , 反映了垫片预紧不是纯松弛 1 ,3 ,8 ,24。1984 年 Baze r gui 系统研究了垫片恒应力下的短期蠕变 、松弛行为 , 并由蠕变曲线获得了蠕变方程(式 13) , 结果说明最大的蠕变发生在较低的应力水 平 , 而且主要发生在开始的 1015mi n ; 由恒垫片变形量下的应力松弛试验获得了应

38、力松弛方程 ,化规律与蠕变完全一致 8 。e c = a + bl n tO = C - Dl n t其变( 13)( 14)a应力和紧密度的关系 ,由 S Tp = Gb Tp可以计算维其中 : e c = 垫片纯蠕变变形 , a , b = 与应力水平有关的常数 , O = 垫片的应力 , C , D = 与垫片初始应力相 关的常数 ,t = 时间 。Baze r gui 对密封垫片短期蠕变行为的研究与前 苏联科学家对玻璃钢蠕变行为的研究结果完全一致持一定紧密度所要求的最小垫片预紧应力 ; Gs 是反映操作的独立常数 , 描述了垫片紧密度对螺栓力变 化的敏感性 ,对一个特定的紧密度水平 ,

39、 Gs 说明了垫 片所需要的最小工作应力 。新的垫片常数将紧密度 与连接设计相结合 , 对垫片生产 、螺栓法兰连接设计35。Bo uzi d 等利用该蠕变方程系统研究了垫片蠕变以及应用都十分重要 。文献 38描述了由简化的松弛对螺栓法兰连接紧密度的影响 , 结果说明连接紧密度的下降主要由于垫片工作一段时间引起的蠕 变松弛 24 。这些研究获得了一些可以指导垫片应用的试验结果 , 但对它们的理论研究特别是蠕变松弛行为的 理论和试验研究还相当缺乏 。而这些性能信息对于 密封材料长期寿命和使用温度的预测是十分重要 的 , 对于正确了解垫片密封失效的机理也是十分重要的 。5 建立新的垫片设计参数和 C

40、 F S 的应用 1 ,3 ,36 ,37RO T T 试验求取 Gb 、a 、Gs 的具体数学过程 , 但这方面的工作还没有完全完成 , 还需要大量试验进行验 证和完善 ,国内在这方面的研究上还是一个空白 。6结语目前对 C F S 的表征和试验大多沿用 CA F 的标准试验方法 , 然而这些方法对 C F S 的适用性尚需研究和探讨 。虽然 PV R C 、M T I 等也建立了一套试验 方法 , 但主要目的是对产品进行筛选与评价研究 , 缺 乏对新产品开发和性能提高的指导作用 , 因此有必 要对 C F S 进行系统的性能表征和研究 。L . Ma rc ha n d 等人虽然通过对 C

41、A F 及 C F S 的高温时效试验 , 获得了与垫片失重 、载荷松弛等性能 有关的时效参数 A p 和热持久曲线图 , 此对研究长期 在一定温度下服役的垫片性能及预测 C F S 的使用 寿命有参考价值 , 但未解决实质性的理论问题 , 尤其 对密封十分重要的蠕变松弛性能研究很少 。为此 , 确定适合 C F S 蠕变松弛行为的力学模型 和理论表征方式 , 进而探讨适合 C F S 的蠕变松弛行 为的理论表征和分析方式 , 对 C F S 的使用寿命进行 预测 ,以对密封材料的开发研制进行理论指导 。过去 , 由于垫片机械性能和密封行为的复杂性和数据的缺乏 , 垫片连接设计半个世纪以来一直

42、简化为 m 、y 两个垫片参数 ,并沿用 A SM E- 1 附录2 的 螺 栓 法 兰 设 计 规 那么 。m 、y 值 由 Ro sshei m 和Ma r kl 于 1943 年引入 , 由于这些参数不能为试验验 证 , 也没有可用的标准试验方法 , 因此不能引申到新 的产品和材料 ,其根底和合理性一直令人疑心 。随着新的垫片结构和材料的不断出现 , 对垫片性能研究 的不断深入 ,以及以紧密度为设计准那么的要求 ,简单的 m 和 y 值已不能在确定螺栓载荷中起到应有的 1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House

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