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33彩票膨胀石墨复合垫片的结构及密封性能

时间:2020-02-03 07:37 作者:admin

  80年代初新型碳质料神速生长起来,对很众工业临蓐起着至合要紧的效力,被誉为21世纪质料科学规模中最具商量代价的质料。

  20世纪60年代后期,美邦联碳公司用膨胀石墨制成密封质料,从而出生了第二代密封质料。1971年美邦洛克惠尔阀门工程安排中央为处置原子能阀门泄露题目,对其邦内的某九家公司临蓐的各式差异类型的密封机合正在预设的64个试验位置均举行了对照商量。结果讲明,膨胀石墨质料的密封结果最好。所以,少许焕发邦度如美、日、法等对这种密封质料做了进一步的深宗旨商量,加疾了膨胀石墨质料正在密封规模的生长速率,使这种髙效节能的新型众孔碳质料成为天下上备受体贴的密封质料。

  自1978年起我邦才滥觞研究膨胀石墨质料及其复合质料成品,近几年生长速率也很疾。黄卓明等商量了柔性石墨正在泵类动密封上的使用,说明了柔性石墨填料密封优于浸油面纱、石棉盘根和橡胶盘根等填料密封,并且柔性石墨正在碱液、稀硫酸、浓硫酸和有机溶剂中耐腐化且化学安静性好;姜放对膨胀石墨填料密封流体压力的分散举行了商量,得出了填料环的数目、机合、巨细及刚度对一切填料密封流体泄露压力分散弧线的影响,并提出利用差异密度类似规格的填料环拼装正在统一填料函中,可使流体泄露压力分散较为合理的看法;顾伯勤等人对不锈钢柔性石墨纠缠垫片的高温本能举行商量,尝试结果讲明其压缩量随试验温度和垫片压紧应力的增大而增大,垫片的回弹本能随温度的升高而降落,其压缩回弹弧线具有非线性和非落伍性,并且这种垫片由金属和非金属构成,常温下亦有蠕变发作,蠕变量随温度的升高而增大;周庭年等人以蔗糖水溶液浸渍的膨胀石墨经高温治理到达正在石墨层间机合中渗碳的宗旨,进步了膨胀石墨质料的压缩本能并提出以此渗碳质料为基体进一步与不锈钢丝制成夹层复合质料可进步抗拉强度40%控制;河南冶金修筑联营公司源委几年商量,正在膨胀石墨平面密封体技能上有了新的冲破,进步了密封牢靠性,达成了高温密封质料的更新换代,到达了增产俭朴的宗旨。

  行为一种新型成效性碳素质料,膨胀石墨(Expanded Graphite,简称EG)是由自然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化获得的一种松散众孔的蠕虫状物质。EG 除了具备自然石墨自己的耐冷热、耐腐化、自润滑等优越本能以外,还具有自然石墨所没有的柔弱、压缩回弹性、吸附性、生态境况和洽性、生物相容性、耐辐射性等特点。[1] 早正在19世纪60年代初,Brodie将自然石墨与硫酸和硝酸等化学试剂效力后加热,涌现了膨胀石墨,然而其使用则正在百年之后才滥觞。从此,浩瀚邦度就接踵伸开了膨胀石墨的商量和开辟,得到了强大的科研冲破。

  膨胀石墨是由自然石墨鳞片源委化学治理,高温下瞬时膨胀改性而成。它不但具有自然石墨优越的化学本能,并且具有了更众奇异的死板本能,是目前合用周围广、密封本能优良的理念密封质料。重要本能先容如下:

  (1)密度:石墨鳞片经髙温膨胀后便制成具有松散众孔微观机合特色的膨胀石墨。其聚集密过活常为0.002~0.005g/cm3,制品密度为0.8~1.8g/cm3,所以它的质地较轻、可塑性较好;

  (2)纯度:膨胀石墨成品中碳元素的含量最众,固定的碳含量可达98%控制,有些迥殊治理过的膨胀石墨质料其含碳量可超越99%,能够餍足很众工业部分对密封件高纯度的恳求。

  (3)安静性:外面上说,膨胀石墨成品能正在-200℃~3000℃下利用,行为密封

  填料可正在-200℃~800℃安好利用。能包管低温不脆化、不老化,高温不软化、

  稳固形、不睬解。并且膨胀石墨还具有较小的热膨胀系数,使其安静性更好,正在高温和温度剧变的工况下也能优良的密封。

  (4)耐放射性:受中子射线、γ射线、α射线、β射线等永恒映照而不发作清楚转移。

  (5)不渗出性:松散众孔的迥殊机合使得其外观积很大,易酿成极薄的气膜和液膜从而禁绝介质渗出,对良众气体和液体具有优良的不渗出性。

  (6)自润滑性:膨胀石墨仍保留自然石墨鳞片的平面层状机合,外力效力下平面层间易相对滑动而爆发自润滑,有用防御轴或阀杆的磨损。

  (7)耐腐化性:膨胀石墨具有安静的化学惰性,除了强氧化剂如王水、硝酸、硫酸和卤素等少许特定介质外,能合适大局限酸、碱、盐溶液、海水、蒸汽有机溶剂等介质。

  (8)可压缩性和回弹性:膨胀石墨成品微观上具有良众可压缩的紧闭小闲暇,外力效力可被压缩,同时,因小闲暇中的气氛爆发张力而具有很好的回弹本能。33彩票

  (9)柔弱性:膨胀石墨质柔柔弱,易加工,用通俗刀具便可切割,可任性卷绕、弯折,具有良众制品形态。

  膨胀石墨奇异的优异本能,使得其备受商量者的友好,但其自己存正在的少许弗成渺视的弱点,也束缚了它正在更广周围内的使用。比方,膨胀石墨松散众孔的迥殊机合使得它具有必定的吸水、吸油性,若用纯膨胀石墨做汽车的汽組垫密封质料,就会变成因吸水、吸油而变成首要泄露;膨胀石墨是由自然石墨高温治理而得,其内部的集合仅仅靠薄弱的范德华力,所以强度较低;耐磨性差,不抗冲洗,所以不行直接用它做某些粟、阀门的密封质料。所以,寻找柔性石墨复合质料成为了邦外里从事膨胀石墨商量的科研职员的重要宗旨,现已得到很大发扬。

  死板修筑按密封面的相对运动能够分为静密封和动密封两局限,而静密封又是平时临蓐中常用的密封方式,如管道法兰、螺纹接连、压力容器与盖的密封等,按照事情道理,静密封又可分为螺栓法兰接连垫片密封、自紧式密封、螺纹接连垫片密封和密封胶密封等,此中螺栓法兰接连垫片密封是目前利用最广的一种静密封方式。关于这种密封机合的商量事情重要召集正在两个方面:一方面是关于密封质料的本能测试,着重商量质料的制备方式以及尝试仪器和方式的科学性、切实性;另一方面,对惹起编制密封失效的各式出处做了大宗的领会事情,关于差异质料差异方式的垫片,永诀商量影响其泄露率巨细的身分。

  为防御流体的泄露,所用根本方式是正在密封口增补流体活动的阻力,当介质通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时,介质就被密封。而介质通过密封口的阻力是借助于施加正在压紧面上的比压力达成的,效力正在压紧面上的密封比压力越大,则介质通过密封口的阻力越大,越有利于密封。

  螺栓法兰接连的密封失效重要外示为泄露,一朝发作泄露就会变成事件,轻则变成能源和修筑的铺张,影响寻常临蓐运转变成经济耗损,重则能够惹起爆炸变成人身伤亡,对境况变成弗成揣测的污染水准。所以尽能够地淘汰泄露、进步对容器和管道等密封编制的密封恳求显得更为要紧。

  一种是“滲透泄露”,这种泄露重要是因为垫片的质料自己具有良众毛细管,流体通过这些毛细管便可爆发渗出泄露,平淡介质内压越大、温度越高、介质粘度越小,渗出泄露的概率就越大。另外,除了这些流体本质及所处的工况条目的影响外,垫片机合类型以及质料本质也是最重要的身分,众发作正在非金属塾片密封时,这是因为这些质料自己具有良众细小的间隙,构制松散,严密性差。当效力其上很小的压力时,介质就能够很容易地通过大宗的毛细血管而发作泄露。日常来说能够通过对这些渗出性的垫片质料增添某些填充剂。比方用硅酸、磷酸等溶液浸泡的方式举行改革,或与某些不透性质料组合制成复合质料也可淘汰“渗出泄露”。

  二是“界面泄露”,即沿着垫片与法兰压紧面之间泄露,泄露量巨细重要与界面间间隙尺寸相合。变成这种泄露的身分重要有两个:(1)加工时密封面高卑不服或是压紧时力度太小、不服均,变成了密封面上存正在间隙。(2)密封面两侧存正在压力差或浓度差。正在现实操作时,密封面两侧存正在的压力差和浓度差是无可避免的,要念减小这种界面泄露,就务必进步加工精度,同时要合理给垫片施加压紧力,充盈应用垫片爆发的压缩回弹形变来增加密封上四凸不服的间隙。

  按照临蓐工艺及修筑安置的必要,化工修筑或管道接连众采用可拆式接连机合,如:螺纹接连、插套接连、法兰接连等,而法兰接连又是使用最遍及的可拆式接连,商量法兰接连机合的受力及变形处境成为了重心。凭据介质内压和介质类型合理抉择法兰、螺栓和塾片的质料以及机合类型,下图为法兰接连机合的日常型式。

  金属齿形垫日常用精巧的车床正在金属不锈钢平垫片的二面加工成专心的沟槽,按照差异的介质,可抉择柔性石墨、PTFE、无石棉板或其它少许软金属,粘贴正在垫片的二面。也可不带密封层直接利用,且能到达优良的密封结果,但正在高压景象中容易对法兰的外观变成耗损。

  按照我邦2009年7月践诺的化工行业法式《钢制管法兰器具有笼盖层的齿形组合垫》(法式号:HG/T20623-2009),本文选用DN80的金属齿形垫,其金属骨架机合和全体机合方式永诀如图4-2、图4-3所示,法式垫片的尺寸巨细如外所示。本文重要商量公称直径稳固的条目下,金属骨架的齿数N和膨胀石墨笼盖层的厚度S对复合垫片力学本能的影响

  正在前治理经过中,金属骨架的质料选用304不锈钢,其弹性模量为2.0x10^11 Pa,泊松比为0.313,剪切模量为7.45x10^11 Pa,折服极限为2.05X 10^8 Pa,密度为7850kg/m3,单位类型釆用“planel83”;笼盖层的质料选用密度为1000kg/m3的膨胀石墨,其弹性模量为1.0x10^10 Pa,泊松比为0.01,剪切模量为1.0x10^7 Pa,折服极限为6.0x10^7 Pa,单位类型为“planel82”。因为垫片机合为中央轴对称图形,渺视不计圆周宗旨上的应力,咱们将三维几何模子简化为二维模子举行轴向应力领会。

  Planel82单位是2维4节点实体单位,用于2维模子。每个单位有4个节点,各个节点又有两个自正在度,即沿x,y宗旨的平移。该单位即可行为平面单位(平面应力、平面应变或广义平面应变),也可行为轴对称单位,具有塑性、超弹性、应力加强、大变形、大应变技能以及力一位移同化公式的技能,能够用来模仿简直不行压缩的次弹性质料和齐全不行压缩的超弹性质料的变形。

  Planel83单位是一个高阶2维8节点实体单位,具有二次位移函数,合用于模仿不端正模子的网格划分。该单位由8个节点界说,每个节点有宗旨两个自正在度。与PIanel82单位好像,它也可用作平面单位和轴对称单位。具有塑性、孺变、应力刚度、大变形、大应变的技能,同时具有力一位移同化公式的技能,可用来模仿逼近弗成压缩的弹塑性质料的变形,增援初始应力选项。并供应差异的打印输出选项。

  ANSYS软件包括了耦合自正在度和管制方程的成效,可能达成对刚性区域、某些机合的搭钮接连、具有对称性的相对滑动范围、周期条目和其它的迥殊内节点接连等细节的切实描绘。使用于模子局限的样板的耦合自正在度席卷:机合对称、正在两个反复节点之间酿成搭钮、销钉、万向节和滑动接连,从而使模子的某一局限外示出刚体的特点。

  本节模仿中为了更好地外示出膨胀石墨复合层的变形和洽性,仅仅用惯例的单位接连节点不行达成,而务必正在上面的复合层上外观进步行耦合自正在度的操作,将X宗旨行为主自正在度,管制其上外观各反复节点的X、Y宗旨上的位移相同,以包管上外观的刚体特点

  界说机合的领会类型为静力领会后,为了获得柔性石墨金属齿形复合垫全体机合的压缩回弹本能弧线,必要利用众步加载方式。起首必要给模子施加范围条目,本模仿中管制一起模子的下复合层的下外观的轴向自正在度,即限度UY=0;然后正在上复合层的上外观上施加平均载荷60MPa,设定载荷步选项席卷设定载荷步完毕功夫为lOs、子步数为100以及载荷步的读取方法为每一子步读取结果等,之后举行写载荷步,记为1;终末正在上复合层的上外观上施加载荷巨细为0MPa的载荷,设定载荷步选项席卷设定载荷步完毕功夫为20s,其它值默认,写载荷步,记为2。此中载荷步1的效力是达成对模子的渐渐加载,载荷步2的结果是达成对模子的卸载经过。

  当范围条目和载荷步设定好之后便可滥觞盘算,抉择“Solution—Slove—From LS Files落成对众步载荷的求解。

  本文先容的是一种此刻商量界较为体贴的垫片一膨胀石墨金属齿形复合垫片。这种垫片以金属波形骨架为基体,正在其上笼盖一层必定厚度的膨胀石墨便可获得,它不但具有金属骨架刚度大、安好牢靠的长处,还具有膨胀石墨优良的压缩回弹本能及耐坎坷温等特点,收到了双重密封的结果,遍及使用于良众修筑密封机合中。目前,对其举行的领会大局限还仅限于尝试商量,数值模仿领会甚少,所以本文选用ANSYS软件对这种垫片的密封本能举行数值模仿领会并达成了垫片的机合优化。此中所得的结论席卷:

  (1)加载经过中跟着载荷步的增补即载荷数值的增大,垫片机合的应力值和位移值均正在延续增补,而正在卸载经过中该节点的应力值随载荷的减小而减小,这与现实的加载卸载顺序相同;

  (2)当膨胀石墨笼盖层厚度为0.5mm时,法式复合垫片(12个齿)以及10个齿的复合塾片其压缩弧线mm)及笼盖层厚度为0.4mm、0.6mm的复合垫片其压缩本能弧线)当膨胀石墨的笼盖层厚度为0.5mm时,齿数为N=10的复合垫片的泄露率最小,而法式复合垫片(N=12)的泄露率却是最大;

  (5)当金属骨架的齿数为12个时,膨胀石墨笼盖层的厚度为的复合垫片的泄露率最小,泄露率的最大值还是是法式复合垫片的泄露率数值。

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